AT527464A1 - Erzeugung von Wasserstoff und Regelenergie aus Biogasen und Erdgasen - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff (7,3) und Regelenergie (27) und die Nutzung von volatiler Überschussenergie (28). Erdgas wird über eine Einspeiseanlage (2) der Methanpyrolyse (4) zur Verfügung gestellt und mit Hilfe der Methanpyrolyse in Wasserstoff (7,3) und in festen amorphen Kohlenstoff (Carbon Black)(5) umgewandelt. Der Wasserstoff (7) wird über eine Wasserstoff Einspeiseanlage (6) in die Erdgasleitung eingespeist, der andere Teil des Wasserstoffes (3) wird verdichtet und zusammen mit Luft (21) angesaugt, verdichtet (22) in dem Wasserstoff Blockheizkraftwerk (20) verbrannt und die elektrische Energie aus dem Blockheizkraftwerk (20) wird über eine Trafostation (29) ins elektrische Netz eingespeist. Ein Teil der so erzeugten elektrischen Energie (31) wird der Methanpyrolyse (4) zur Verfügung gestellt. Die Abwärme (25) aus dem Blockheizkraftwerk (20) wird der Methanpyrolyse (4) zur Verfügung gestellt. Elektrische Energie (28) wird über eine Trafostation (30) der Pyrolyseanlage zur Verfügung gestellt.
Description
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 7,3 und Regelenergle 27 und die Nukung von volatiler Überschussenergie 28, Erdgas wird über eine Einspeiseanlage 2 der Methanpyralyse 4 zur Verfügung gestellt und mit Hilfe der Methanpyrolyse in Wasserstoff 7,3 und in Kohlenstoff ( Carbon Black } S umgewandelt, Der Wasserstoff 7 wird über eine Wasserstoffeinspeiseanlage 6 in die Erdgasleitung eingespeist, der andere Teil des Wasserstoffes 3 wird verdichtet und zusammen mit Luft 21 angesaugt, verdichtet 22 in dem Wasserstoff Blockheizkraftwerk 20 verbrannt und die «elektrische Energie aus dem Blockheizkraftwerk 20 wird über eine Trafostation 29 ins elektrische Netz eingespeist, Bin teil der sa erzeugten elektrischen Energie 31 wird der Methanpyrolyse 4 zur Verfügung gestellt Die Abwärme 25 aus dem Blockheizkraftwerk 20 wird der Methanpyrolyse 4 zur Verfügung gestellt, Elektrische Energie 28 wird über eine Trafostation 30 der Pyrolyseanlage zur Verfügung gestellt,
Erneuerbare Energie aus solarer Energie und Windenergie ist volatil, das ist bekannt, Der Begriff volatil ergibt sich aus dem Umstand, dass solare Energie stark abhängig ist von der klimatischen Bedingungen, wie Sanneneinstrahlung, Wolkenbildung und daher neben dem Tag uru? Nachtzyklus auch von der Jahreszeit,
Auch die Windenergie ist volatil, das ist bekannt. Auch die Windenergie hängt stark, von den klimatischen Bedingungen in Form der Luftströmungen in der Atmosphäre ab. Auch hier spielt die Jahreszeit eine wesentliche Rolle,
Der Ausbau mit erneuerbarer Energie führt in der Folge zu immer instabileren elektrischen netzen und die Notwerksdigkeit zu einer varlabler und sofort verfügbaren Regelenergie, Unter Regelenergie versteht man elektrische Energie, die somit die Netzfrequenz auf SO ausregelt und kanstant halter. Man muss daher entweder Energie in das elektrische Netz einspelsen oder entnehmen.
Erdgas selbst wird als „fossiler“ Rohstoff bezeichnet und in der Regel mit der Exploration vom Erdäl gewannen, Die Nutzung von Erdgas Hir die Erzeugung von Strom und Wärme ist bekannt, Dabei wird Erdgas mit Luft verbrammt, um Wärme zu erzeugen,
Die EU hat sich nun zum Ziel gesetzt sehr rasch Erdgas durch Wasserstoff zu ersetzen, Daher besteht das Interesse Wasserstaff in EKrdgasnetze einzuspelsen.
Die Aufgabe, die sich nun stellt, ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgasen, Biogasen, Biomethan, die Einspeisung in das Erdgasnetz, die Speicherung von Wasserstoff und die Verstroamung von, Wasserstoff zu Regelenergie und Einspeisung in das elektrische Netz. Ais dem ulektrischen Netz wird alektrische Überschussenergie bezogen und zur Erzeugung von Wasserstoff verwertet.
Die Erfindung umfasst die Bereitstellung von Erdgas oder Biogas aus einer Erdgasleitung oder Biogasleitung 8. Das Erdgas wird über eine Einspeisestation 2. Die Einspeisestation hat die Funktion, die Gasqualität, die Zusammensetzung, den Druck, die Temperatur, den Volumenstrom, den Heizwert zu messen und zu erfassen und zudern das Gas zu Ältern, Unter Gasfilterung versteht man die Filterung gegen Staub und Partikel und die Reinigung mittels eines Aktivkohlefilters,
Zusammensetzung von Erdgas:
Bickt Aulmanken Normwalugyearn Kauchte } 5,6 23 A IS
OXBN TEA RE Aa 2
ZUEIR 8 Dr } LI ZU 303 18 ART Bartarı } 5,42 2150 3
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AG Tabelle 1: Zusammensetzung von Erdgas mit seinen Haustbestancteillen, 2 {2 £
Das Biogas oder Erdgas wird einer Methanpyrolyse 4 zur Verfügung gestellt. Die Methanpyrolyse 4 wird erfindungsgemäß mit Hilfe elektrischer Energie durchgeführt, Dabei wird Methan mit Hilfe eines Wasserstoff Plasmalichtbogen mit Hilfe von Elektronen höch angeregt. Das angeregte Methanmolekül kann dann sehr einfach einem Elektrodenplasma in Kohlenstoff und Wasserstoff getrennt werden. Der Kohlenstaff 5 wird als Carbon Black gewannen, Der Wasserstoff wird vom Kohlenstoff gereinigt, der restliche Kohlenstoff wird rückzeführt und der Wasserstoff mittels Bindiesel gewaschen, getrocknet und dann in zwei Stoffströme gespalten, Ein Anteil an Wasserstoff / wird über eine Wasserstoff Einspeisestation 6 in die Erdgasieitung 8 eingespeist. Der andere Anteil an Wasserstoff 3 wird entweder in ainem Wasserstafftank 16 gespeichert oder einem Wasserstoff Blockheiskraftwerk zugeführt.
Die Wasserstoff Einspeisestation 6 hat die Aufgabe, den Druck zu messen und zu regeln, die CC &
Temperatur zu messen und zu regeln, dern Volumenstrom und Massenstrom zur messen, den
Heizwert des Wasserstoffgases zu messen und die Verunreinigungen im Wasserstoffgas 7 zu
erfassen, um die Reinheit van 99,9% nachzuweisen,
Klömul
BEN X
332 ku Ob
WER k LER kW
Tabelle Z: Meihanpyrolyse, Erzeugung von Wasserstoff und fester amorpher Kohlenstoff,
Der elektrische Energieverbrauch 4 kam wie folet aufgelistet werden; 2 &
Baker A} A SCHERER) ZN
M }
2 C DEE
Palo 47 KW ehr
Tabelle 3; elektrischer Verbrauch von Verdichter in der Pyrolyseanlage. A &r
Die Ersrgiebilang 4 ergibt sich dann zu
3.33 [a
Tabelle 4; Elektrische Energie die für 1 kg Wasserstoff bei der Methanpyrolyse 4 benätigt wird,
Erfindungsgemäß kann nun der Wasserstoff 3 mit Hilfe eines Hochdrüuckverdichters 13 auf 700 bar verdichtet werden und in einem Wasserstafftank mit einem Volumen van 25 000 L und einem Druck von 300 bar gespeichert werden. Die Dichte von. Wasserstoff bei einer Temperatur von. 25°C und einem Druck von Sü0 bar beträgt 30 ke/m*, Mit dem Volumen von 25 000 L kann man 750 kg Wasserstoff speichern,
Die thermedynamischen daten von Wasserstoff ergeben sich zu:
330 ? ES E82
0. 16 333
EIHIR 0 ( C SA
HL EN 1
Tabelle 5: Thermodynamische Daten von Wasserstoff im Druckbereich von 1,5 bar bis 700 bar
Ss
Die Verdichterleistung für 1 kg/h Wasserstoff kann wie folgt ermittelt werden:
10 bs Ele 4,87 | KW ke 32
Tabelle 6: Elektrische Verdichterleistung bei einem Wirkungsgrad von 70%,
Die Befüllung des Wasserstofftank 16 kann in 10 Stunden erfolgen, das ergibt 75 ke/h 35 > & Wasserstoff, die mit einer Leistung van 375 KW zu verdichten sind,
Der so gespeicherte Wasserstoff dient dazu, das Wasserstoff Blockheickraftwerk 20 rasch starten zu können uru]l rasch die zewünschte elektrische Leistung über einen Transformator
29 ins Netz 27 einspeisen zu. können,
Ist der Wasserstofftank 16 gefüllt, dann kann mit dem Wasserstoff 3 das Wasserstoff Biockheizkraftwerk 20 direkt angespeist werden, Für die Verbrennung von. Wasserstoff 3 wird Luft 21 benötigt. Die Luft wird angesaugt und verdichtet 22 und über die Regelventile 25 für Luft und die Regelventile 18 wird ein elektrischer Verbund möglich gemacht, sodass das Wasserstoff Blackheizkraftwerk mit einem Luftverhältnis von 1,05 gefahren werden kann. Unter dem Luftverhältnis versteht man den Luftüberschuss der bei der Verbrennung von Wasserstoff im Wasserstoffmotar zur Verfügung gestellt wird, Unter elektrischen Verbund versteht man die elektrische und messtechnische Regelung der Luftzuführung {in Abhängigkeit der gewünschten elektrischen Leistung, die ins elektrische Netz 27 eingespeist werden soll, und der zugeführten Luft, wobei damit der benötigte Lultsauerstoff geregelt wird.
Für ein Blackheizkraftwerk von 890 kW elektrischer Leistung ergibt sich dann:
Pole SEN KW
at ne A
8
AMD SA
Tabelle 7: Wasserstoffbedarf eines Blockheiskraftwerkes mit 890 kW elektrischer Leistung,
Der Vorteil dieser Erfindung Hegt in der schneflen Bereitstellung von elektrischer Kegelenergie für das elektrische Netz 27, Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Leistungsschwankungen im elektrischen. Netz 27 ausgelöst durch die volatile elektrische solare Energie zu Frequenzänderungen führen und in der Folge Ursache eines Black out sein können, Unter Black Cut versteht man einen lokalen Netzausfall und damit die Versorgung mit elektrischer Energie, Die Erfindung stelle als eine regelbare Quelle an elektrischer Regelenergie für das elektrische Netz 27 dar.
Überschüssige elektrische Energie 31 aus dem Wasserstoff Blockheizkrattwerk 20 wird der Methanpyrofyse 4 zur Verfügung gestellt,
Abwärme 25 aus dem Wasserstoff Blockheizkraftwerk wird der Methanpyrolyse 4 zur Verfügung sestellt.
Überschüssige elektrische Energie 28 kann von der Methanpyrolyse 4 aufgenommen und für die Erzeugung von Wasserstoff 7,3 verwendet werden, Die elektrische Energie 28 wird über eine Trafostation 30 der Methanpyrolyse zur Verfügung gestellt. Die Methanpyrolyse kann daher zwischen 30% und 130% betrieben werden, überschüssiger Wasserstoff 7 wird ins das
Erdgasnetz über die Einspeisestatien 5 eingespeist,
Die Anwendung dieser Erfindung hat den Vorteil, dass Erdgas zu Wasserstoff umgewardelt wird, wobei keine Emission von Kohlendioxid als Treibhausges erfolgt, Man gewinnt ein zusätzliches Produkt in Form von hochreinen amorphen Kohlenstoff 5, der in anderen Produkten verwertet werden kant.
Die Größenordnung einer solchen Anlage geht von 890 kW ele Leistung bis 8,9 MW elektrischer Leistung, Die Anlage kann daher als Quelle von Regelenergie und als Senke von elektrischer Energie eingesetzt werden. Die Erdgasleitung 8 wird als Wasserstalfspeicher
verwendet,
1 Erdgas für die Pyroivyseanlage 2 Finspeisestation Erdgas 3 Wasserstoff
4 Methanpyralivse 5 Carbon Black ( Kohlenstoff }
5 Wasserstalf Kinspeisestation
7 Wasserstoff
& Erdgasleitung
Q Verchichter für Wasserstoff
10 Regelarmatur
11 Wasserstoff
12 Regelarmatur
13 Hochdruckverdichter Wasserstoff 14 Regelarmatur
15 Wasserstoff
16 Wasserstoffspeicher
17 Regelarmatur
18 Regelarmatur
19 Wasserstoff
20 Wasserstoff Blockheizkraftwerk 21 Luft
22 Luftverdichter
23 Regelarmatur
24 Luft
28 Abwärme
26 elektrische volatile Energie
27 Elektrisches Netz
28 Elektrisches Netz
29 "Trafo
30 Trafo
31 elektrische Regelenergie vom Blockheizkrattwerk
Symbole
Ha Wasserstoff BHKW Blockhuixkraftwerk
Die Abbildung 1 zeigt Erdgasleitung 8, über die Erdgas 1 zur Verfügung gestellt wird. Erdgas wird über eine Erdpas Einspeisestation 2 der Methanpyrolyse 4 zur Verfügung gestellt wird. Mit Fülfe der Methanpyrolyse 4 erzeugt aus Erdıras Wasserstoff 7,3 und Kohlenstoff 5 ( fester amorpher Kohlenstoff = carbon Black }) ©. Ein Teil des Wasserstoff 7 wird über eine Wasserstoff Einspeisestation 6 in die Erdgasleitung 8 eingespeist, Der andere Tel an Wasserstoff 3 wird verdichtet und über die Regelarmaturen 12, 18 dem Wasserstaff Blackheizkraftwerk 20 zur Verfügung gestellt, Luft 21 wird angesaugt, verdichtet 22 und über die Regelarmatur 23 dem Wasserstoff Blockheizkraftwerk 20 zur Verfügung gestellt und so elektrische Energie erzeugt, die über eine Trafostation, 39 dem elektrischen Netz 27 eingespeist wird. Ein Teil der elektrischen Energie 31 wird der Methanpyroiyse 4 zur Verfügung gestellt, Die Abwärme 25 wird der Methanpyrolyse zur Verfügung gestellt. Volatile elektrische Energie 28 wird über eine Trafostation 30 der Methanpyrolyse 4 zur Verfügung gestellt. Um das Blockheizkraft
rasch. starten zur können, wird Wasserstoff 3 über einen Hochdruckverdichter 13 in einem Wasserstoff Hochdruckspeicher 16 gespeichert,
Claims (1)
- Ansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff {7,3} und Regelenergie (27) url «ieNutzung von volatiler Überschussenergie (28), umfassend eine Methanpyroiyse (4), ein Wasserstoff Mockheizkraftwerk (20), ein Wasserstofftank (16), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte- Bereitstellung von Erdgas (8) in einer Gasleitung, wobei der Druck einen Wert minimal 1,5 bar, maximal 70 bar hat, wobei die Temperatur einen. Wert minimal 4°C, maximal SOC hat, ein Massenstrom mirimal 4ke/h, maximal 400 ke/h, wobei der Heizwert minimal 9kWh/m?, maximal 12 kWh/m? hat, wobei der Methanartteil einen Wert minimal 0,1%, maximal 10% hat, wobei das Restgas in Farm von Stickstoff einen Anteil von minimal 0,1%, maximal 10% beträgt,Bezug van Erdgas (2) über eine Erdgas Einspeisestation (2), wobel der Druck einen Wert minimal 1,1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, ein Massenstrom an Methan minimal Ake/h, maximal 400 ke/h, wobei der Heizwert minimal 9kWh/m®, maximal 12 kWh/m? hat, wobei das Restgas in Form von Stickstoff einen Anteil von minimal 0,1%, maximal 10% beträgt, wobel der Methanantell einen Wert minimal 0,1%, maximal 10% hat,- Umwandlung von Erdgas (1) zur Wasserstoff (7,3) auf der Basis der Methanpyrobhyse (4) mit elektrischer Energie, wobei der Druck einen Wert minimal 1,1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, ein Massenstrom an Methan minimal 4ke/h, maximal 100 ke/h, wobei die elektrische Leistung (31) minimal SKW, maximal S00LKW beträgt, wobet der Massenstram an Wasserstoff minimal Ikg/h, muedimal 100 ka/h beträgt, wobel der feste amarphe Kohlenstaff einen Massenstrom minimal 3 ke/h, maximal 300 ke/h beträgt, wobr die elektrische Leistung einen Wert minimal S kW,- Abscheidung von festen amorphen Kohlenstoff (S), wobei der Kohlenstoff minimal 3 ke/h, maximal 300 ke/h beträgt, wobei der Druck einen Wert minimal 1,1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, wobei der Kohlenstoff (5) eine Reinheit minimal 90%, maximal 909% beträgt, wobei die Dichte des festen amorphen Koblenstoffes (5) einen. Wert minimal 300 kam, maximal 500 kg/m? hat,+ Einspeisung von Wasserstoff (7) über eine Wasserstoff Rinspeisestation (6), wobei der Druck einen Wert minimal 1,1 bar, maximal 70 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, ein Massenstrom arı Wasserstoff minimal 1kg/h, maximal 100 ke/h, wobei die Keinheit des Wasserstöffes {7} einen Wert minimal 99%, maximal 99,9% hat, woher der Anteil des Restgases in. Form von Stickstoff einen. Wert minimal 0,1%, maximal 1% hat- Verdichtung von Wasserstoff (3) mit einem alektrisch angetriebenen Kolbenverdichter (9), wobeir der Verdichtungsdruck einen Wert minimal 1,5 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, ein Massenstroman Wasserstoff minimal ITkg/h, maximal 100 kaf/h, wobei die Reinheit des Wasserstoffes {7} einen. Wert minimal 99%, maximal 919% hat,Ansaugen von Luft (21), wobei der Druck einen Wert von 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, wobei der Massenantell an XSauerstoff einen Wert von 23,135% in der Luft hat, wober die Luft einen Mäaässenstrom minimal von 34 ke/h, maximal 340 ke/h hat,Verdichten von Luft (21) mit Föilfe eines &lektrisch angetriebenen Seitenkanalverdichters (22), wobei der Druck einen Wert minimal von 1,1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen. Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, wobei der Massenanteil an Sauerstoff eirten Wert von 23,135% in der Luft hat, wobei die Luft einen Massenstrom minimal von 34 ke/h, maximal 40 kefh hat,Umwandhaıng von Wasserstoff (3) und Luft (21) zu elektrischer Leistung (30) und Wärme ( thermische Energie) (25) mit Hilfe eines Blockheizkraftwerkes (20) wobei die elektrische Energie einen Wert minimal 13 KW, müximal 1300 kW hat, wobei die Abwärme (25) eine thermische Energie einen Wert minimal 20 KW, maximal 2000 KW hat, wobei der Wasserstoff einen. Massenstram von 1 ke/h, maximal 100 ke/h hat, wobet das Luft Wasserstoff Verhältnis minimal LOL maximal 1.1 beträgt, wobei die Luft einen Massenstram minimal von 34 ke/h, maximal 340 ke/h bat, wobei die Spannung einen Wert minimal 395 V, maximal 405 V hat, wobei die Frequenz des Stremes einen Wert von 50 Hz hat,Versorgung der Methanpyrolyse (4) at elektrischer Energie (31) vom Blockheizkraftwerk (20), wobet die elektrische Energie einen Wert minimal 13 KW, maximal 1300 kW hat, wobei die Spannung einen Wert minimal 395 V, maximal 405 V hat, wobei die Frequenz des Stremes einen. Wert von 50 Hz hat,Einspeisung von elektrischer Energie (27) in einen Trafa(29), wobei die elektrische Energie einen. Wert minimal 13 kW, maximal 1300 KW hat, wobei die Frequeng einen Wert minimal 44,5 Hz, maximal 50,5 Iz hat, wobei die Spannung einen Wert minimal 385 V, maximal 405 V hat,Einspeisung von elektrischer Ersirgie (27) über einen Trafo (29) ins elektrische Netz, wobei die elektrische Energie einen Wert minimal 13 kW, maximal 1500 KW hat, wobei die Frequenz einen Wert minimal 44,5 Hz, maximal 50,5 Hz hat, wobei die Sparmung einen Wert minieaal 15,9 KV, maximal 20,1 KV hat,Bezug von elektrischer Energie (28) aus dem elektrischen Netz zur Versorgung der Methanpyrolyse (4), wobei die elektrische Energie einen Wert minimal 13 kW, maximal 1300 KW hat, wobei die Frequenz einen Wert minimal 404,5 Hz, meximal 50,5 Hi hat, wobei die Sparmmung einen. Wert minimal 395 V, maximal 405 V bat,Bezug von elektrischer Energie (27) über einen. Trafo (30) aus dem elektrischen Netz, wobei die elektrische Energie einen Wert minimal 13 KW, maximal 1300 KW bat, wobei die Frequenz einen Wert minimal 49,5 Hx, maximal 50,8 Hx hat, wobei die Spannung einen Wert minimal 15,9 KV, mäximal 20,1 kV hat,Verdichtung von. Wasserstoff (3) mit einem elektrisch angetriebenen Kolbenverdichter (13), wober der Verdichtungscdruck einen Wert minimal 3 bar, maximal 700 bar hat, wobel die Temperatur einen Wert minimal 4°C, maximal 50°C hat, ein Massenstram an. Wasserstoff minimal Ika/h, maximal 100 ke/h, wobei die Keinheit des Wasserstoffes (7) einen Wert minimal 9%, maximal 39,9% hat, wobei die elektrische Leistung munimal S KW, maximal 500 KW beträgt,Speicherung von Wasserstoff (3) in einem Wasserstofftank (16), wobei der Druck einen Wert von 500 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von. °C, maximal 50°C hat, wobei die gespeicherte Masse an Wasserstoff einen Wert minimal 750 ke, maximal 900 ke hat, wobei der Tank ein. 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2023
- 2023-07-17 AT ATA84/2023A patent/AT527464A1/de unknown
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