DE202008002599U1

DE202008002599U1 - Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk

Info

Publication number: DE202008002599U1
Application number: DE200820002599
Authority: DE
Original assignee: Flagsol GmbH
Current assignee: TSK FLAGSOL ENGINEERING GMBH, DE
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2018-02-26

Abstract

Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk (1) mit einem solarthermisch beheizten Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) und einem damit über eine Dampferzeugungsstufe (4) thermisch gekoppelten Dampf-/Wasserkreislauf (3) einer Turbinenstufe, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) und/oder der Dampf-/Wasserkreislauf (3) einen mittels Verbrennungswärme erhitzten Erhitzer (12) oder Dampfkessel (17) aufweist/aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampf-/Wasserkreislauf (3) ein einem solarthermischen Überhitzer (7) nachgeschalteter, vom Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) entkoppelter Überhitzer (16) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein solarthermisches Hybrid-Kraftwerk mit einem solarthermisch beheizten Wärmeträgermedium-Kreislauf und einem damit über eine Dampferzeugungsstufe thermisch gekoppelten Dampf-/Wasserkreislauf einer Turbinenstufe, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf und/oder der Dampf-/Wasserkreislauf einen mittels Verbrennungswärme erhitzten Erhitzer oder Dampfkessel aufweist/aufweisen.
Aus der Praxis sind solarthermische Kraftwerke bekannt, die einen Wärmeträgermedium-Kreislauf und einen damit über eine Dampferzeugungsstufe thermisch gekoppelten Dampf-/Wasserkreislauf einer Turbinenstufe aufweisen. Hierbei wird das in Absorbern erwärmte Wärmeträgermedium von den Sonnenkollektoren eines Solarfeldes einer verschiedene Wärmetauscher umfassenden Dampferzeugungsstufe zugeführt, in welcher Speisewasser in überhitzten Dampf überführt wird. Diese Dampferzeugungsstufe umfasst einen solarthermischen Überhitzer, einen solarthermischen Dampferzeuger sowie einen solarthermischen Vorwärmer, durch welche das Wärmeträgermedium vom Solarfeld kommend hindurchgeführt und dann zum Solarfeld zurückgeführt wird. Hierbei kann in dem Wärmeträgermedium-Kreislauf ein thermischer Speicher vorgesehen sein, der nicht benötigte Wärmemengen des Wärmeträgermediums speichert. Auch kann es vorgesehen sein, dass in dem Wärmeträgermedium-Kreislauf ein fossilbefeuerter Erhitzer zur zusätzlichen Erwärmung des Wärmeträgermediums angeordnet ist. Das in der Dampferzeugungsstufe in überhitzten Dampf überführte Speisewasser wird dann einer Dampfturbine mit angeschlossenem Generator zugeführt und von dieser nach Durchströmen eines Kondensators und eines Abscheiders/Entgasers als Speisewasser wieder der Dampferzeugungsstufe zugeführt. In dem Dampf-/Wasserkreislauf kann auch ein fossilbefeuerter Dampfkessel angeordnet sein, in dem ein Zwischenüberhitzer von einer Hochdruckgasturbine kommenden Dampf wieder überhitzt und dann einer Niederdruckturbine zuführt. Auch kann in dem Dampfkessel eine zusätzliche Dampferzeugung aus rückgeführtem Speisewasser mittels Verbrennungswärme parallel zur Dampferzeugung in der Dampferzeugungsstufe ausgebildet sein.
Das Solarfeld besteht aus parabolförmig gebogenem Trog-Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen in der Brennlinie positionierten Absorber konzentrieren. Die in Reihe geschalteten Absorber eines jeden Stranges sowie die Absorber der parallel geschalteten Sonnenkollektorstränge werden von einem Wärmeträgermedium, beispielsweise einem Thermoöl, durchströmt, das im Verlauf des Wärmeträgermedium-Kreislaufes in der Dampferzeugungsstufe seine Wärme an den Dampf-/Wasserkreislauf und bei Bedarf auch an den thermischen Speicher abgibt. Der thermische Speicher umfasst beispielsweise einen kalten und einen heißen Tank, die jeweils mit geschmolzenem Salz befüllt sind, so dass die Wärme von dem Wärmeträgermedium aufgenommen werden kann. Bei fehlender Sonneneinstrahlung kann das bekannte solarthermische Kraftwerk eine gewisse Zeit mit Hilfe des sich dann entladenen thermischen Speichers weiter betrieben werden, wobei darüber hinaus das Wärmeträgermedium auch durch den fossilbefeuerten, insbesondere erdgasbefeuerten, Erhitzer auf die benötigte Temperatur gebracht werden kann. Das Wärmemedium weist eine solche Temperatur auf, dass in dem thermischen Überhitzer der Dampferzeugungsstufe eine Dampftemperatur von knapp unter 400°C erreicht werden kann, mit welcher der überhitzte Dampf dann in die Turbine, das heißt insbesondere die Hochdruckturbine, eintritt. Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerkes liegt bei etwa 38%, wobei das solarthermische Kraftwerk aus wirtschaftlichen Gründen nur diskontinuierlich betrieben wird.
Nachteilig bei den bekannten solarthermischen Kraftwerken ist es, dass die im solarthermischen Überhitzer der Druckerzeugungsstufe maximal erreichbare Dampftemperatur von der so genannten Temperaturfestigkeit, d.h. der maximal erreichbaren Temperatur des im Wärmeträgermedium-Kreislauf zirkulierenden Wärmeträgermediums bestimmt ist. Oberhalb einer bestimmten Maximaltemperatur ist das Wärmeträgermedium, beispielsweise das Thermoöl, nicht mehr ausreichend stabil beziehungsweise temperaturfest und kann dann die in ihm gespeicherte Wärmemenge nicht mehr optimal an den Dampf-/Wasserkreislauf abgeben. Beispielsweise ändert das Wärmeträgermedium ab einer bestimmten Temperatur seinen Aggregatszustand, wodurch sich seine Wirkung hinsichtlich der möglichen Wärmeabgabe in der Dampferzeugungsstufe vermindert. Ein wie beispielsweise Thermoöl für den Einsatz als flüssiges Wärmeträgermedium vorgesehenes Medium kann nicht in Bereiche erhitzt werden, in welchen es dann in den dampfförmigen Zustand übergeht. Dadurch ist der thermische Wirkungsgrad von solarthermischen Kraftwerken mit Parabolrinnensonnenkollektoren begrenzt.
Der Erfindung liegt dem gegenüber die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, bei einem solarthermischen Kraftwerk einen verbesserten (Auslegungs-)Wirkungsgrad zu erreichen.
Bei einem solarthermischen Hybrid-Kraftwerk der eingangsbezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Dampf-/Wasserkreislauf ein einem solarthermischen Überhitzer nachgeschalteter, vom Wärmeträgermedium-Kreislauf entkoppelter Überhitzer angeordnet ist.
Hierdurch ist es möglich, nachfolgend zu der solarthermischen Überhitzung eine weitere Überhitzung des Dampfes im Dampf-/Wasserkreislauf vorzunehmen und dadurch den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu erhöhen. Die durch das im Wärmeträgermedium-Kreislauf verwendete Wärmeträgermedium zuvor gegebene maximale Temperaturgrenze besteht nicht mehr. Durch die Anordnung des weiteren vom Wärmeträgermedium-Kreislauf entkoppelten Überhitzers ist es möglich, das Temperaturniveau des überhitzten Dampfes, das nach dem solarthermischen Überhitzer ca. 380°C beträgt, auf ca. 565°C nach dem entkoppelten Überhitzer anzuheben und dadurch gleichzeitig die Enthalpie um ca. 19% zu erhöhen.
Um insbesondere die CO₂-Bilanz eines solchen solarthermischen Hybrid-Kraftwerkes positiv zu gestalten, sieht die Erfindung in der Ausgestaltung vor, dass der entkoppelte Überhitzer Biogas-befeuert ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zweckmäßige Verwendung von Biogas in solarthermischen Kraftwerken geschaffen. Da der entkoppelte Überhitzer lediglich ergänzend zu dem solarthermischen Überhitzer arbeitet und wirkt, sind die möglicherweise von einer Biogas-Anlage zur Verfügung stellbaren Biogasmengen ausreichend. Unter Biogas wird aus biologischen Substanzen, insbesondere Biomasse wie Gülle oder nachwachsende Rohstoffe, erzeugtes Gas verstanden.
Um die Anlage insgesamt konzeptionell komprimiert auszubilden, ist es dann weiterhin zweckmäßig, wenn der entkoppelte Überhitzer in dem Biogas-befeuerten Dampfkessel angeordnet ist, also nicht nur der entkoppelte Überhitzer sondern der Dampfkessel insgesamt, und damit jede Dampferzeugung darin, Biogas-befeuert ist.
Besonders umweltfreundlich lässt sich ein solarthermisches Hybrid-Kraftwerk weiterhin dadurch ausbilden, dass auch der zusätzliche Erhitzer im Wärmeträgermedium-Kreislauf Biogas-befeuert ausgebildet ist, wodurch sich die Erfindung weiterhin auszeichnet.
Schließlich sieht die Erfindung vor, dass das Wärmeträgermedium flüssig und/oder dampfförmig, insbesondere ein Thermoöl oder Wasser, ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur in schematischer Darstellung die Anordnung eines solarthermischen Hybrid-Kraftwerkes.
Das in der einzigen Figur schematisch dargestellte und insgesamt mit 1 bezeichnete solarthermische Hybrid-Kraftwerk umfasst einen Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 und einen Dampf-/Wasserkreislauf 3 einer Turbinenstufe, die über eine Dampferzeugungsstufe 4 thermisch miteinander gekoppelt sind. In dem solarthermisch beheizten Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 fließt in dem aus mehreren parallel zueinander angeordneten Sonnenkollektorsträngen 5 gebildeten Solarfeld 6 mittels dort ausgebildeter Parabolspiegel erwärmtes Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Thermoöl, im Kreislauf zu der Dampferzeugungsstufe 4, durchströmt dort einen solarthermischen Überhitzer 7, einen solarthermischen Dampferzeuger 8 sowie einen solarthermischen Vorerwärmer 9 und wird dann zum Solarfeld 6 zurückgeführt. In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 ist weiterhin ein Strang angeordnet, in welchem das Wärmeträgermedium thermischen Wärmespeichertanks 10, 11 und einem Biogas-befeuerten Erhitzer 12 zuführbar ist. Weiterhin ist in dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 noch ein solarthermischer Zwischenüberhitzer 13 angeordnet, mit dem aus einer Hochdruckturbine 14 austretender Dampf nochmals erhitzt werden kann, bevor dieser dann einer Niederdruckturbine 15 zugeführt wird. Die Hochdruckturbine 14 und die Niederdruckturbine 15 sind in den Dampf-/Wasserkreislauf 3 der Turbinenstufe eingekoppelt, in welchem Wasser/Speisenwasser im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium des Wärmeträgermedium-Kreislaufes 2 zunächst dem solarthermischen Vorwärmer 9, dann dem solarthermischen Dampferzeuger 8 und danach dem solarthermischen Überhitzer 7 zugeführt wird. Von dem solarthermischen Überhitzer 7 gelangt das nun dampfförmige Wasser als überhitzter Dampf zu einem diesem nachgeschalteten, vom Wärmeträgermedium-Kreislauf entkoppelten Überhitzer 16, der in einem Biogas-befeuerten Dampfkessel 17 angeordnet ist. Von dem Überhitzer 16 gelangt der überhitzte Dampf zu der Hochdruckseite der Hochdruckturbine 14. Auf der Niederdruckseite der Hochdruckturbine 14 tritt der Dampf aus und wird dann einem Zwischenüberhitzer 18, der ebenfalls in dem Biogas-befeurten Dampfkessel 17 ausgebildet ist, zugeführt, von wo aus der nun nochmals überhitzte Dampf dann der Hochdruckseite der Niederdruckturbine 15 zugeführt wird. Es ist aber auch, oder alternativ, möglich, eine Zwischenerhitzung in den solarthermischen Zwischenüberhitzern 13 durchzuführen.
Von der Niederdruckturbine 15 wird der Dampf, gegebenenfalls nach Durchlaufen eines Kondensators 19 und eines Niederdruckvorwärmers 20 sowie eines Abscheiders mit Tank 21 als Speisewasser in den solarthermischen Vorwärmern 9 zurückgeführt. In dem Dampf-/Wasserkreislauf 3 ist parallel zur Dampferzugungsstufe 4 eine Leitungsführung vorgesehen, mittels welcher dem Biogas-befeuerten Dampfkessel 17 Speisewasser zugeführt werden kann, das dann in einem im Dampfkessel 17 ausgebildeten Dampferzeuger 22 in Dampf überführt wird. An die Niederdruckturbine 15 ist ein Generator 23 zur Stromerzeugung angeschlossen. Im Wärmeträgermedium-Kreislauf ist noch ein Ausgleichsbehälter 24 angeordnet.
Das solarthermische Hybrid-Kraftwerk 1 weist zunächst den Vorteil auf, das die mittels Verbrennungswärme erhitzten Erhitzer 12 und Dampfkessel 17 mit Biogas befeuert werden. Weiterhin ergibt sich die bereits vorstehend erläuterte vorteilhafte Maßnahme, dass dem solarthermischen Überhitzer 7 ein vom Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 entkoppelter weiterer Überhitzer 16 in Strömungsrichtung des Dampf-/Wasserkreislaufes 3 nachgeschaltet ist, wodurch sich das Temperaturniveau des Dampfes auf 565°C anheben und die Enthalpie um ca. 19% erhöhen lässt. Außerdem wird zwischen der Hochdruckturbinenstufe 14 und der Niederdruckturbinenstufe 15 Dampf entnommen und mittels des ebenfalls Biogas befeuerten Zwischenüberhitzers 18 in seinen Sattdampf-Zustand überführt. Diese Kombination von Biogasüberhitzer 16 und Biogas-Zwischenüberhitzer 18 führt zu einer Verbesserung des Leistungsverhaltens des gesamten Kraftwerkes, nämlich einer Anhebung des Auslegungswirkungsgrades um ca. 10% gegenüber üblichen solarthermischen Kraftwerken nach dem bekannten Stand der Technik.
Weiterhin ist es möglich, das Hybrid-Kraftwerk 1 in sonnenfreien Zeiten mit Hilfe des Biogas-befeuerten Dampfkessels 17 weiter zu betreiben. Schließlich ist eine umweltfreundliche Zusatz-Aufheizung des Wärmeträgermediums dadurch möglich, dass ein Biogas-Erhitzer 12 im Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 vorgesehen ist.
Das im Solarfeld 6 erhitzte Wärmeträgermedium gibt über den solarthermischen Überhitzer 7, den solarthermischen Dampferzeuger 8 und den solarthermischen Vorwärmer 9 seine Wärme an das in entgegengesetzter Richtung durch den Vorwärmer 9, den Dampferzeuger 8 und den Überhitzer 7 geführte Speisewasser ab. Dadurch entsteht Dampf, der im solarthermischen Überhitzer 7 eine Temperatur bis etwa 380°C erreichen kann. Dieser Dampf erreicht dann mit Hilfe des in Strömungsrichtung des Dampf-/Wasserkreislaufs 3 nachfolgenden Biogas-Überhitzers 16 eine Temperatur von ca. 565°C und wird in die Hochdruckturbine 14 eingespeist. Hinter dem Hochdruckteil der Turbine 14 wird ein Teil des Dampfes durch einen Biogas-Zwischenüberhitzer 18 geleitet, so dass derselbe Sattdampf-Zustand wie vor der Hochdruckturbine 14 auch vor der Niederdruckturbine 15 erreicht wird.
Bei den Thermo-Speichern handelt es sich um in den Tanks 10, 11 angeordnete übliche Salzschmelzen.
Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße solarthermische Hybrid-Kraftwerk der Vorteil einer umweltfreundlichen sinnvollen Nutzung von Biogas, der Vorteil einer Erhöhung des Gesamt-Wirkungsgrades gegenüber einem solarthermischen Kraftwerken nach dem Stand der Technik und schließlich ergibt sich der Vorteil der Verbesserung des solaren Anteils im Vergleich mit einem Nur-Sonne-Betrieb unter ansonsten gleichen Betriebsparametern. Während nämlich ein übliches 50-MW-Solarkraftwerk nach dem Stand der Technik eine dem Solarfeld 6 zugeführte gesamtthermische Zufuhr von 529.840 MWhth/a in eine Bruttostromproduktion von 187.282 MWhel/a umsetzt, lässt sich durch die Kombination eines gleichgroßen solarthermischen Feldes mit einem Biogas-befeuertem zusätzlichen Überhitzer 16 die Ausbeute der Sonnenenergie um ca. 1% erhöhen, was durch das höhere und damit thermodynamisch günstigere Temperaturniveau in der Turbine bewirkt wird. Bei gegenüber dem Solarkraftwerk nach dem Stand der Technik gleichgroßem Solaranteil lässt sich ein solarthermisches Hybrid-Kraftwerk realisieren, das dann einen 70%igen Anteil an reiner Solarenergie und einen 30%igen Biogasanteil aufweist. Dieses solarthermische Hybrid-Kraftwerk setzt dann eine gesamtthermische Zufuhr von 756.864 MWhta/a in 270.166 MWhel/a Bruttostromproduktion um. Hierbei lässt sich mit dem Solaranteil von 529.840 MWhth/a nun die um 1% höhere Stromproduktion von 189.129 MWhel/a erzeugen. Der 30%ige Biogasanteil setzt 227.024 MWhth/a in 81.037 MWhel/a Bruttostromproduktion um. Insgesamt lässt sich mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Hybrid-Kraftwerk ein kontinuierlicher Betrieb mit regenerativen Energien mit einem Wirkungsgrad von ca. 42% durchführen.
Anstelle der Wärmespeichertanks 10, 12 kann auch ein Feststoffspeichersystem verwendet werden, beispielsweise ein Betonblock mit eingelassenen Rohrleitungen.

Claims

Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk (1) mit einem solarthermisch beheizten Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) und einem damit über eine Dampferzeugungsstufe (4) thermisch gekoppelten Dampf-/Wasserkreislauf (3) einer Turbinenstufe, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) und/oder der Dampf-/Wasserkreislauf (3) einen mittels Verbrennungswärme erhitzten Erhitzer (12) oder Dampfkessel (17) aufweist/aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampf-/Wasserkreislauf (3) ein einem solarthermischen Überhitzer (7) nachgeschalteter, vom Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) entkoppelter Überhitzer (16) angeordnet ist.
Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entkoppelte Überhitzer (16) Biogas-befeuert ausgebildet ist.
Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der entkoppelte Überhitzer (16) in dem Biogas-befeuerten Dampfkessel (17) angeordnet ist.
Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (12) Biogas-befeuert ausgebildet ist.
Solarthermisches Hybrid-Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium flüssig und/oder dampfförmig, insbesondere ein Thermoöl oder Wasser, ist.