DE10015402A1 - Mit Windkraft betriebenes System zur Gewinnung von Wasserstoff und Trinkwasser einschließlich Wasserstoffnutzung - Google Patents
Mit Windkraft betriebenes System zur Gewinnung von Wasserstoff und Trinkwasser einschließlich WasserstoffnutzungInfo
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Abstract
Die Unstetigkeit der Windgeschwindigkeit und damit der Stromproduktion durch Windkraftanlagen kann über einen Zwischenspeicher in Form von Wasserstoff ausgeglichen werden. Zur Zeit gibt es noch keine Kombination von windkraftbetriebener Wasseraufbereitung, Wasserstoffproduktion, -speicherung und -nutzung. Das neue Verfahren ermöglicht das Betreiben einer mit einer Windkraftanlage gekoppelten Wasserstoffproduktions- und -nutzungsanlage mit Meer-, Brack-, Grau- oder Schwarzwasser. Dieses System liefert zudem zu jedem Zeitpunkt annähernd die gleiche elektrische Leistung. DOLLAR A Das zugeführte Wasser wird in der ersten Stufe der Wasseraufbereitung (2.) zu Trinkwasser und dann in der zweiten Stufe (4.) zu Reinstwasser aufbereitet. Daraus wird in den Elektrolyseuren (5.) H¶2¶ und O¶2¶ gewonnen. Die Gase werden in Drucktanks (6. und 7.) zwischengespeichert und bei Bedarf als Treibstoff für Brennstoffzellen oder Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Die gesamte Anlage wird durch eine Windkraftanlage (1.) mit Strom versorgt. DOLLAR A Einsatz als Anlage zur Trinkwasseraufbereitung und Stromversorgung in Ländern mit mangelnder Versorgungssicherheit.
Description
Bei der Nutzung von regenerativen Energieträgern - wie der Strömungsenergie des Windes -
stellt sich immer das Problem, dass das Energieangebot nicht konstant ist, sondern mitunter
zeitlich stark schwankt. Da elektrischer Strom schlecht speicherbar ist, muss man andere Wege
suchen, wie man sowohl in Zeiten hoher als auch niedriger Windgeschwindigkeiten eine
gleichbleibende Versorgung des Endverbrauchers mit elektrischer Energie sicherstellen stellen
kann.
Eine solche Möglichkeit bietet eine Speicherung der Energie in Form von Wasserstoff. Im
Vollastbetrieb kann die Leistung der Windkraftanlage dazu verwendet werden, Wasserstoff zu
produzieren, der dann in Zeiten geringer Windgeschwindigkeiten beispielsweise über eine
Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle rückverstromt wird und somit eine
ausreichende Stromversorgung garantiert.
Es sind bereits einige Systeme erarbeitet worden, die das Betreiben einer Windkraftanlage mit
der Produktion von Wasserstoff kombinieren (Patentschrift: DE 34 15 510 A1) oder auch eine
Rückverstromung des gewonnenen Wasserstoffs beinhalten (Patentschriften DE 37 08 637 A1
und DE 34 07 881 A1). Auch eine Windkraftanlage zur Erzeugung von Trinkwasser mittels
Umkehrosmose wurde bereits entwickelt (Patentschrift DE 38 08 536).
Bisher gibt es noch keine Kombination einer windkraftbetriebenen Wasseraufbereitung und
einem System zur Wasserstoffproduktion, -speicherung und -nutzung.
Das neue Verfahren ermöglicht das Betreiben einer mit einer Windkraftanlage gekoppelten
Wasserstoffproduktions- und nutzungsanlage mit Meer-, Brack- Grau- oder Schwarzwasser.
Dadurch kann eine Speicherung von elektrischem Strom in Form von Wasserstoff und die
anschließende Rückverstromung in Zeiten niedriger Windgeschwindigkeiten auch in solchen
Regionen problemlos zur Anwendung kommen, in denen kein Trinkwasser zur Verfügung
steht (z. B. in Schwellen- und Entwicklungsländern).
Dort kann man mit dem System gleichzeitig das Problem des Mangels an sauberen Trink- und
Brauchwassers, als auch das der unzureichenden Stromversorgung in abgelegenen Gebieten
lösen.
Das zugeführte Wasser wird in einer Wasseraufbereitungsanlage zu Trinkwasser aufbereitet.
Die dazu erforderliche Energie wird von der im System integrierten Windkraftanlage geliefert.
Die nicht benötigte Energie wird für die Gewinnung von Wasserstoff verwendet.
Bei der Wasseraufbereitung untersucht das System selbständig den Wasserzugang, der als
Meer-, Brack-, Grau- oder Schwarzwasser angeboten werden kann. Lediglich die
Grundgrößen der jeweiligen Wasserqualität müssen in einem Abbild der Zentraleinheit
gespeichert werden. Aus den Werten der Quantität und Qualität wird die Durchflußmenge und
Geschwindigkeit bestimmt, ebenso der energetische Bedarf der Wasseraufbereitungsanlage.
Die bestimmende Regelgröße ist die Prozeßwassermenge, die aus den Führungsgrößen
Windkraftanlage und Elektrolyse bestimmt wird.
Der Einsatz dieser Anlage kann auch in dem Fall erfolgen, wenn die Wasserstoffgewinnung
und -speicherung nur eine Sekundäraufgabe ist. Das bedeutet, dass die Hauptaufgabe in der
Gewinnung von Trink- und Brauchwasser liegt. Das heißt weiter, dass im Fall eines Rückgangs
der Windgeschwindigkeiten die Windkraftanlage in den unteren Leistungsbereich abfällt,
sodass die Leistung der Windkraftanlage für den Versorgungsbetrieb der Pumpen nicht mehr
ausreicht. In diesem Fall wird die elektrische Netzversorgung beispielsweise über eine
Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle aus dem Speicher vorgenommen. Für
diesen Fall ist dann ein gesondertes Wassernetzabbild in einem Energie- und
Versorgungsmanagement darzustellen.
Die Versorgung der Elektrolyseure mit Prozeßwasser muss in einem weiteren Schritt erfolgen.
Es muss die Leitfähigkeit des Wassers von 1 µS sichergestellt werden. Dieser Wert, der vom
Elektrolyseur vorgegeben ist, soll nicht überschritten werden, sodass die Wasserreinigung in
zwei Stufen erfolgt. In der ersten Stufe wird das Kühl- und Prozeßwasser gemeinsam
aufbereitet und kann danach bei Bedarf gespeichert oder entnommen werden. In der zweiten
Stufe wird der Teil aufbereitet, der zur Produktion von Wasserstoff verwendet wird. Hierbei
wird das Wasser entsprechend ionisiert. Diese Ionisierung ist eine abhängige Größe von
Windkraftleistung und Elektrolyseleistung, weil sich aus beiden Größen die
Prozeßwassermenge ergibt, die als Rückstellgröße auf das System zu betrachten ist.
Eine weitere Stellgröße ist der Kühlwasserverbrauch, der in einem geschlossenen System
betrieben wird. Um den Wasserverbrauch zu minimieren, wird ein geschlossenes System
empfohlen. Um diese Regelgröße für die entsprechenden Stellglieder wieder zu nutzen, werden
die Ein- und Ausgangsgrößen des Kühlwassers ständig ermittelt.
Es wird empfohlen, bei der Realisierung des Verfahrens eine optimal geregelte
Windkraftanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator zu verwenden. Die Regelung des
gesamten Systems erfolgt über den nachgeschalteten Elektrolyseur und die Brennstoffzelle
oder die Verbrennungskraftmaschine.
Kontroll-, Steuer- und Regeleinrichtungen überwachen die Gesamtanlage, greifen bei
Sollwertabweichungen ein und schalten auf die Betriebsweisen um.
Eine Stromversorgung für die zusätzlichen Komponenten vervollständigt die
Elektrolyseanlage. Arbeitet das gesamte Wasserstoff erzeugende System unabhängig von
einem Stromnetz (Inselbetrieb), muss der Eigenbedarf der Anlagenteile, die für sicheres
Abschalten sorgen, aus einer Notstromversorgung gedeckt werden können. Dies kann
beispielsweise aus einer getrennten Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Wechselrichter
erfolgen.
Sind die Zusatzeinrichtungen untereinander auf die Bedürfnisse der Gesamtanlage abgestimmt,
ist der zuverlässige, störungsfreie und vollautomatische Dauerbetrieb unter
Volllastbedingungen mit gelegentlichen Inspektionen und Wartungen bis zur Überholung nach
mehreren Jahren gewährleistet.
Wenn elektrische Energie von Windkraftanlagen zur Verfügung gestellt wird, muss der
Elektrolyseur auf Veränderungen reagieren, die von kurzzeitigen Schwankungen zwischen
Volllast und 30% Teillast im Sekundenbereich wirken. Diese Schwankungen werden durch
Regelstrecken in dem Energie-Management-System ausgeregelt, sodass keine Einwirkung auf
den Elektrolyseur erfolgt.
Für die Prozeßsteuerung wird die Verwendung eines feldbusfähigen Regelsystems empfohlen,
das als speicherprogrammierbares Automatisierungsgerät eingesetzt werden soll. Das System
eignet sich zur Realisierung umfangreicher Fernwirk-, Steuerungs- und Regelungsaufgaben.
Es steuert das gesamte System, bestehend aus Windkraftanlage, Wasseraufbereitung
(Prozeßwasser, Kühlwasser), Speicherung, Elektrolyse incl. Energie-Management-System.
Automatisierungsaufgaben, bei denen schnell und häufig zu bearbeitende Signale oder
Signalpegel besonderer Art auftreten, können durch signalverarbeitende Baugruppen, wie sie in
den Baugruppen Windkraftanlage, Wassergewinnung, Elektrolyseur, Gas-Turbine und
Wärmepumpe auftreten können, als Knotenpunkt installiert und separat geregelt werden. Sie
arbeiten weitestgehend unabhängig vom Zentralprozessor.
Neben diesen im feldbusfähigen Regelsystem integrierten Regelbaugruppen können auch
externe, autark arbeitende Regler eingesetzt werden. Die Kopplung zu diesen externen Reglern
erfolgt über die Digital- und Analogperipherie des Stationsleitgerätes.
In dem beschriebenen System sind zwei Elektrolyseure (5) mit unterschiedlichen Leistungen
integriert.
Ab einer Elektrolyseleistung, die nahe der Maximalleistung des ersten Elektrolyseurs liegt, bis
zu maximalen Leistung der Summe der beiden Elektrolyseure I + II, arbeiten die
Elektrolyseure parallel. Sollte die maximale Leistung erreicht werden, so lassen die
Elektrolyseure eine Überlast von 25% zu. Die produzierte Gasmenge wird dann in einen
Zwischenspeicher transportiert. Dieser Zwischenspeicher ist mit einem ID-Regler zu regeln.
Zusätzlich regeln die PID-Regler, gesteuert von den jeweiligen Meßumformern, die
Wassermenge für Prozeß- und Kühlwasser. Die in Analog- und Digitalform erfaßten Meßwerte
werden als Regel-, Stell- und Störgrößen zu einer Zentraleinheit übertragen und dort
verarbeitet.
Die Gasproduktion (H2 und O2) wird über ein Stellglied (Regler) geregelt, der gleichzeitig für
den Säuretank dient. Ebenso wird die Frisch- und Kühlwasserversorgung über Regelventile
geregelt. Das Rohgas durchläuft einen Reiniger, der durch entsprechende motorgeregelte
Ventile abgeblockt ist. Der nachfolgende Kühler und die entsprechenden Filter vor und nach
dem Kompressor werden ebenfalls durch motorgetriebene Ventile geregelt. Damit ist ein
geschlossener Regelkreis des gesamten Elektrolyseurs gewährleistet, der mittels eines
Stationsleitgerätes gesteuert wird. Die hieraus resultierenden Signale werden der Zentraleinheit
zugeleitet. In diesem System werden über den Regelkreis Elektrolyseur I bzw. II (5)
anschließend die Ausgangswerte über eine Meßwertumformung geregelt. Der Elektrolyse
nachgeschaltet ist der Speicher, die Verbrennungskraftmaschine oder die Brennstoffzelle.
Den zeitlich veränderlichen Energiebedarf im Autarkbetrieb hält man in Belastungsdiagrammen
fest. Diese Diagramme werden aus dem Zentralrechner der CPUs 1-3 gewonnen. Aus den so
gewonnenen Werten wird das Zeitintegral eines vorgegebenen Zeitmaßstabes gebildet.
Zur Beurteilung der Häufigkeit des Auftretens einzelner Leistungsstufen bzw. auch die
Leistungszu- und -abgänge einzelner Geräte werden ebenfalls aus der Zentraleinheit des
Stationsleitgerätes entnommen. Mithin läßt sich aus den Einzel- und auch Summenwerten die
Leistungsdauerkennlinie oder die Belastungskurve (Tages-, Monats- und Jahrgangslinie) einer
Autarkanlage erstellen.
Claims (6)
1. Mit Windkraft betriebenes System zur Gewinnung von Trinkwasser und
Wasserstoff einschließlich Wasserstoffnutzung
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teil des durch die Windkraftanlage produzierten elektrischen Stroms für die
Versorgung von Haushalt und Gewerbe, der Rest mittels Elektrolyse zur Gewinnung
von Wasserstoff verwendet wird, welcher gespeichert und bei Bedarf in elektrische
Energie zurückgewandelt wird. Das für die Elektrolyse benötigte Prozeß- und
Kühlwasser kann in Form von Meer-, Brack- Grau- oder Schwarzwasser zugeführt
werden und wird in einer vorgeschalteten, kaskadenförmigen Wasseraufbereitungs
anlage zu Trinkwasser aufbereitet. Das Prozeßwasser wird in einer zweiten
Aufbereitungsstufe soweit aufbereitet, dass die Elektrolyseure damit betrieben werden
können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das System sowohl an ein Stromnetz angeschlossen werden kann, als auch als
Stand-Alone-Variante netzunabhängig eine Versorgung der angeschlossenen
Verbraucher gewährleistet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Wasserstoff in 30 bis 300 bar Drucktanks gespeichert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle oder einer
Verbrennungskraftmaschine in Strom zurückverwandelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das zu Trinkwasser aufbereitete Wasser gespeichert oder entnommen werden
kann und das System somit auch vorrangig der Trinkwassergewinnung dienen kann.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abwärme, die bei der Umwandlung des Wasserstoffs in elektrischen Strom
entsteht, zu Heizzwecken genutzt werden kann oder zum Betreiben einer
Wärmepumpe dienen kann.
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