LNG WIEDERVERGASUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Leitung (2) für das tiefkalt verflüssigte Gas, eine in der Leitung (2) angeordnete Pumpe (3), eine Wärmekraftmaschine (4), sowie ein der Wärmekraftmaschine (4) nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem (5), wobei die Vorrichtung (1) ferner einen Fluidkreislauf (6) umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Fluids folgende Komponenten hintereinander angeordnet sind:
- ein erster Wärmeübertrager (7), der ferner in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases hinter die Pumpe (3) in die Leitung (2) geschaltet ist,
- ein Verdichter (8),
- ein zweiter Wärmeübertrager (9),
- parallel zueinander ein dritter Wärmeübertrager (10) mit einer ersten Seite (11) und das Abhitzenutzungssystem (5),
- eine Entspannungsmaschine (13) sowie
der dritte Wärmeübertrager (10) mit einer zweiten Seite (12). Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kostengünstigen Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, beispielsweise Erdgas (LNG = liquefied natural gas) sowie ein entsprechendes Verfahren.

[0002] Üblicherweise wird Erdgas nach seiner Förderung über Leitungen zu entsprechenden Terminals in einem Hafen transportiert. Dort wird es gelagert, aufbereitet und schließlich für den Transport mit entsprechenden Spezialschiffen über längere Strecken durch starkes Verdichten und Abkühlen (bis auf -162°C) verflüssigt. Nach dem Transport wird das verflüssigte Erdgas vor der Einleitung in ein Gasnetz regasifiziert. Dabei wird typischer Weise das flüssige Erdgas mit Umgebungswärme (Luft / Meerwasser) oder chemischer Wärme verdampft. Alternativ wurden Konzepte entwickelt, die über kaskadierende ORC-Kreisläufe eine energetische Nutzung der Tieftemperaturkälte zum Ziel hatten.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein energetisch und vergleichsweise kostengünstiges Verdampfungsverfahren für ein tiefkalt verflüssigtes Gas anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend verbesserte Vorrichtung bereitzustellen.

[0004] Die Erfindung löst die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Leitung für das tiefkalt verflüssigte Gas, eine in der Leitung angeordnete Pumpe, eine Wärmekraftmaschine, sowie ein der Wärmekraftmaschine nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem, die Vorrichtung ferner einen Fluidkreislauf umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Fluids folgende Komponenten hintereinander angeordnet sind:

• ein erster Wärmeübertrager, der ferner in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases hinter die Pumpe in die Leitung geschaltet ist,
• ein Verdichter,
• ein zweiter Wärmeübertrager,
• parallel zueinander ein dritter Wärmeübertrager mit einer ersten Seite und das Abhitzenutzungssystem,
• eine Entspannungsmaschine sowie
• der dritte Wärmeübertrager mit einer zweiten Seite.

[0005] Tiefkalt verflüssigtes Gas bedeutet, dass das Gas durch Abkühlung verflüssigt wurde. Die Temperaturen liegen bei den für die Erfindung relevanten Gasen in der Größenordnung von -140°C und darunter. Durch Kopplung der Verdampfung des tiefkalt verflüssigten Gases an weitere Prozesse und insbesondere durch eine optimierte Wärmeintegration des Gesamtsystems wird es möglich, eine maximale Nutzung der Tieftemperaturkälte zur Stromerzeugung mit höchsten Wirkungsgraden zu erreichen.

[0006] Der Fluidkreislauf soll als 1-Druckprozess betrieben werden, um den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu optimieren. Hierzu wird neben einer bestimmten Temperatur auch ein entsprechender durch den Verdichter bereitgestellter Druck benötigt.

[0007] Mit dem zweiten Wärmeübertrager wird das Fluid mittels Umgebungswärme erwärmt. Kommt als Wärmekraftmaschine eine Gasturbine zum Einsatz, wäre eine mögliche Anwendung die Gasturbinenansaugluftkühlung, wodurch sich ein Leistungszuwachs der Gasturbine ergibt. Aber auch andere Wärmequellen können verwendet werden, wie beispielsweise aufgewärmtes Kühlwasser, Meerwasser, auch Umgebungsluft kommt in Frage.

[0008] Mit dem dritten Wärmeübertrager wird Wärme innerhalb des Fluidkreislaufs geschickt verschoben.

[0009] In der Entspannungsmaschine, beispielsweise einer Turbine, kann das im Abhitzenutzungssystem erwärmte Fluid arbeitsleistend entspannt werden. Ggf. ist ein Generator an die Entspannungsmaschine gekoppelt.

[0010] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist parallel zur ersten Seite des dritten Wärmeübertragers und in Strömungsrichtung des Fluides vor dem Abhitzenutzungssystem ein vierter Wärmeübertrager mit einer ersten Seite im Fluidkreislauf angeordnet. Dieser vierte Wärmeübertrager ist ferner mit einer zweiten Seite in Strömungsrichtung des Fluides nach der zweiten Seite des dritten Wärmeübertragers im Fluidkreislauf angeordnet. Um Probleme mit Korrosion am kalten Ende des Abhitzenutzungssystems zu vermeiden, sollte das dem Abhitzenutzungsssystem zugeführte Fluid eine bestimme Temperatur nicht unterschreiten. Eine Vorwärmung durch den vierten Wärmeübertrager würde dies sicherstellen. Andererseits könnte ein Verzicht auf den vierten Wärmeübertrager und das Hinnehmen einer vergleichsweise frühen Reparatur des kalten Teils des Abhitzenutzungssystems auch eine bessere Nutzung der Abwärme im Abhitzenutzungssystem bewirken.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zweigt eine Zweigleitung von der Leitung mit dem regasifizierten vormals tiefkalt verflüssigten Gas ab und mündet in die Wärmekraftmaschine. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn ein fünfter Wärmeübertrager in der Zweigleitung und im Fluidkreislauf vor der zweiten Seite des dritten Wärmeübertragers angeordnet ist, um den Brennstoff für die Verbrennung in der Wärmekraftmaschine vorzuwärmen. Mit der Brennstoffvorwärmung wird die fühlbare Wärme des Brennstoffs erhöht und die benötigte Brennstoffmenge verringert.

[0012] Es ist vorteilhaft, wenn ein sechster Wärmeübertrager in der Leitung vor einem Abzweig der Zweigleitung angeordnet ist. Mit diesem sechsten Wärmeübertrager soll Wärme aus der Umgebung genutzt werden, um das regasifizierte Gas weiter anzuwärmen. Dabei ist es sinnvoll, wenn dies nicht nach dem Abzweig geschieht, sondern davor, damit in der eigentlichen Brenngasvorwärmung im fünften Wärmeübertrager weniger Wärme dem System, d.h. dem Fluidkreislauf, entnommen werden muss, um ein gewünschtes Temperaturniveau zu erreichen.

[0013] Die beanspruchte Vorrichtung ist für verschiedene tiefkalt verflüssigte Gase nutzbar. Es ist aber vorteilhaft, wenn das tiefkalt verflüssigte Gas Erdgas ist, alleine schon im Hinblick auf seine Verwendbarkeit in der Wärmekraftmaschine, aber auch im Hinblick auf die Wahl des Fluides im Fluidkreislauf und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Eine Alternative zu Erdgas ist beispielsweise Wasserstoff.

[0014] In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fluidkreislauf ein Stickstoffkreislauf ist. Nicht zuletzt wegen seiner Inert-Eigenschaften ist die Verwendung von Stickstoff vorteilhaft. Wesentlich ist aber, dass sich Stickstoff mit einem kritischen Punkt von -147°C / 34 bara hervorragend für einen überkritischen Wärmeaustausch mit dem LNG eignet. Durch den überkritischen Zustand wird das Ausbilden eines isothermen Kondensationsplateaus verhindert. Dadurch werden die exergetischen Verluste bei der Wärmeübertragung minimiert. Weiterhin liegt die Erstarrungstemperatur mit -210°C deutlich unterhalb der LNG-Temperatur von -162°C, so dass ein Ausfrieren des Fluides nicht möglich ist.

[0015] Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, bei dem ein tiefkalt verflüssigtes Gas verdichtet und in einem ersten Wärmeübertrager mit einem Fluidstrom erwärmt und verdampft wird, wobei der Fluidstrom im Kreis geführt wird, wobei er nach dem ersten Wärmeübertrager verdichtet wird, in einem zweiten Wärmeübertrager Wärme aufnimmt, in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrom zumindest in einem Abhitzenutzungssystem mit Abgasen einer Wärmekraftmaschine erwärmt wird und der zweite Teilstrom in einem dritten Wärmeübertrager erwärmt wird und erster und zweiter Teilstrom wieder zusammengeführt werden, das zusammengeführte Fluid entspannt wird und anschließend im dritten Wärmeübertrager den zweiten Teilstrom erwärmt, bevor es im ersten Wärmeübertrager das tiefkalt verflüssigte Gas erwärmt.

[0016] Es ist vorteilhaft, wenn der erste Teilstrom, bevor er im Abhitzenutzungssystem erwärmt wird, in einem vierten Wärmeübertrager durch das Fluid erwärmt wird, nachdem dies im dritten Wärmeübertrager den zweiten Teilstrom erwärmt hat. Die Hintereinanderschaltung der zweiten Seiten von drittem und viertem Wärmeübertrager im Vergleich zu einer gemeinsamen Vorwärmung des gesamten Fluidstroms ist sinnvoll, da der erste Teilstrom ohnehin noch einer vergleichsweise starken Erwärmung im Abhitzenutzungssystem zugeführt wird und sich eine zu starke "Vorwärmung" des Fluides insgesamt negativ auf den Wirkungsgrad der Gesamtanlage auswirken würde, wenn aufgrund einer vergleichsweise hohen Eingangstemperatur des Fluides im Bereich eines Eintritts in das Abhitzenutzungssystem eine vergleichsweise große Wärmemenge ungenutzt in die Umgebung abgegeben werden müsste.

[0017] Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das vormals tiefkalt verflüssigte Gas zumindest zum Teil einem Gasnetz und zum Teil der Wärmekraftmaschine zugeführt wird.

[0018] Ferner ist es vorteilhaft, wenn das der Wärmekraftmaschine zugeführte, vormals tiefkalt verflüssigte Gas durch das Fluid, bevor es im dritten Wärmeübertrager den zweiten Teilstrom erwärmt, in einem fünften Wärmeübertrager für eine Verbrennung vorgewärmt wird.

[0019] Es ist zweckmäßig, wenn als Fluid im Fluidkreislauf Stickstoff verwendet wird.

[0020] Zweckmäßig ist hierbei insbesondere, wenn der Fluidkreislauf ein überkritisch betriebener Kreislauf ist. Im überkritischen Zustand spielt die Verdampfungswärme keine Rolle mehr, was sich positiv auf eine effiziente Wärmeübertragung auswirkt. Vorteilhafter Weise wird als tiefkalt verflüssigtes Gas verflüssigtes Erdgas verwendet.

[0021] Gemäß der Erfindung werden der Regasifizierungs- (bevorzugt LNG) wie auch der Kreislaufprozess (bevorzugt Stickstoff) zum optimalen Wärmeaustausch jeweils bis in den überkritischen Druckbereich als 1-Druckprozess betrieben. Damit gelingt es wirkungsgradoptimal die komplette durch das Gasturbinen-Abgas in den Prozess eingetragene Abgaswärme im System zu belassen.

[0022] Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Konzept in bevorzugter Weise das LNG am Terminal Point zum Gasnetz auf das gewünschte Druck- und Temperaturniveau eingestellt werden.

[0023] Zusätzlich erfolgt die Auslegung des Fluidkreislaufs optimal bezüglich der Anforderungen der Teilsysteme (z.B. wird durch den internen Wärmeverschub sowohl die finale LNG-Temperatur wie auch eine Stickstoffmindesttemperatur am Eintritt in das der Gasturbine nachgeschaltete Abhitzenutzungssystem ermöglicht).

[0024] Durch die optimale Kombination der Systeme und eine optimale Wahl der Prozessparameter gelingt es beispielsweise, LNG-Verstromungswirkungsgrade von 61 - 64% zu erreichen. Damit wird ein Niveau erreicht, dass mit konventioneller GUD-Technik in den nächsten 5 Jahren nicht darstellbar sein wird.

[0025] Weitere Vorteile sind:

• alle Prozessparameter sind mit bereits heute verfügbaren Komponenten darstellbar,
• das Kraftwerk benötigt für seinen Betrieb kein Wasser,
• eine einfache Prozessstruktur ermöglicht einfache Regelung (z.B. nur eine Druckstufe im Stickstoffprozess statt mehrere),
• das Verfahren ist umweltfreundlich, da gegenüber bisherigen Wiedervergasungsansätzen potentiell umweltschädliche Medien wie Glykol nicht vorhanden sind,
• Vorrichtung und Verfahren sind sehr kostengünstig, da keine zusätzlichen aktiven Komponenten auf der LNG-Seite benötigt werden und
• die Konzeptperformance ist unabhängig vom LNG-Systemdruck.

[0026] Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas nach der Erfindung.

[0027] Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Sie umfasst eine Leitung 2 für das tiefkalt verflüssigte Gas, beispielsweise Erdgas, und eine in der Leitung 2 angeordnete Pumpe 3. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 der Figur 1 eine Gasturbine als Wärmekraftmaschine 4, sowie ein der Wärmekraftmaschine 4 nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem 5 ähnlich einem Abhitzedampferzeuger bei Gas- und Dampfturbinenanlagen. Allerdings sieht die Erfindung keinen Wasser-Dampf-Kreislauf vor.

[0028] Der Fluidkreislauf 6 könnte beispielsweise ein Stickstoffkreislauf sein und umfasst im Ausführungsbeispiel der Figur 1 in Strömungsrichtung des Fluides hintereinander folgende Komponenten:

• ein erster Wärmeübertrager 7, der ferner in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases hinter die Pumpe 3 in die Leitung 2 geschaltet ist; im ersten Wärmeübertrager 7 wird Wärme beispielsweise von Stickstoff auf das verflüssigte Erdgas übertragen, wobei sich das verflüssigte Erdgas erwärmt und verdampft,
• ein Verdichter 8, mit dem das Fluid / der Stickstoff für einen optimalen Wärmetausch bis in den überkritischen Druckbereich gebracht werden kann,
• ein zweiter Wärmeübertrager 9, bei dem Umgebungswärme (beispielsweise aus einer Gasturbinenansaugluftkühlung, Meerwasser, Umgebungsluft, aufgewärmtes Kühlwasser) zur Erwärmung des Fluids genutzt wird,
• parallel zueinander ein dritter Wärmeübertrager 10 mit einer ersten Seite 11 in einem zweiten Teilstrom 23 und ein vierter Wärmeübertrager 15 mit seiner ersten Seite 16 und das Abhitzenutzungssystem 5 in einem ersten Teilstrom 22 des Fluids,
• eine Turbine als Entspannungsmaschine 13 mit angekoppeltem Generator 14,
• ein fünfter Wärmeübertrager 19 zur Brennstoffvorwärmung,
• der dritte Wärmeübertrager 10 mit einer zweiten Seite 12 und
• der vierte Wärmeübertrager 15 mit einer zweiten Seite 17.

[0029] Ein Teil des entspannten Erdgases wird im Ausführungsbeispiel der Figur 1 einem Gasnetz 24 und ein anderer Teil der Gasturbine (Wärmekraftmaschine 4) zugeführt. Zu diesem Zweck zweigt am Abzweig 21 eine Zweigleitung 18 von der Leitung 2 ab. Die Zweigleitung 18 mündet in die Gasturbine (Wärmekraftmaschine 4). Zur Brennstoffvorwärmung ist, wie bereits ausgeführt, der fünfte Wärmeübertrager 19 in die Zweigleitung 18 und in den Fluidkreislauf 6 (= Stickstoffkreislauf) geschaltet.

[0030] Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist ferner ein sechster Wärmeübertrager 20 in der Leitung 2 vor einem Abzweig 21 der Zweigleitung 18 angeordnet.

[0031] Die Turbine 13, in der im Ausführungsbeispiel der Figur 1 Stickstoff entspannt wird, weist Leckagen auf. Diese können zumindest zum Teil abgesaugt werden 25 und dann in den Fluidkreislauf 6 rückgeführt werden. Allgemein ist eine Zuspeisung 26 von Stickstoff in den Fluidkreislauf 6 vorgesehen.

Ansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Leitung (2) für das tiefkalt verflüssigte Gas, eine in der Leitung (2) angeordnete Pumpe (3), eine Wärmekraftmaschine (4), sowie ein der Wärmekraftmaschine (4) nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner einen Fluidkreislauf (6) umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Fluids folgende Komponenten hintereinander angeordnet sind:

- ein erster Wärmeübertrager (7), der ferner in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases hinter die Pumpe (3) in die Leitung (2) geschaltet ist,

- ein Verdichter (8),

- ein zweiter Wärmeübertrager (9),

- parallel zueinander ein dritter Wärmeübertrager (10) mit einer ersten Seite (11) und das Abhitzenutzungssystem (5),

- eine Entspannungsmaschine (13) sowie

- der dritte Wärmeübertrager (10) mit einer zweiten Seite (12).

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei parallel zur ersten Seite (11) des dritten Wärmeübertragers (10) und in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Abhitzenutzungssystem (5) ein vierter Wärmeübertrager (15) mit einer ersten Seite (16) im Fluidkreislauf (6) angeordnet ist und wobei der vierte Wärmeübertrager (15) mit einer zweiten Seite (17) in Strömungsrichtung des Fluids nach der zweiten Seite (12) des dritten Wärmeübertragers (10) im Fluidkreislauf (6) angeordnet ist.

3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zweigleitung (18) von der Leitung (2) abzweigt und die Zweigleitung (18) in die Wärmekraftmaschine (4) mündet.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei ein fünfter Wärmeübertrager (19) in der Zweigleitung (18) und im Fluidkreislauf (6) vor der zweiten Seite (12) des dritten Wärmeübertragers (10) angeordnet ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein sechster Wärmeübertrager (20) in der Leitung (2) vor einem Abzweig (21) der Zweigleitung (18) angeordnet ist.

6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das tiefkalt verflüssigte Gas Erdgas ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluidkreislauf (6) ein Stickstoffkreislauf ist.

8. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, bei dem ein tiefkalt verflüssigtes Gas verdichtet und in einem ersten Wärmeübertrager (7) mit einem Fluidstrom erwärmt und verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom im Kreis geführt wird, wobei er nach dem ersten Wärmeübertrager (7) verdichtet wird, in einem zweiten Wärmeübertrager (9) Wärme aufnimmt, in einen ersten (22) und einen zweiten Teilstrom (23) aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrom (22) zumindest in einem Abhitzenutzungssystem (5) mit Abgasen einer Wärmekraftmaschine (4) erwärmt wird und der zweite Teilstrom (23) in einem dritten Wärmeübertrager (10) erwärmt wird und erster (22) und zweiter Teilstrom (23) wieder zusammengeführt werden, das zusammengeführte Fluid entspannt wird und anschließend im dritten Wärmeübertrager (10) den zweiten Teilstrom (23) erwärmt, bevor es im ersten Wärmeübertrager (7) das tiefkalt verflüssigte Gas erwärmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Teilstrom (22), bevor er im Abhitzenutzungssystem (5) erwärmt wird, in einem vierten Wärmeübertrager (15) durch das Fluid erwärmt wird, nachdem dies im dritten Wärmeübertrager (10) den zweiten Teilstrom (23) erwärmt hat.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das vormals tiefkalt verflüssigte Gas zumindest zum Teil einem Gasnetz (24) und zum Teil der Wärmekraftmaschine (4) zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das der Wärmekraftmaschine (4) zugeführte, vormals tiefkalt verflüssigte Gas durch das Fluid, bevor es im dritten Wärmeübertrager (10) den zweiten Teilstrom (23) erwärmt, in einem fünften Wärmeübertrager (19) für eine Verbrennung vorgewärmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei als Fluid im Fluidkreislauf (6) Stickstoff verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Fluidkreislauf (6) überkritisch betrieben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei als tiefkalt verflüssigtes Gas verflüssigtes Erdgas verwendet wird.

Zeichnung