DE69216405T2

DE69216405T2 - Energieanlage mit komprimiertem luftspeicher

Info

Publication number: DE69216405T2
Application number: DE69216405T
Authority: DE
Inventors: Arthur Palo Alto Ca 94306 Cohn; David J. Westlake Oh 44145 Minderman
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-04-07
Also published as: US5491969A; AU1988092A; CA2110262A1; AU659170B2; ES2095474T3; US5379589A; EP0589960A4; EP0589960B1; DE69216405D1; ATE147135T1; JP3210335B2; EP0589960A1; WO1992022741A1; ZA923118B; JPH06508411A; CA2110262C

Description

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein verbessertes Kraftwerk. Genauer betrifft diese Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Betriebs eines Kraftwerks durch Benutzung einer Kombination von Druckluftenergiespeicherung und Sättigung (gleichzeitige Heizung und Befeuchtung) von Druckluft mit Wasserdampf.

Hintergrund der Erfindung

Der Leistungsbedarf bei einem Kraftwerknetzsystem schwankt im Laufe eines Tages oder einer Woche stark. Während der Perioden mit mittlerem und hohem Bedarf, typischerweise wochentags zwischen 7.00 Uhr und 23.00 Uhr, ist der Wert der elektrischen Energie verhältnismäßig hoch. Während der Perioden mit niedrigem Bedarf, typischerweise an Wochenenden und wochentags zwischen 23.00 Uhr 7.00 Uhr, ist der Wert dagegen relativ niedrig. Daher wäre es für die Perioden mit niedrigem Bedarf sehr vorteilhaft, eine wirksame Möglichkeit zu finden, um (1) die mechanische, thermische und/oder elektrische Leistungsabgabe eines einzelnen Kraftwerks zu speichern oder (2) die durch andere Kraftwerke in dem Netz erzeugte elektrische Leistungsabgabe zu speichern. Die gespeicherte Energie könnte dann während Perioden mit hohem Bedarf wirtschaftlich genutzt werden.
Ein Lösungsweg zum Speichern von in Perioden mit niedrigem Bedarf erzeugter Energie umfaßt den Betrieb von Kompressoren während dieser Perioden. Die Kompressoren erzeugen Druckluft, die speicherbare mechanische und thermische Energie besitzt. Die Druckluft aus dem Speicher kann zu einer späteren Zeit von dem Kraftwerk genutzt werden, während die Kompressoren abgeschaltet sind. Dieser Lösungsweg verwirklicht zwar bestimmte Vorteile, es sind aber immer noch einige Mängel mit ihm verbunden.
Erstens sind die Finanzierungskosten und die Betriebskosten von Kompressoren hoch. Ein anderer Punkt betrifft das praktische Erfordernis, die Druckluft vor der Speicherung zu kühlen und dann die Druckluft zu heizen, nachdem sie aus dem Speicher entnommen wurde. Diese Heizung erfolgt im allgemeinen durch Rekuperation und Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, der kostspielig ist und zur Emission von Schadstoffen führt. Zum Stand der Technik gehörende Druckluftspeichervorrichtungen, selbst diejenigen mit Rekuperatoren, nutzen die Abwärmeenergie nicht so effizient wie möglich. Die Menge des Verbrauchs kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und folglich der Emissionen kann durch eine effizientere Nutzung der im Kraftwerk erzeugten Abwärmeenergie verringert werden.
Diese mit Druckluftspeicherung verbundenen Probleme haben die Anwendung von Druckluftspeicherung in brennstoffverarbeitenden Kraftwerken (d.h. Kraftwerken mit einem größeren Brennstoffverarbeitungssytem, wie z.B. einem Kohlevergasungskraftwerk) ausgeschlossen. Es sind eine Reihe von Problemen mit brennstoffverarbeitenden Kraftwerken verbunden, die durch geeigneten Einsatz einer Druckluftenergiespeichereinrichtung gelöst werden könnten. Ein mit brennstoffverarbeitenden Kraftwerken verbundenes Problem betrifft die mit einer Brennstoffverarbeitungsausrüstung verbundenen hohen Finanzierungskosten. Es wäre vorteilhaft, die Brennstoffverarbeitungsausrüstung für die Bereitstellung von Energie auf den Kompressor während der Perioden mit hohem Bedarf zu beseitigen. Ein anderer Punkt bei brennstoffverarbeitenden Kraftwerken betrifft die Änderung der Energieabgabe im Laufe eines Tages zur Berücksichtigung der Perioden mit hohem und niedrigem Bedarf. Es wäre vorteilhaft, ein solches Kraftwerk so zu betreiben, daß es sich einem stationären Zustand annähert.
Die U.S.-Patente 4,872,307 und 4,765,142 sind Beispiele für Druckluftenergiespeicher-Energiesysteme. In dem Patent 4,765,142 wird eine Einheit 50 zur Speicherung thermischer Energie zur Erzeugung von Dampf verwendet. Der Dampf wird dann mit einem Luftstrom aus der unterirdischen Speicherkammer 80 kombiniert. Der kombinierte Strom hat einen relativ niedrigen Feuchtigkeitsgehalt (5-8%). Der niedrige Feuchtigkeitsgehalt des Stroms ist durch die physikalischen Beschränkungen der Einheit 50 zur Speicherung thermischer Energie eingeschränkt. Das U.S.-Patent 4,829,763 offenbart den Einsatz eines Sättigers in einem Gasturbinenenergiezyklus. Das Patent zeigt nicht die Anwendbarkeit dieser Technologie bei Druckluftenergiespeicher-Energiesystemen und schlägt sie auch nicht vor.
Daher ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Einsatz der Kombination von Druckluftenergiespeicherung und Luftsättigung in einem Kraftwerk.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Eingliederung eines Druckluftenergiespeichermerkmals in brennstoffverarbeitende Kraftwerke, um ihre spezifischen Kosten zu verringern und ihre Betriebsflexibilität zu verbessern.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die effizientere Nutzung von Druckluftenergiespeicherkonstruktionen durch Einbindung eines Sättigers.
Eine Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz der Kombination von Druckluftenergiespeicherung und Luftsättigung zur Verringerung der Finanzierungs- und Erzeugungskosten von Kraftwerken.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftwerks, das während der gesamten Perioden mit hohem und niedrigem Bedarf einen ausgeglicheneren Betrieb aufweist.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verwirklichung einer hohen Ausgangsleistung ohne eine Erhöhung der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftwerks, das die Emission von Schadstoffen verringern kann.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftwerks, das Abwärmeenergie und alle anderen verfügbaren thermischen Energien effizient zurückführt.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftwerks mit einem Sättiger, der Abwärmeenergie aus einer Reihe von Quellen nutzt.
Eine weitere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftwerks mit weniger Kompressormassenfluß für eine gegebene Ausgangsleistung.
Erfindungsgemäß wird eine Druckluftenergiespeichervorrichtung bereitgestellt mit einer Brennkammer, die mit einer Turbine verbunden ist, welche einen Generator zum Liefern von Energie an ein Netz antreibt, einem vom Netz Energie erhaltenden Motor, der zum Antreiben von Kompressoren zum Erzeugen von Druckluft benutzt wird, einem Nachkühler, der zum Kühlen der Druckluft aus den Kompressoren eingerichtet ist, und einer unterirdischen Speicherkammer zum Speichern der Druckluft aus dem Nachkühler, wobei die Druckluft aus der unterirdischen Speicherkammer von der Brennkammer benutzt wird, gekennzeichnet durch einen heißes Wasser enthaltenden Sättiger, der zwischen der unterirdischen Speicherkammer und der Brennkammer angeordnet ist, um Druckluft aus der unterirdischen Speicherkammer aufzunehmen und die Druckluft zu heizen und zu sättigen, bevor sie zur Brennkammer geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Kraftwerk eine Brennkammer, die heiße Gase zum Antrieben einer Turbine liefert. Die Turbine wird in Verbindung mit einem Generator verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Energie von der Turbine ist einem Kompressorsystem zugänglich, das typischerweise während der Perioden mit niedrigem Energiebedarf benutzt wird. Das Kompressorsystem wird zum Komprimieren von Luft benutzt, von der ein Teil in einer Luftspeicherkammer gespeichert wird. Die Druckluft aus der Luftspeicherkammer wird während der Perioden mit hohem Energiebedarf von der Brennkammer benutzt, um komprimiertes Verbrennungsgas an die Turbine zu liefern. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorrichtung bei gleichzeitiger weiterer Senkung der Finanzierungskosten der Vorrichtung ist ein Sättiger zwischen der Speicherkammer und der Brennkammer angeordnet. Der Sättiger erhält Druckluft aus der Speicherkammer und heizt und befeuchtet sie gleichzeitig. Die resultierende geheizte und befeuchtete Druckluft wird dann zur Brennkammer geleitet, typischerweise nach weiterer Heizung durch einen Rekuperator.
Beispiele für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein brennstoffverarbeitendes Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 ein Druckluftenergiespeicher-Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik ist;
Fig. 3 eine Ausführungform eines verbesserten erfindungsgemäßen Kraftwerks ist;
Fig. 4 eine ausführliche Ausführungsform des Kraftwerks der Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform eines verbesserten erfindungsgemäßen Kraftwerks ist.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsnummern in den verschiedenen Figuren bezeichnet sind, wird nun zunächst auf Fig. 1 verwiesen. Fig. 1 zeigt ein Kraftwerk 20 gemäß dem Stand der Technik. Genauer zeigt Fig. 1 ein Kraftwerk mit einem Brennstoffverarbeitungssystem. Gemäß dem Stand der Technik verweist das Kraftwerk 20 eine Turbinenanordnung 22 mit einer Hochdruckturbine 24 und einer Hochdruckbrennkammer 26 auf. Die Turbinenanordnung 22 kann auch eine Niederdruckturbine 28 und eine Niederdruckbrennkammer 30 aufweisen. Die Brennkammern 26 und 30 werden durch ein Brennstoffverarbeitungssystem 32, z.B. ein Kohlevergasungssystem, gespeist.
Die Turbinenanordnung treibt einen Generator 34 an. Der Generator 34 ist wiederum mit einem Netz 36 und einer Welle 37 verbunden. Die Welle 37 treibt fortlaufend ein Kompressorsystem 40 an. Das Kompressorsystem 40 weist einen Niederdruckkompressor 42 und einen Hochdruckkompressor 44 auf. Vorzugsweise ist der Niederdruckkompressor 42 mit einem Zwischenkühler 46 verbunden, um einen Teil der thermischen Energie der Kompression zu beseitigen. Der ununterbrochene Ausgangsstrom aus dem Hochdruckkompressor 44 ist vorzugsweise mit dem Nachkühler 48 verbunden, der zusätzliche thermische Energie von dem resultierenden fortlaufenden Druckluftstrom entfernt. Gemäß den zum Stand der Technik gehörenden Techniken kann der resultierende Druckluftstrom, der fortlaufend und direkt aus dem Kompressorsystem strömt, zu einem Sättiger 60 und einem Rekuperator 70 geleitet werden, bevor er in die Brennkammer 26 gespeist wird. Es sei angemerkt, daß der Sättiger 60 wirksamer ist, wenn er in Verbindung mit dem Nachkühler 48 benutzt wird. Der Gesamtvorteil des Sättigers ist beim Stand der Technik geringfügig, weil der Nachkühler 48 thermische Energie von dem das Kompressorsystem 40 verlassenden Druckluftstrom entfernt.
In Fig. 2 ist ein Druckluftenergiespeicher-(CAES-) Kraftwerk 21 gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Weitere Beispiele für CAES-Kraftwerke sind in den U.S.-Patenten 4,765,142 und 4,872,307 beschrieben. Während der Perioden mit niedrigem Energiebedarf kann Energie aus dem Netz 36 entnommen werden. Die Abwärmeenergie kann vom Motor 38 zum Antreiben des Kompressorsystems 40 benutzt werden.
Der vom Kompressorsystem 40 erzeugte Druckluftstrom enthält mechanische und thermische Energie. Der Strom wird durch den Nachkühler 48 verarbeitet, der ihm den größten Teil seiner thermischen Energie entzieht. Dies ist erforderlich, damit die Luft kalt genug ist, um für eine praktische Luftspeicherkammer verträglich zu sein. Der Kaltluftstrom wird zur Luftspeicherkammer 52 geleitet. So dient die Luftspeicherkammer 52 zum Speichern der mechanischen Energie der Druckluft. Diese Energie kann benutzt werden, wenn das Kompressorsystem 40 zu Zeiten mit hohem Energiebedarf abgeschaltet ist. Die Energie kann in Verbindung mit dem in die Turbinenanordnung 22 gespeistem Brennstoff verwendet werden. Insbesondere wird die Druckluft aus der Speicherkammer 52 durch die entsprechende Konfiguration der Ventile 54 zur Brennkammer 26 geleitet, was bekannter Stand der Technik ist.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die zum Stand der Technik gehörenden Kraftwerke der Figuren 1 und 2 durch Einsatz einer Kombination von Luftspeicherung und -sättigung verbessert. Genauer wird das brennstoffverarbeitende Kraftwerk von Fig. 1 so geändert, daß es neben anderen ergänzenden Elementen eine Luftspeicherkammer aufweist, und das CAES-Kraftwerk von Fig. 2 wird so geändert, daß es neben anderen ergänzenden Elementen einen Sättiger aufweist.
Das eine Kombination von Luftspeicherung und -sättigung verwendende Kraftwerk der erfindungsgemäßen Ausführungsformen bietet eine Reihe von Vorteilen Um es vollständiger zu beschreiben: diese Konfiguration ermöglicht in Verbindung mit Brennstoffverarbeitungsausrüstung einen ausgeglichenen und fortlaufenden Betrieb eines Kraftwerks bei gleichzeitiger Deckung eines veränderlichen Energiebedarfs. Außerdem nutzt die Vorrichtung der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen die thermische Energiequelle des Kraftwerks vollständiger aus. Dies ermöglicht eine kleinere Brennstoffverarbeitungsausrüstung und kleinere Kompressoren; somit können die Finanzierungskosten des Kraftwerks verringert werden.
Durch Leiten des Druckluftstroms aus der Luftspeicherkammer an den Sättiger erhält die Turbinenanordnung einen geheizten und befeuchteten Luftstrom mit einem größeren Massenfluß und größerer thermischer Energie. Der höhere Massenfluß und die höhere thermische Energie, die vom Sättiger bereitgestellt werden, verringern die für die Komprimierung benötigte Energiemenge und somit die zur Bereitstellung der Komprimierung erforderliche Brennstoffmenge. Somit verringert die Lehre der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen den Brennstoffverbrauch und die durch den Brennstoffverbrauch entstehenden Emissionen.
Nachdem das Grundkonzept und die Vorteile von bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen offenbart wurden, soll nun auf Fig. 3 verwiesen werden, die eine spezielle Ausführungsform eines verbesserten erfindungsgemäßen brennstoffverarbeitenden Kraftwerks 20A zeigt.
Um es vollständiger zu beschreiben: das brennstoffverarbeitende Kraftwerk 20A weist eine Kombination von Luftspeicherung, Brennstoffverarbeitung und Sättigung auf. Die Bezeichnung Sättigung in der hier benutzten Form bezieht auf die gleichzeitige Heizung und Befeuchtung von Luft.
Das Kraftwerk 20A weist eine Turbinenanordnung 22 auf, die fortlaufend in Betrieb sein kann. Während der Perioden mit niedrigem Bedarf kann die Turbinenanordnung 22 mehr Energie erzeugen als vom Netz 36 benötigt wird. In diesen Perioden wird die Energie der Turbinenanordnung 22 teilweise oder vollständig für den Motor 38 und nicht für das Netz 36 verwendet. Der Motor 38 treibt ein Kompressorsystem 40 an. Die thermische Energie der Druckluft wird durch Heizen von Wasser im Zwischenkühler 46 und Nachkühler 48 entfernt. Ein Teil des geheizten Wassers aus dem Zwischenkühler 46 und dem Nachkühler 48 wird an den Heißwasserspeichertank 56 geleitet. Der Kühlturm 50 kann ebenfalls dazu verwendet werden einen Teil des Wassers zur Wiederverwendung im Zwischenkühler 46 und Nachkühler 48 zu kühlen.
Ein Teil des vom Kompressorsystem 40 erzeugten Druckluftstroms wird durch das offene Ventil 54B zur Luftspeicherkammer 52 geleitet, während der Rest durch das offene Ventil 54A direkt zum Sättiger 60 strömt. Das Kompressorsystem 40 ist größenmäßig vorzugsweise so ausgelegt, daß es während seines Betriebs pro Zeiteinheit mehr Luft verdichtet als pro Zeiteinheit von der Turbinenanordnung 22 verbraucht wird. Über den vollständigen Zyklus eines Tages oder einer Woche sind Luftspeicherung, Laden und Entnahme im Gleichgewicht. Somit dient die Luftspeicherkammer 52 zur Speicherung der mechanischen Energie der Druckluft (und der kleinen Menge der thermischen Energie, die nicht vom Nachkühler 48 entfernt wurde), während der Heißwassertank 56 einen großen Teil der thermischen Energie der Kompression speichert. Diese Energiequellen können nun erfindungsgemäß gewinnbringend genutzt werden. Am bedeutsamsten ist, daß die mechanische Energie in der Luftspeicherkammer 52 in Perioden mit hohem Energiebedarf in Verbindung mit dem in die Turbinenanordnung 22 gespeisten Brennstoff verwendet werden kann.
Zur Verbesserung der Finanzierungskosten und des Wärmehaushalts des Kraftwerks 20A gemäß den bevorzugten Ausführungsformen ist die Luftspeicherkammer 52 mit einem Sättiger 60 verbunden. Insbesondere wird die kalte Druckluft aus der Luftspeicherkammer 52 durch das offene Ventil 54A zum Sättiger geleitet, wo sie in einen geheizten und befeuchteten Druckluftstrom umgewandelt wird. Der geheizte und befeuchtete Druckluftstrom wird dann vorzugsweise zum Rekuperator 70 geleitet, wo er weiter geheizt wird. Der resultierende geheizte und befeuchtete Druckluftstrom wird dann zur Hochdruckbrennkammer 26 der Gasturbinenanordnung 22 geleitet, was bekannter Stand der Technik ist.
Der Sättiger 60 ist von dem zum Stand der Technik gehörenden Typ. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhält der Sättiger 60 heißes Wasser von einer Reihe von Quellen. Zunächst erhält der Sättiger 60 heißes Wasser vom Brennstoffverarbeitungssystem 32. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird die thermische Energie des Brennstoffverarbeitungssystems nicht auf Dampf, sondern auf Wasser übertragen. Das von dem Brennstoffverarbeitungssystem erzeugte heiße Druckwasser wird in den Sättiger 60 gespeist, wo es zum Heizen und Befeuchten des Druckluftstroms benutzt wird.
Der Sättiger 60 wird vorzugsweise auch mit heißem Wasser aus dem Speichertank 56 gespeist. Der Speichertank 56 für heißes Druckwasser sammelt während des Betriebs des Kompressorsystems 40 heißes Druckwasser. Das Wasser aus dem Heißwasserspeichertank 56 wird zum Heizen des Brennstoffs benutzt und dann mit einem Teil des Ablaufflusses aus dem Sättiger 60 kombiniert und in den Verbrennungsgaswassererhitzer 58 gespeist, wo es durch die Abwärmeenergie aus der Turbinenanordnung 22 weiter geheizt wird. Somit nutzt der erfindungsgemäße Sättiger wirksam Abwärmeenergie aus dem Brennstoffverarbeitungssystem 32, Kompressorsystem 40 und der Turbinenanordnung 22 und verbessert dadurch den Wirkungsgrad des Werks.
Durch Leiten des Druckluftstroms von der Luftspeicherkammer 52 zum Sättiger 60 erhält die Turbinenanordnung 22 einen geheizten und befeuchteten Luftstrom mit einem größeren Massenfluß und einer größeren thermischen Energie. Als Folge dieses vergrößerten Massenflusses verringert sich die vom Kompressorsystem 40 benötigte Luftmenge. Folglich können kleinere Kompressoren verwendet werden, und weniger Energie wird während des Antriebs der Kompressoren verbraucht. Durch die höhere thermische Energie des Druckluftstroms wird der Betrieb des Kraftwerks effizienter. Die Lehre der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen verringert den Brennstoffverbrauch und die durch den Brennstoffverbrauch entstehenden Schadstoffe. Darüber hinaus ermöglicht sie den Einsatz eines kleineren Brennstoffverarbeitungssystems, das niedrigere Finanzierungskosten erfordert.
Das Brennstoffverarbeitungssystem 32, z.B. Kohlevergasung, weist typischerweise große thermische Flüsse auf (die gewöhnlich durch die Kühlung des Brennstoffes vor seinem Reinigungsprozess entstehen). Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie die thermische Energie in der Form von heißem Wasser besser nutzt. Da heißes Wasser verwendet wird, und nicht Dampf, werden die Finanzierungskosten des brennstoffverarbeitenden Kraftwerks verringert.
Heißes Wasser fließt vorzugsweise oben in den Sättiger 60, während das lauwarme Wasser größtenteils vom Boden des Sättigers 60 entnommen wird, wo es zum Verbrennungsgaswassererhitzer 58 zurückgeführt und wieder geheizt wird. Ein Teil des den Sättiger 60 an verschiedenen Stellen verlassenden Wassers wird zu Kühlzwecken zum Brennstoffverarbeitungssystem 32 zurückgeführt.
Die den Sättiger 60 verlassende Luft wird vorzugsweise durch einen Rekuperator 70 geleitet, in dem der geheizte und befeuchtete Druckluftstrom weiter geheizt wird, bevor er in die Brennkammer 26 der Turbinenanordnung 22 gespeist wird. Der Rekuperator 70 erhält thermische Energie vom Abgas der Turbinenanordnung 22. Die übrige thermische Energie des Abgases wird zum Verbrennungsgaswassererhitzer 58 geleitet.
Der Betrieb des Kraftwerks 20A der Fig. 3 wurde für kontinuierlichen Betrieb beschrieben. Im kontinuierlichen Betrieb sind das Brennstoffverarbeitungssystem 32, die Turbinenanordnung 22 und der Sättiger 60 immer in Betrieb. Während der Perioden mit niedrigem Bedarf wird die Energie vom Generator 34 zum Antrieb des Kompressorsystems 40 benutzt. Während der Perioden mit hohem Bedarf ist das Kompressorsystem 40 abgeschaltet, und die Generatorenergie fließt zum Netz 36, wodurch der veränderliche Energiebedarf gedeckt wird. Beim kontinuierlichen Betrieb ist ein beim Stand der Technik bisher unbekanntes ausgeglichenes Kraftwerk verwirklichbar. Das Kompressorsystem 40 ist so ausgelegt, daß sein Leistungsbedarf gleich der Leistung der Turbinenanordnung 22 ist. Das Kompressorsysten 40 wird während der Perioden mit niedrigem Bedarf im täglichen oder wöchentlichen Zyklus gerade lang genug eingeschaltet, um die gesamte Druckluft zu liefern, die zum fortlaufenden Betrieb der Turbinenanordnung 22 erforderlich ist.
Andere Betriebsarten sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann während der Perioden mit niedrigem Bedarf zusätzliche Energie aus dem Netz 36 entnommen werden, falls die Massenflußrate und die Einschaltzeitdauer des Kompressorsystems 40 so konfiguriert sind, daß die Leistung des Generatorsystems nicht ausreicht, um das Kompressorsystem 40 allein zu betreiben. Steht während der Perioden mit niedrigem Bedarf eine extrem billige oder schadstoffarme Energiequelle vom Netz 36 zur Verfügung, kann es vorzuziehen sein, die Turbinenanordnung 22 abzuschalten und die Energie vom Netz 36 für den Motor 38 zu benutzen.
Ordnungsgemäße elektrische Verbindungen zwischen dem Generator 34, dem Netz 36 und dem Motor 38 werden durch Standard-Schalttechniken verwirklicht. Anstelle von elektrischen Verbindungen zwischen Motor 38 und Generator 34 kann ein einziger Motor-Generator benutzt werden, der durch mechanische Kupplungen mit dem Kompressorsystem 40 und der Turbinenanordnung 22 verbunden ist.
In Fig. 4 erfolgt eine ausführlichere Beschreibung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Kraftwerk 20AA von Fig. 4 ist dem Konzept nach mit dem Kraftwerk von Fig. 3 identisch; gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugsnummern bezeichnet. Die Hauptunterschiede zwischen den zwei Ausführungsformen werden hier beschrieben.
Zunächst weist das Kompressorsystem 40A den Niederdruckkompressor 42A, Zwischenkompressoren 42B, 42C und einen Hochdruckkompressor 44A auf. Vorzugsweise sind eine Reihe von Zwischenkühlern 46A, 46B und 46C vorgesehen.
Ein weiterer Unterschied zwischen den zwei Ausführungsformen betrifft die in bezug auf ein Brennstoffverarbeitungssystem 32 offenbarten Einzelheiten. Das Brennstoffverarbeitungssystem 32 ist ein Vergasungssystem des aus dem Stand der Technik bekannten Typs; es kann einen mit einem Reaktorspeisungsvorerhitzer 104 verbundenen Hydrolysereaktor 102 aufweisen. Das Vergasungssystem 32 kann auch einen Hochdruckdampfgenerator 106 und einen Niederdruckdampfgenerator 110 aufweisen. Das Vergasungssystem 32 kann auch eine Reihe von Luftsättigern/Wassererhitzern 108A, 108B und 108C aufweist. Dampf-Flüssigkeit-Abscheider 112A und 112B werden gemäß dem Stand der Technik ebenfalls benutzt.
Eine wichtiger Aspekt der Ausführungsform der Fig. 4 ist die Benutzung einer Reihe von Sättigern 60A, 60B, 60C, 60D und 60E. Der Sättiger 60D erhält durch einen Mischer 63 direkt vom Vergasungssystem 32 heißes Wasser. Die Sättiger 60C, 60B und 60A erhalten heißes Wasser durch die Teiler 61C, 61B und 61A. Der Sättiger 60E erhält heißes Wasser direkt vom Wassererhitzer 68.
Bevorzugte Temperaturen (T), Drücke (P) und bevorzugter Massefluß (M) sind in Fig. 4 angegeben. Die Temperaturen sind in Fahrenheit angegeben, Drücke in Pfund pro Quadratzoll (pounds per square inch) und Masseflüsse in Pfund pro Sekunde (pounds per second).
In Fig. 5 wird eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Kombination von Druckluftspeicher und Sättigung offenbart. Genauer werden ein Verfahren und eine Vorrichtung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform bei einem CAES-Kraftwerk 21A angewandt. Gemäß den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Wirkungsgrad der zum Stand der Technik gehörenden Druckluftenergiespeichervorrichtung durch den Einsatz eines Sättigers 60 zwischen der Luftspeicherkammer 52 und dem Rekuperator 70 verbessert. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Einsatz eines Sättigers 60 in der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform von hoher Wirksamkeit, da beim Stand der Technik der Nachkühler 48 bereits notwendig war, um den größten Teil der thermischen Energie der Kompression für praktische Luftspeicherverträglichkeit zu entfernen.
Konkret wird die kalte Druckluft aus der Luftspeicherkammer 52 bei den bevorzugten Ausführungsformen während der Perioden mit hohem Bedarf zu einem Sättiger 60 geleitet, wo sie in einen geheizten und befeuchteten Druckluftstrom umgewandelt wird. Der geheizte und gesättigte Druckluftstron wird dann zum weiteren Heizen zum Rekuperator 70 und dann zu einer Brennkammer der Turbinenanordnung 22 geleitet. Das heiße Wasser für den Sättiger 60 kommt aus dem Speichertank 56 und dem Rückfluß des Sättigers 60 nach weiterer Heizung im Verbrennungsgaswassererhitzer 58.
Durch Leiten des Druckluftstroms von der Luftspeicherkammer 52 zum Sättiger 60 erhält die Turbinenanordnung 22 einen geheizten und befeuchteten Luftstrom mit größerem Massefluß und größerer thermischer Energie als bei zum Stand der Technik gehörenden Druckluftenergiespeichervorrichtungen erhalten wird. Als Folge dieses größeren Masseflusses kann die vom Kompressorsystem 40 benötigte Kompressionsmenge verringert werden. Folglich können kleinere Kompressoren benutzt werden, und weniger Energie wird verbraucht, während die Kompressoren angetrieben werden. Daher muß weniger Energie aus dem Netz 36 entnommen werden, um das Kompressorsystem 40 anzutreiben. In der gängigen Praxis in Amerika wird die Netzenergie durch Verbrennung fossiler Brennstoffe gewonnen, so daß der Gesamtverbrauch an fossilen Brennstoffen durch die bevorzugten Ausführungsformen verringert würde. Folglich verringert die Lehre der bevorzugten Vorrichtung auch die Schadstoffe, die sich aus dem Verbrauch fossiler Brennstoffe ergeben. Darüber hinaus ermöglicht sie den Einsatz eines kleineren und weniger kostspieligen Kompressorsystems.
Die Brennkammer 26 wird durch gewöhnlichen Superbrennstoff (z.B. Destillat, Erdgas) und feuchte, geheizte Hochdruckluft aus dem Rekuperator 70 gespeist. Der Rekuperator 70 saugt befeuchtete, geheizte Hochdruckluft aus dem Sättiger 60. Der Sättiger 60 saugt kalte, trockene Hochdruckluft aus der Luftspeicherkammer 52. Die Turbinenanordnung 22 ist mit einem Generator 34 verbunden, der während der Perioden mit hohem Bedarf Energie an das Netz 36 liefert.
Während der Perioden mit niedrigem Bedarf kann Energie aus dem Netz 36 vom Motor 38 zum Antreiben des Kompressorsystems 40 benutzt werden. Die von dem Kompressorsystem 40 erzeugte gekühlte Druckluft wird zur Luftkammer 52 geleitet. Gemäß zum Stand der Technik gehörenden Techniken kann die Druckluft von der Turbinenanordnung 22 zu einem späteren Zeitpunkt benutzt werden. Um jedoch diese nachfolgende Verwendung zu verbessern, wird gemäß dieser Ausführungsform ein Sättiger 60 benutzt, um die Luft, welche die Luftkammer 52 verläßt, zu heizen und zu befeuchten. In einer Ausführungsform kann diese geheizte und befeuchtete Luft dann zur Hochdruckbrennkammer der Turbinenanordnung 22 geleitet werden. Der Rekuperator 70 kann für verbesserten Wirkungsgrad des Betriebs zwischen dem Sättiger 60 und der Brennkammer 26 eingebracht werden. Wie vorher aufgezeigt, führt dies zu einer Reihe von Vorteilen.
Der Sättiger 60 ist von dem zum Stand der Technik gehörenden Typ. Erfindungsgemäß erhält der Sättiger 60 thermische Energie von einem Verbrennungsgaswassererhitzer 58, der thermische Energie aus einer Reihe von Quellen erhält.
Der Verbrennungsgaswassererhitzer 58 wird durch den Heißwasserspeichertank 56 gespeist. Wie vorher besprochen, sammelt der Heißwasserspeichertank 56 während des Betriebs des Kompressorsystems 40 thermische Energie. Das Wasser aus dem Heißwasserspeichertank 56 wird in den Verbrennungsgaswassererhitzer 58 gespeist, wo es mit lauwarmem Wasser kombiniert wird, das aus dem Sättiger 60 abfließt. Die thermische Energiequelle für den Verbrennungsgaswassererhitzer 58 wird von der Abwärmeenergie der Gasturbinenanordnung 22 erhalten. Somit nutzt der erfindungsgemäße Sättiger 60 effizient Abwärmeenergie vom Kompressorsystem 40 und von der Turbinenanordnung 22.
Andere Konfigurationen zum Speisen der verschiedenen Heißwasserströme zum Sättiger sind ebenfalls möglich.
Während der Periode mit hohem Bedarf ist die Pumpe 62 in Betrieb, und der Verbrennungsgaswassererhitzer 58 erhält heißes Wasser aus dem Heißwasserspeichertank 56. Das heiße Wasser aus dem Heißwasserspeichertank 56 kann durch den Gasbrennstofferhitzer 59 geleitet werden. Der Sättiger 60 erhält die Druckluft aus der Luftspeicherkammer 52, da das Sättigerventil 54A geöffnet ist, und das Kompressorventil 54B geschlossen ist. Heißes Wasser tritt vorzugsweise oben in den Sättiger 60 ein, während das lauwarme Wasser vom Boden des Sättigers 60 entnommen wird, wo es zum Verbrennungsgaswassererhitzer 58 zurückgeleitet und erneut geheizt wird.
Die den Sättiger 60 verlassende Luft kann durch einen Rekuperator 70 geleitet werden, der den Druckluftstrom weiter heizt, bevor er in die Brennkammer 26 der Turbinenanordnung 22 gespeist wird. Der Rekuperator 70 erhält Abgas von der Turbinenanordnung 22. Der Rest der thermischen Energie des Abgases wird zum Verbrennungsgaswassererhitzer 58 geleitet. Umgekehrt erhält die Luftspeicherkammer 52 während der Perioden mit niedrigem Bedarf Druckluft, während das Kompressorventil 54B geöffnet ist, und das Sättigerventil 54A geschlossen ist.
Ein Fachmann wird verstehen, daß viele alternative erfindungsgemäße Ausführungsformen möglich sind. Das Brennstoffverarbeitungssystem 32 der Fig. 3 muß kein Kohlevergasungssystem sein. Andere Brennstoffverarbeitungstechniken, wie z.B. integrierte Verflüssigung, und die Vergasung anderer Brennstoffe sind ebenfalls möglich, z.B. Vergasung von Schweröl, Koks, Ölschiefer oder Teer. Außerdem müssen die Brennkammern und Brennstoffverarbeitungselemente keine getrennten Elemente sein, sie können vielmehr in einem einzigen System zusammengefaßt sein, wie z.B. ein zum Stand der Technik gehörendes Fluidbett. Die Brennkammern können auch durch zum Stand der Technik gehörende extern geheizte oder befeuerte Wärmetauscher ersetzt werden.

Claims

1. Druckluftenergiespeichervorrichtung (20A) mit einer Brennkammer (26), die mit einer Turbine (24) verbunden ist, welche einen Generator (34) zum Liefern von Energie an ein Netz (36) antreibt, einem vom Netz (36) Energie erhaltenden Motor (38), der zum Antreiben von Kompressoren (42, 44) zum Erzeugen von Druckluft benutzt wird, einem Nachkühler (48), der zum Kühlen der Druckluft aus den Kompressoren (42, 44) eingerichtet ist, und einer unterirdischen Speicherkammer (52) zum Speichern der Druckluft aus Nachkühler (48), wobei die Druckluft aus der unterirdischen Speicherkammer (52) von der Brennkammer (26) benutzt wird, gekennzeichnet durch einen heißes Wasser enthaltenden Sättiger (60), der zwischen der unterirdischen Speicherkammer (52) und der Brennkammer (26) angeordnet ist, um Druckluft aus der unterirdischen Speicherkammer (52) aufzunehmen und die Druckluft zu heizen und zu sättigen, bevor sie zur Brennkammer (26) geleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Sättiger (60) in einem Heißwasserspeichertank (58) gespeichertes Wasser benutzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Heißwasserspeichertank (58) thermische Energie von den Kompressoren (42, 44) erhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Sättiger (60) thermische Energie aus einem Brennstoffverarbeitungssystem (32) erhält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Brennstoffverarbeitungssystem (32) ein Brennstoffvergasungssystem ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Brennstoffverarbeitungssystem (32) ein Brennstoffverflüssigungssystem ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Rekuperator (70) zwischen dem Sättiger (60) und der Brennkammer (26) angeordnet ist.