W O 2004/031646 PCT/DE2003/003249

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR VORWÄRMUNG EINES GASES IN EINER GASDRUCKREGEL-

UND MESSANLAGE, ANHAND EIN BRENNSTOFFZELL

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer GasUruckregel- und Messanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.

Erdgas für die öffentliche Gasversorqung wird unter hohem Druck zwischen ca. 4Q und 80 bar über große Entfernungen zu reglonalen oder kommunalen Verteilungsnetzen geleitet. Unter hohem Druck wird Gas auch in Speichern regionaler oder kommunaler Verteilungsnetze zwischengelagert. Bevor es zum Endabnehmer gelangt, muss das Gas in Gasdruckregel- und Messanlage auf den niedrigeren Versorqungsdruck von ca. 20 -

SO bar in den regionalen oder kommunalen Verteilungsnetzen, auf 3 - 12 bar in Hauptverteilungsschienen und auf 20 - 1000 mbar bis zum Endverbraucher reduziert oder entspannt werden.

Diese Entspannung führt zum Joule-Thomson-Effekt, nämlich zur Abküblung des Gases. Treten dabei in den GasUruckregel- und Messanlagen Temperaturen auf, bei denen damit zu rechnen ist, dass entweder die im Gas enthaltenen Gashydrate im Innern der Bauteile der GasUruckregel- und Messanlage gefrieren oder dass Anlagenteile, Apparate oder Geräte durch Kondensate an da-r äußeren Seite einfrieren, ist mit Störungen oder Ausfällen von Anlagenteilen oder der gesamten GasUruckregel- und Messanlage zu rechnen. Um eine unzulässige Unterkühlung

des Gases bei hohen Druckdifferenzen zu vermeiden, ist es bekannt, das Gas vor der Entspannung zu erwärmen. Unzulässige Temperaturen können besonders dann auftreten, wenn Störungen in der Wärmeversorqung der Wärmetauscher auftreten.

Aus der WO 94/1 1 62 6 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zum Expandieren von in einer Leitung unter hohem Druck stehenden Gas, bei dem als Druckreduziervorrichtung ein Turbogenerator benutzt wird, dem ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist. Die Wärmeversorqung des Wärmetauschers erfolgt durch mindestens ein Blockheizkraftwerk (BHKW), das einen Gas-Verbrennungamotor und einen Generator enthält. Das BHKW wird mit dem Gas nach dem Turbogenerator betrieben. Der Wärmetauscher wärmt das Gas vor, bevor es dem Turbogenerator zur Expansion zugeführt wird. Sowohl das BHKW als auch der Turbogenerator erzeugen elektrische Energie, die einem Stromnetz zugeführt wird.

Die Versorqung des Gasvorwärmers mit thermischer Energie erfolgt dabei mit konventionellen Heizungsanlagen, d. h. mit brenngasbefeuerten Kesseln, wie sie auch - je nach Leistungsanforderung - im industriellen, gewerblichen oder privaten Bereich Verwendung finden. Die WO 94/11 62 6 gibt keinen Hinweis für die Versorqung von Gasdruckregel- und Messanlagen mit elektrischer Energie.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer Gasdruckregel- und Messanlage vorzuschlagen, mit der die Energieversorgung der Anlage verbessert wird und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.

Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer Gasdruckregel- und Messanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erwärmung eines in einer Leitung zu einer GasUruckregel- und Messanlage unter hohem Druck stehenden Gas mit einem Wärmetauscher, einer anschließenden Druckreduziervorrichtung zu einer weiterführenden Leitung und einer vom Gas aus der Leitung betriebenen Heizvorrichtung für den Wärmetauscher versehen.

Die Heizvorrichtung ist als gasbetriebene Brennstoffzelle ausgebildet, deren zusätzlich zur thermischen Energie bereitgestellte elektrische Energie besonders vorteilhaft angepasst ist an den Bedarf von Gasdruckregel- und Messanlagen und macht diese insbesondere unabhängig von anderen elektrischen Versorqungeeinrichtungen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen ohne Stromerzeugung vorteilhaft Primärenergie sparen. Dies führt zu einer Verringerung der Emission von CO2. Ein solches Ergebnis ist besonders dann erreichbar, wenn bei wärmegeführtem, modulierendem Betrieb abwechselnd hohe und niedrige Gasmengen durch die GasUruckregel- und Messanlage fließen, für die variable thermische Energiezufuhr benötigt wird, um das Gas, welches beim Expansionsvorgang eine Temperaturerniedrigung durch den sogenannten Joule-Thomson-Effekt, d. h. Temperaturerniedrigung bei Expansion, erfährt, auf höheres Temperaturniveau anzuheben, so dass die Gastemperatur hinter nach Möglichkeit der vor der DruckreduzierVOrrichtung entspricht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind geschlossene Rohrsysteme vorgesehen für die thermische Energiszufuhr von der Brennstoffzelle an den Wärmetauscher.

Die Wärme der Brennstoffzelle wird über ein geschlossenes Rohrsystem einem Wärmekreislauf zugeführt, der einen Gasvorwärmer mit thermischer Energie versorgt. Das leitungsgebundene Wärmeträgerrohrnetz besteht aus Rohren, Armaturen, Formstücken und weiteren Komponenten, wie sie auch in der konventionellen Heiztechnik Verwendung finden. Weitere thermische Komponenten sind u. a. Xegelungs- und Steuerungseinrichtungen und Eigenschutzsicherungen. Eventuel1 überschüssige thermische Energie kann anderweitig genutzt werden und beispielsweise in ein Fernwärmesystem eingespeist werden. Gemäß einer weteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzeile so ausgelegt, dass sie den Wärmetauscher mindestens vollständig mit Wärme versorgt, so dass mindestens der Bedarf der Gasdruckregel- und Messanlage an thermischer Energie vollständig gedeckt ist. Die wärmeseitige Vorrichtung nach der Brennstoffzelle versorgt über einen Primärwärmetauscher, welcher auch als Heat-Pipe-

Wärmetauscher ausgeführt sein kann, den Wärmekreislauf des Gasvorwärmers exakt mit der Wärme, welche zum Ausgleich der Entspannungstemperaturerniedrigung nötig ist. Statt oder zusätzlich zum Heat-Pipe-Wärmetauscher ist auch eine Nachverstromung der Abwärme möglich, wozu sich Stirling-

Motoren oder Dampfmotoren,- maschinen undturbinen eignen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzelle so ausgelegt, dass die von ihr erzeugte elektrische Energie zur Eigenversorqung, zum

Betrieb der GasUruckregel- und Messanlage nutzbar und in ein insbesondere öffentliches Stromnetz einspeiaLar ist.

Unterschiedliche Mengen der von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellten elektrischen Energie beruhen darauf, dass die Brennstoffzelle im wärmegeführten Betrieb'l'äuft. Die .. von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte thermische Energie variiert mit dem Gasdurchsatz durch die GasUruckregel- und Messanlage. Mit der von der Brennstoffzelle abgegebenen thermischen Energie korreliert die von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte elektrische Energie. Der Strombedarf der Brennstoffzelle, sowie der GasUruchregel- und Messanlage sind aber zumeist nahezu konstant. Aus der Brennstoffzelle gewonnene elektrische Energie wird erfindungsgemäß zunächst eingesetzt, um den Bedarf der Brennstoffzelle an elektrischer Energie zu befriedigen. Erfindungsgemäß kann die Brennstoffzelle, die eine im Vergleich zur thermischen Energie gleich große oder größere Menge elektrischer Energie erzeugt neben dem Wärmebedarf zusätzlich den Strombedarf einer Gasdruckregel- und Messanlage decken und überschüssige elektrische Energie dem Markt anLieten. Die dazu vorgesehenen elektrischen Komponenten sind beispielsweise Gleichstromkreise, - sicherungen und -schalter, Wechselrichter mit Sicherungen, Wechselstromkreise mit Transformator und Netzanschluss. Die stromseitige Vorrichtung nach der Brennstoffzelle speist einen Gleichstromkreis, welcher mit Gleichstromverbrauchern und dem Wechselrichter verbunden ist.

Uber den Wechselrichter, der auch bidirektional ausgeführt sein kann, erfolgt die Verbindung zum ggf. nötigen Transformator und zum Netzanschluss.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuervorrichtung für die Brennstoffzelle

vorgesehen. Wärmegeführter Betrieb bedeutet, dass aufgrund der Druckverhältnisse eine voraussichtliche Temperaturerniedrigung über die Zeit aufgrund der Gasentspannung abgeleitet wird. Die Brennstoffzelle ist entsprechend steuerbar, um dem vorhergesehenen Verlauf der .. TemperaturernieUrigung die Wärmemenge zur Verfügung zu stellen und die Temperaturerniedrigung nach Möglichkeit auszugleichen. Sollte die Temperaturerniedrigung aufgrund der Druckverhältnisse so schnell vonstatten geht, dass eine exakte Kompensation aufgrund der thermischen Trägheit nicht möglich ist, ist es Ziel der Regelung, die Temperatur möglichst schnell wieder auf das alte Niveau zu bringen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher als Heat-Pipe für besonders effiziente Wärmoübertragung ausgeführt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Gas zum Betrieb der Brennstoffzelle der Leitung vor der Odorierung entnehmbar. Die brennstoffseitige Vorrichtung vor der Brennstoffzelle entnimmt entweder auf der Hochdruck- oder Niederdruckseite der Leitung das Gas vor der Odorierung. Dadurch vereinfacht sich der Gasreinigungsschritt vor der Brennstoffzelle erheblich. Erfolgte die Brennstoffentnahme nach der Odorierung, wäre eine aufwändigere Gasaufbereitung notwendig.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gas zum Betrieb der Brennstoffzelle entweder vor oder nach der Druckreduziervorrichtung entnehmbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der GasUruchregel- und Messanlage gleichzeitig ein Gleichstrom- und ein Wechselstromnetz vorgesehen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzelle als Nieder-, Mittel- oder Hochtemperatur Brenustoffzelle ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten ......

Austührungsbeispiels dargestellt. Es zeigen: Fig. 1: eine Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases in einer Gasdruckregel- und Messanlage gemäß einem Stand der Technik, und Fig. 2: eine Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases in einer Gasdruckregel- und Messanlage gemäß der Erfindung.

Fig. l: Eine Vorrichtung des Standes der Technik weist zur Erwärmung eines in einer Leitung einer Gasdruckregel- und Messanlage unter hohem Druck stehenden Gas 1 einen Wärmetauscher 2 auf, an den eine Druckreduziervorrichtung 3 anschließt zu einer weiterführende Leitung 4. Das Gas wird aus Sicherheitsgründen nach der Druckreduziervorrichtung 3 in der weiterführenden Leitung zu 4 odoriert. Nach der Odorierung zweigt eine Nebenleitung 7 ab, die Gas aus der

weiterführenden Leitung zu 4 in die Heizvorrichtung 5 für den Wärmetauscher 2 speist. Die Heizvorrichtung 5 erzeugt keine elektrische Energie.

:.. Fig. 2: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. l bezeichnet. Eine Vorrichtung weist zur Erwärmung eines in einer Leitung einer GasUruckregel- und Messanlage unter hohem Druck stehenden Gas l einen Wärmetauscher 2 auf, an den eine Druckreduziervorrichtung 3 anschließt zu einer weiterführende Leitung 4. Das Gas wird aus Sicherheitsgründen nach der Druckreduziervorrichtung 3 in der weiterführenden Leitung zu 4 odoriert. Vor der Odorierung zweigt eine Nebenleitung 7 ab, die Gas aus der weiterführenden Leitung 4 in eine als gasgetriebene Brennstoffzelle 5 ausgebildete Heizvorrichtung 5 für den Wärmetauscher 2 speist. Die Brennstoffzelle 5:erzeugt eIektrische Energie und gibt gegebenenfalls elektrische Energie in ein Stromnetz 6 ab.