DE102009018126A1

DE102009018126A1 - Energieversorgungssystem und Betriebsverfahren

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Publication number: DE102009018126A1
Application number: DE102009018126A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Stürmer (FH); Volkmar Dipl.-Ing. Frick; Michael Dr. Specht; Michael Dipl.-Ing. M.Sc. Sterner; Bethold Hahn
Original assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Ifes Institut Fuer Energiespeicher De GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: ES2602603T3; WO2010115983A1; EP2334590A1; CA2758374A1; PT2334590T; DE102009018126B4; US20120091730A1; DK2334590T3; US9057138B2; CA2758374C; EP2334590B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem mit einer Stromerzeugungseinrichtung zurgsnetz einspeisbarer elektrischer Energie und auf ein Betriebsverfahren für ein derartiges Energieversorgungssystem. Erfindungsgemäß umfasst das Energieversorgungssystem eine Stromerzeugungseinrichtung (1) zur regenerativen Erzeugung von in ein Stromversorgungsnetz (2) einspeisbarer elektrischer Energie, eine Wasserstofferzeugungseinrichtung (3) zur Wasserstofferzeugung unter Verwendung von elektrischer Energie der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung, eine Methanisierungseinrichtung (4) zur Umwandlung von durch die Wasserstofferzeugungseinrichtung erzeugtem Wasserstoff und eines zugeführten Kohlenoxidgases in ein methanhaltiges, in ein Gasversorgungsnetz (7) einspeisbares Gas und vorzugsweise auch eine Verstromungseinrichtung (10) zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Gas aus dem Gasversorgungsnetz. Die Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung kann in Abhängigkeit von einem zeitabhängigen Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes variabel eingestellt werden. Verwendung z.B. in großflächigen Energieversorgungsnetzen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem mit einer Stromerzeugungseinrichtung zur regenerativen Erzeugung von in ein Stromversorgungsnetz einspeisbarer elektrischer Energie und auf ein Betriebsverfahren für ein derartiges Energieversorgungssystem.
Der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Windkraft, Solarenergie und Wasserkraft, gewinnt eine immer größere Bedeutung zur Stromerzeugung. Elektrische Energie wird typischerweise über langreichweitige, überregionale und länderübergreifend gekoppelte Stromversorgungsnetze, kurz Stromnetze bezeichnet, an eine Vielzahl von Verbrauchern geliefert. Da elektrische Energie als solche nicht in signifikantem Umfang speicherbar ist, muss die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung auf den verbraucherseitigen Leistungsbedarf, die sogenannte Last, abgestimmt werden. Die Last schwankt bekanntermaßen zeitabhängig, insbesondere je nach Tageszeit, Wochentag oder auch Jahreszeit. Klassisch wird der Lastverlauf in die drei Bereiche Grundlast, Mittellast und Spitzenlast unterteilt, und elektrische Energieerzeuger werden je nach Typ geeignet in diesen drei Lastbereichen eingesetzt. Für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung ist ein kontinuierlicher Gleichlauf von Stromerzeugung und Stromabnahme notwendig. Eventuell auf tretende Abweichungen werden durch sogenannte positive oder negative Regelenergie bzw. Regelleistung ausgeglichen. Positive Regelleistung wird benötigt, wenn das normale Stromangebot zu stark hinter dem aktuellen Strombedarf zurückbleibt, um ein unerwünschtes Absinken der Netzfrequenz und einen dadurch verursachten Zusammenbruch der Stromversorgung zu verhindern. Negative Regelleistung wird benötigt, wenn sich ein unerwarteter Überschuss an Stromerzeugungsleistung mit der Folge eines unerwünschten Frequenzanstiegs ergibt. Bei regenerativen Stromerzeugungseinrichtungen tritt die Schwierigkeit auf, dass bei bestimmten Typen, wie Windkraft und Solarenergie, die Energieerzeugungsleistung nicht zu jedem Zeitpunkt vorhanden und in bestimmter Weise steuerbar ist, sondern z. B. tageszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen unterliegt, die nur bedingt vorhersagbar sind.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Energieversorgungssystems der eingangs genannten Art und eines hierfür geeigneten Betriebsverfahrens zugrunde, bei denen sich die regenerative Stromerzeugungseinrichtung optimiert nutzen lässt, um eine stabile und zuverlässige Stromversorgung mit hohem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien auch dann zu gewährleisten, wenn regenerative Stromerzeuger mit merklich schwankender Erzeugungsleistung verwendet werden, wie Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Energieversorgungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines zugehörigen Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 17.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem beinhaltet zusätzlich zur regenerativen Stromerzeugungseinrichtung eine Wasserstofferzeugungseinrichtung, die Wasserstoff unter Verwendung der regenerativ erzeugten elektrischen Energie erzeugen kann, und eine Methanisierungseinrichtung, die den erzeugten Wasserstoff mit einem zugeführ ten Kohlenoxidgas, vorzugsweise Kohlendioxid oder ein Synthesegas, in ein methanhaltiges Gas umwandeln kann. Mit diesen Anlagenkomponenten ist das Energieversorgungssystem charakteristischerweise in der Lage, aus regenerativ erzeugter elektrischer Energie in großem Maßstab Methan zu synthetisieren und z. B. als sogenanntes Erdgassubstitut in einem Gasversorgungsnetz zu speichern oder anderweitig zu nutzen. Für die genannten Systemkomponenten sind an sich bekannte Anlagen einsetzbar, wie eine Elektrolyseeinheit zur Wasserstofferzeugung und ein üblicher Methanisierungsreaktor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Energieversorgungssystem eine Verstromungseinrichtung, die elektrische Energie unter Verwendung von Gas aus dem Gasversorgungsnetz erzeugen kann. Hierfür eignet sich z. B. eine hocheffiziente Gas- und Dampf-Kraftwerkanlage, abgekürzt GuD-Kraftwerk, oder eine andere Art der Methanverstromung, wie Gasturbinen oder mit Methan befeuerte Blockheizkraftwerke mit Gas-Otto-Motoren, für Methan adaptierte Motoren oder Brennstoffzellen. Stellvertretend für alle Möglichkeiten der Methanverstromung wird im Weiteren primär das GuD-Kraftwerk genannt.
Das Energieversorgungssystem ermöglicht damit eine Verlagerung von regenerativer fluktuierender Stromerzeugung und somit eine erhöhte Nutzbarkeit von regenerativen Stromerzeugern mit typbedingt fluktuierender Erzeugungsleistung unter Beibehaltung der erforderlichen Netzstabilität eines davon gespeisten Stromnetzes. In Zeiträumen, in denen regenerativ erzeugter Strom z. B. aus Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen aus Gründen der Netzstabilität oder anderen technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann, lässt er sich zur Erzeugung von Wasserstoff nutzen, der mit Kohlenoxidgas mittels Methanisierung in Erdgassubstitut umgesetzt wird, welches in das Gasversorgungsnetz eingespeist und dort gespeichert und genutzt werden kann, insbesondere auch zur Rückverstromung in Zeiträumen mit hoher residualer Last des Stromnetzes, d. h. mit hoher Differenz zwischen Leistungsbedarf des Stromnetzes und Leistungsangebot durch die regenerative Stromerzeugungseinrichtung.
Die Erfindung löst somit in sehr effizienter Weise die Probleme der mangelnden Speicherbarkeit hoher elektrischer Energiemengen, wie sie für öffentliche Stromnetze benötigt werden, des z. B. tageszeitlich, saisonal und witterungsbedingt fluktuierenden Leistungsangebots wichtiger regenerativer Stromerzeuger und der erforderlichen Netzstabilität des Stromnetzes. Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem ermöglicht eine Vernetzung bzw. Kopplung von Strom- und Gasversorgungsnetz, die eine hohe Auslastung regenerativer Stromerzeuger durch Nutzung der vorhandenen herkömmlichen Gasspeicherkapazitäten im Gasversorgungsnetz erlaubt und zudem durch entsprechendes Last- und Erzeugungsmanagement hochwertige, regenerative positive und negative Regelenergie bzw. gespeicherten regenerativen Strom für das Stromnetz bereitstellen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stromerzeugungseinrichtung insbesondere eine oder mehrere Windkraftanlagen und/oder eine oder mehrere Photovoltaikanlagen und/oder ein oder mehrere Geothermiekraftwerke und/oder ein oder mehrere Biomassekraftwerke und/oder ein oder mehrere Wasserkraftwerke und/oder ein oder mehrere Solarthermiekraftwerke. Diesen Anlagetypen wird in Zukunft eine stark zunehmende Bedeutung für die Versorgung mit elektrischer Energie zuerkannt. Ihre spezifische Einbindung in das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem erlaubt einen hohen Nutzungsgrad derselben bei aufrechterhaltener Stromnetzstabilität trotz des zeitlich stark fluktuierenden Leistungsangebots einiger dieser regenerativen Stromerzeuger und der zeitlich schwankenden Stromnachfrage.
In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Energieversorgungssystem eine Gaseinspeisungseinrichtung, mit der Wasserstoff und/oder sogenanntes Zusatzgas und/oder sogenanntes Austauschgas in das Gasversorgungsnetz unter Verwendung des methanhaltigen Gases aus der Methanisierungseinrichtung und/oder des Wasserstoffs aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung eingespeist werden kann, wozu die Gaseinspeisungseinrichtung bei Bedarf über entsprechende Gasaufbereitungsmittel verfügt. Damit lässt sich in vorteilhafter Weise das unter Verwendung regenerativer elektrischer Energie erzeugte Gas bei Bedarf unterschiedlich zur Einspeisung in das Gasversorgungsnetz nutzen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Energieversorgungssystem Mittel zum Zuführen von Kohlendioxid zu der Methanisierungseinrichtung aus einem Kohlendioxid abgebenden Kraftwerk auf. Dies ermöglicht die Nutzung und Einbindung von in einem Kraftwerk anfallendem Kohlendioxid über die Methanisierungseinrichtung in den Energiekreislauf des Energieversorgungssystems.
In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Energieversorgungssystem Mittel zum Zuführen eines kohlendioxidhaltigen Gases zu der Methanisierungseinrichtung aus einer Biogasanlage, wie Biogas oder daraus abgetrenntes Kohlendioxid. Dadurch kann vorteilhaft die regenerative Biomassenutzung einer üblichen Biogasanlage in das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem eingebunden sein. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme sind erfindungsgemäß Mittel zur Wärmeübertragung von der Methanisierungseinrichtung zur Biogasanlage vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich Abwärme der Methanisierungseinrichtung in der Biogasanlage nutzen. In einer weiteren Ausgestaltung dieses Erfindungsaspekts sind Mittel zum Zuführen eines von der Biogasanlage gewonnenen Erdgassubstituts zum Gasversorgungs netz vorgesehen, d. h. die Biogasanlage liefert in diesem Fall auch einen direkten Beitrag zur Speisung des Gasversorgungsnetzes.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Energieversorgungssystem Mittel zum Zuführen von kohlenoxidhaltigem Synthesegas aus einer Biomasse-Vergasungsanlage zur Methanisierungseinrichtung. Durch entsprechende Auslegung der Methanisierungseinrichtung kann das Synthesegas zusammen mit dem Wasserstoff in das methanhaltige Gas bzw. Erdgassubstitut umgesetzt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Energieversorgungssystem eine ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle-Anlage) zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Abwärme der Methanisierungseinrichtung, so dass diese Abwärme direkt zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Energieversorgungssystem eine Tankstelleneinrichtung, durch die entsprechende Fahrzeuge mit von der Wasserstofferzeugungseinrichtung erzeugtem Wasserstoff und/oder mit von der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung erzeugter elektrischer Energie und/oder mit von der Methanisierungseinrichtung erzeugtem Erdgassubstitut versorgt werden können, wobei je nach Anwendungsfall und Bedarf an der Tankstelleneinrichtung alle drei oder nur ein Teil dieser Energieträger zur Fahrzeugbetankung bereitgestellt sein können.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Energieversorgungssystem ein Stromversorgungsnetz, an das die regenerative Stromerzeugungseinrichtung und die Wasserstofferzeugungseinrichtung sowie die Verstromungseinrichtung angekoppelt sind, und/oder ein Gasversorgungsnetz, an das die Methanisierungseinrichtung und die Verstromungseinrichtung angekoppelt sind. Damit sind das Stromversorgungs netz und/oder das Gasversorgungsnetz in das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem eingebunden, vorzugsweise beide in miteinander spezifisch gekoppelter Form. In einer Ausgestaltung dieses Erfindungsaspekts umfasst die Energieversorgungseinrichtung einen an das Gasversorgungsnetz angekoppelten Gasspeicher. Hierbei kann es sich um einen für diesen Zweck an sich bekannten Gasspeicher handeln, der in der Lage ist, das von der Methanisierungseinrichtung gelieferte Erdgassubstitut mit hoher Kapazität zwischenzuspeichern.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Energieversorgungssystem eine Steuerungseinrichtung, die dafür eingerichtet ist, die Leistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem zeitabhängigen Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes variabel einzustellen. Dies bildet die Grundlage für ein vorteilhaftes und effizientes Last- und Erzeugungsmanagement des Systems und insbesondere des Stromversorgungsnetzes. in Ausgestaltung dieses Erfindungsaspektes ist die Steuerungseinrichtung dafür ausgelegt, in Zeiträumen mit erhöhtem Erzeugungsleistungsbedarf des Stromnetzes eine verringerte Aufnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung einzustellen und/oder eine erhöhte Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung einzustellen und/oder in Zeiträumen mit verringertem Erzeugungsleistungsbedarf die Aufnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung zu steigern und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung zu reduzieren. Mit anderen Worten kann die Steuerungseinrichtung positive und negative Regelenergie zur Gewährleistung der Netzstabilität des Stromnetzes unter Verwendung der regenerativ erzeugten und als Wasserstoff und/oder Erdgassubstitut im Gasversorgungsnetz rückverstrombar zwischengespeicherten elektrischen Energie bereitstellen. Dies wird durch einen Betrieb des Systems mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung dieses Erfindungsaspektes ist die Steuerungseinrichtung dafür ausgelegt, die Leistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem prognostizierten Leistungsbedarfsprofil des Stromversorgungsnetzes und/oder eines prognostizierten Stromerzeugungsleistungsprofils der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung einzustellen. Diese Auslegung der Steuerungseinrichtung ermöglicht einen vorausschauenden Betrieb des Energieversorgungssystems unter dem Gesichtspunkt der geforderten Stromnetzstabilität und unter Berücksichtigung des gegebenenfalls fluktuierenden Leistungsangebots der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung und des schwankenden Strombedarfs. Dazu lässt sich das Energieversorgungssystem durch das entsprechend weitergebildete erfindungsgemäße Betriebsverfahren betreiben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Energieversorgungssystems mit regenerativen Stromerzeugern, Wasserstofferzeugungseinrichtung, Methanisierungseinrichtung und Verstromungseinrichtung unter entsprechender Kopplung eines Stromversorgungsnetzes und eines Gasversorgungsnetzes,
2 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 mit detaillierterer Darstellung von möglichen Betriebsvarianten,
3 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit ORC-Anlage,
4 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit Kohlendioxidnutzung aus einem Kraftwerk zur Verstromung fossiler Energieträger,
5 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit Nutzung von abgetrenntem Kohlendioxid aus einer Biogasanlage,
6 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit Nutzung eines Biogases aus einer Biogasanlage als Kohlendioxidquelle für die Methanisierung,
7 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit Nutzung eines Synthesegases aus einem Biomasse-Vergasungsreaktor als Kohlenoxidquelle und
8 eine Blockdiagrammdarstellung entsprechend 1 für eine Variante mit zusätzlicher Tankstelleneinrichtung zur Fahrzeugbetankung mit Wasserstoff, elektrischer Energie und/oder Erdgassubstitut.
1 zeigt schematisch ein Energieversorgungssystem, das eine Speicherung regenerativ erzeugter elektrischer Energie als Erdgassubstitut mit bedarfsweiser Rückverstromung ermöglicht. Das Energieversorgungssystem beinhaltet eine regenerative Stromerzeugungseinrichtung 1, die im gezeigten Beispiel Windkraftanlagen 1a und Photovoltaikanlagen 1b umfasst und elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zur Einspeisung in ein Stromnetz 2 erzeugt, insbesondere ein öffentliches Stromnetz. Weiter beinhaltet das Energieversorgungssystem eine an das Stromnetz 2 als Verbraucher angekoppelte Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 und eine dieser nachgeschaltete Methanisierungseinrichtung 4, die den in der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 unter Verwendung elektrischer Energie aus dem Stromnetz 2 erzeugten Wasserstoff zusammen mit zugeführtem Kohlenoxidgas, z. B. Kohlendioxid (CO₂), in ein Erdgassubstitut umsetzt, bei dem es sich um Methangas bzw. ein methanreiches Gas handelt. Das Kohlendioxid entstammt einem Kohlendioxid-Tank 5, der von einer Kohlendioxidquelle 6 gespeist wird. Über eine entsprechende Gaseinspeisungseinrichtung wird das von der Methanisierungseinrichtung 4 erzeugte Erdgassubstitut in ein Gasversorgungsnetz 7, abgekürzt Gasnetz, eingespeist, an das ein Gasspeicher 8 angekoppelt ist. Optional kann ein gewisser Teil des von der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 erzeugten Wasserstoffs (H₂) auch direkt unter Umgehung der Methanisierungseinrichtung 4 über die Gaseinspeisungseinrichtung in das Gasnetz 7 eingespeist werden.
Die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3, die Methanisierungseinrichtung 4 und der CO₂-Tank 5 bilden somit einen stromwandelnden Systemteil 9, der Strom aus dem Stromnetz 2 und insbesondere Strom aus der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung 1 in Erdgassubstitut umwandelt, das leicht in großen Mengen im Gasnetz 7 gespeichert werden kann, bei dem es sich insbesondere um ein übliches Gasnetz mit den an sich bekannten Gasspeicherkapazitäten handeln kann. Invers zum Systemteil 9 beinhaltet das Energieversorgungssystem eine Verstromungseinrichtung 10 zur Verstromung von aus dem Gasnetz 7 entnommenem Gas und Einspeisung der dadurch erzeugten elektrischen Energie in das Stromnetz 2. Insbesondere kann dadurch das unter Nutzung der regenerativ erzeugten elektrischen Energie gewonnene Erdgassubstitut rückverstromt werden. Der stromwandelnde Systemteil 9 kann hierbei örtlich getrennt vom Gasspeicher 8 und von der Verstromungseinrichtung 10 sowie auch von der CO₂-Quelle 6 installiert sein.
2 veranschaulicht etwas detaillierter einige mögliche Varianten der Realisierung eines solchen Energieversorgungssystems und des Betriebs desselben. Wie angedeutet, kann die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 z. B. durch eine Elektrolyseeinheit herkömmlicher Bauart und einen angekoppelten Wasserstofftank gebildet sein. Als mögliche CO₂-Quelle 6 sind stellvertretend eine Biogasanlage oder ein CO₂ emittierendes Kraftwerk zur Verstromung eines fossilen Energieträgers angeführt. Die Verstromungseinrichtung 10 kann z. B. durch ein GuD-Kraftwerk oder durch ein Blockheizkraftwerk, abgekürzt BHKW, realisiert sein. Der Gasspeicher 8 kann z. B. übliche geologische Poren- und/oder Kavernenspeicher beinhalten.
Durch entsprechende Auslegung einer zugehörigen, in 2 nur angedeuteten Gaseinspeisungseinrichtung 11 kann je nach Bedarf Wasserstoff, Zusatzgas und/oder Austauschgas aus dem in der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 erzeugten Wasserstoff und dem in der Methanisierungseinrichtung 4 erzeugten Erdgassubstitut bzw. Methangas (CH₄) in das Gasnetz 7 eingespeist werden. Als eine erste Stufe ist die Zugabe von praktisch reinem Wasserstoff derart vorgesehen, dass hinter einer entsprechenden Gasmischstelle ein einspeisefähiges Gas resultiert, das für das Gasnetz 7 vorgeschriebene Einspeiserichtlinien erfüllt. Für eine Wasserstoff-Erzeugungsleistung von 1 MW werden dazu bei Einsatz einer hocheffizienten Elektrolyse ca. 1,3 MW elektrische Leistung benötigt. In einer zweiten Stufe wird Zusatzgas eingespeist, das einen möglichst hohen Wasserstoffanteil und einen geringfügigen Methananteil enthält, so dass nach der Gasmischstelle wiederum ein Gas resultiert, das die Einspeiserichtlinien erfüllt. Für die Gewinnung von 1 MW Leistung an Zusatzgas werden ca. 1,3 MW bis 1,6 MW elektrische Leistung benötigt. In einer dritten Stufe wird Austauschgas und damit Erdgassubstitut eingespeist, wozu der Wasserstoffanteil des Austauschgases auf unter 5 Vol.-% und der CO₂-Anteil auf unter 6 Vol-% begrenzt sind. Bei Bedarf können zur Einstellung brenntechnischer Kennwerte des Austauschgases C_2-4-Kohlenwasserstoffe, wie Propan und/oder Butan, die aus einer entsprechenden Kohlenwasserstoffquelle 12 zugeführt werden, und Luft zugemischt werden. Für 1 MW Leistung an Ergassubstitut (substitute natural gas; SNG) werden ca. 1,6 MW elektrische Leistung benötigt. Dabei entsprechen 1,6 MW elektrische Leistung ca. 0,2 Tonnen an pro Stunde der Methanisierungseinrichtung 4 zuzuführendem Kohlendioxid.
Mit einer derartigen Systemauslegung lässt sich ein vergleichsweise hoher Stromspeicherwirkungsgrad erzielen, der je nach Anforderungen der Gaskonditionierung zwischen ca. 35% und 45% liegt. Das vorliegende System ermöglicht eine deutlich verbesserte Ausnutzung des Potentials von Windenergie und anderen regenerativen Stromerzeugungsarten, wobei in kürzester Zeit hochwertige Regelenergie für das Stromnetz bereitgestellt werden kann, indem die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 und die Verstromungseinrichtung 10 entsprechend abhängig vom Leistungsbedarf des Stromnetzes 2 gesteuert werden. Die Einspeisung von erzeugtem Wasserstoff und/oder Erdgassubstitut in ein vorhandenes Gasnetz ermöglicht eine standortunabhängige Verstromung ohne die Problematik einer lokalen Wasserstoffspeicherung. Neben dieser Stromspeicherungs- und Stromlastregelungsfunktionalitäten bietet dieses Energieversorgungssystem zudem den Vorteil einer Nutzung von anderweitig anfallendem und ansonsten ungenutzt bleibendem Kohlendioxid.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 8 einige vorteilhafte Realisierungsvarianten des Energieversorgungssystems näher erläutert, wobei der Übersichtlichkeit halber für gleiche oder funktionell äquivalente Komponenten jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet sind.
Die in 3 gezeigte Systemvariante beinhaltet neben den Basiskomponenten gemäß 1 eine ORC-Anlage 13, in welcher Abwärme aus der Methanisierungseinrichtung 4 zur zusätzlichen Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, die in das Stromnetz 2 eingespeist wird.
Die in 4 gezeigte Systemvariante nutzt als Kohlendioxidquelle ein herkömmliches Kraftwerk 6a, das elektrische Energie durch Verstromung eines fossilen Energieträgers 14, wie Kohle und/oder Erdgas, erzeugt und in das Stromnetz 2 einspeist und über eine CO₂-Abtrennung verfügt. Das abgetrennte CO₂ wird im CO₂-Tank 5 zwischengespeichert. Bei dem CO₂-lieferenden Kraftwerk kann es sich z. B. um ein solches vom sogenannten „carbon-capture”-Typ handeln. Der Transport des Kohlendioxids vom Kraftwerk 6a zum CO₂-Tank 5 kann beispielsweise in verflüssigter Form über eine Pipeline oder über Straßen-/Schienen- oder Schiffstransport erfolgen.
Die in 5 gezeigte Systemvariante nutzt als CO₂-Quelle eine Biogasanlage 6b, die zur Erzeugung eines Biogases aus zugeführter Biomasse und zur CO₂-Abtrennung aus dem erzeugten Biogas ausgelegt ist. Durch die CO₂-Abtrennung wird aus dem Biogas ein einspeisefähiges, methanhaltiges Erdgassubstitut erhalten, das von der Biogasanlage 6b wie das von der Methanisierungseinrichtung 4 erzeugte Erdgassubstitut in das Gasnetz 7 eingespeist werden kann.
Die in 6 gezeigte Systemvariante nutzt als CO₂-Quelle eine Biogasanlage 6c wie die Systemvariante von 5, in diesem Fall jedoch ohne CO₂-Abtrennung aus dem erzeugten Biogas. Das CO₂-haltige Biogas wird in einem entsprechenden Biogastank 5a zwischengespeichert, der hier als Kohlendioxid-Tank fungiert, und von diesem der Methanisierungseinrichtung 4 zugeführt. Die Methanisierungseinrichtung 4 ist in diesem Fall geeignet zur Umsetzung des Biogases mit Wasserstoff ausgelegt, um das gewünschte Erdgassubstitut zu erzeugen. Wie auch in der Systemvariante von 5 ist ein Wärmetransportpfad 16 vorgesehen, über den Abwärme aus der Methanisierungseinrichtung 4 zur Biogasanlage 6c zwecks dortiger Nutzung transportiert werden kann.
Die in 7 gezeigte Systemvariante beinhaltet einen herkömmlichen Vergasungsreaktor 6d zur Vergasung von Biomasse 15, wozu in der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 durch den Elektrolyseprozess gewonnener Sauerstoff dem Vergasungsreaktor 6d zugeführt werden kann. Dort kann der Sauerstoff für eine autotherme Prozessführung der Vergasungsreaktion genutzt werden. Das vom Vergasungsreaktor 6d erzeugte, kohlenoxidhaltige Synthesegas wird in einem entsprechenden Synthesegastank 5b zwischengespeichert und von dort der Methanisierungseinrichtung 4 zugeführt, bei Bedarf nach entsprechender Gasreinigung. Die Methanisierungseinrichtung 4 ist in diesem Fall darauf ausgelegt, sowohl das Kohlendioxid als auch das Kohlenmonoxid, die im Synthesegas neben Wasserstoff enthalten sind, in Methan umzusetzen, wobei zusätzlich der Wasserstoff aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 genutzt wird.
8 veranschaulicht eine Systemvariante, die zusätzlich mit einer Tankstelleneinrichtung 17 ausgerüstet ist, die eine Fahrzeugbetankung wahlweise mit elektrischer Energie, Wasserstoff oder Erdgassubstitut ermöglicht. So lassen sich Elektrofahrzeuge (battery electric vehicle; BEV) an einem entsprechenden Stromanschluss auftanken, der an das Stromnetz 2 gekoppelt ist. An einem Wasserstoffanschluss lassen sich mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, z. B. Brennstoffzellenfahrzeuge (fuel cell electric vehicle; FCEV), mit Wasserstoff betanken, und an einem Gasanschluss lassen sich gasbetriebene Fahrzeuge (compressed natural gas vehicle; CNG-V) mit Erdgassubstitut betanken. Dabei lassen sich alle drei Arten der Energiebetankung auf die regenerativ erzeugte elektrische Energie zurückführen, d. h. die Fahrzeuge werden vollständig durch erneuerbare Energien gespeist. Über einen entsprechenden Kombinationsanschluss (plug-in HEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge betankt werden, die mit mehreren dieser drei Energieträger betrieben werden können.
Es versteht sich, dass die zu den einzelnen gezeigten Systemvarianten der 3 bis 8 jeweils erwähnten Komponenten in beliebiger Weise kombinierbar sind. So kann z. B. die ORC-Anlage 13 von 3 auch bei den anderen Systemvarianten installiert sein, und statt nur einer Kohlenoxidquelle können in entsprechenden weiteren Systemvarianten mehrere der erwähnten Kohlenoxidquellen 6, 6a bis 6d parallel vorgesehen sein.
Die Methanisierungseinrichtung 4 ist für eine jeweils optimale Umsetzung des zugeführten Kohlenoxidgases mit dem zugeführten Wasserstoff ausgelegt. Mit Ausnahme der Systemvariante von 7 wird CO₂ als Kohlenoxidgas zugeführt. In diesen Fällen erfolgt die Umsetzung über die insgesamt stark exotherme Kohlendioxid-Hydrierungsreaktion

4H₂ + CO₂ ⇌ CH₄ + 2H₂O ΔH_R = –164.9 kJ/mol
Diese ist über die endotherme Retro-Shiftreaktion

H₂ + CO₂ ⇌ CO + H₂O ΔH_R = 41.5 kJ/mol

mit der CO-Methanisierungsreaktion

3H₂ + CO ⇌ CH₄ + H₂O ΔH_R = –206.4 kJ/mol

gekoppelt. Eine solche Methanisierung eines weitestgehend aus CO₂ bestehenden Gases ohne höheren CO-Anteil bedarf einer geeigneten Prozessführung und Reaktorauslegung. Im Fall des Einsatzes eines Biomasse-Vergasungsreaktors, wie bei der Systemvariante von 7, ist die Methanisierungseinrichtung 4 auf die Methanisierung des erzeugten Synthesegases ausgelegt.
In allen erwähnten Varianten beinhaltet das Energieversorgungssystem eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Gesamtsystems, die in einer an sich herkömmlichen Weise als System- bzw. Anlagensteuerung implementiert sein kann und daher hier nicht näher gezeigt ist und nachfolgend nur mit ihren hier interessierenden, charakteristischen Steuerungs-/Regelungsfunktionalitäten erläutert wird.
Die in der Steuerungseinrichtung implementierte Systemsteuerung basiert zunächst auf herkömmlichen Stromnetzsteuerungsmaßnahmen, wie der Einteilung in Grundlast, Mittellast und Spitzenlast des Stromnetzes 2. Zusätzlich werden die regenerativen Stromerzeuger in solche vom fluktuierenden Typ, wie Wind- und Photovoltaikanlagen, und solche vom steuerbaren Typ unterschieden, wie Biogasanlagen, Wasserkraftanlagen, Geothermiekraftwerke und Meeresenergiekraftwerke. Für einen stabilen Betrieb des Stromnetzes 2 ist sogenannte Regelleistung bzw. Leistungsreserve notwendig, um unerwartete Ungleichgewichte zwischen Bedarf und Erzeugung elektrischer Energie auszugleichen und dabei die Netzfrequenz in jedem Fall innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs zu halten. Positive Regelleistung wird benötigt, wenn die Stromerzeugungsleistung unerwartet abfällt und/oder die Last, d. h. Verbrauchsleistung, unerwartet ansteigt. Negative Regelleistung wird z. B. benötigt, wenn leistungsstarke Verbraucher kurzzeitig ausfallen. Mit zunehmendem Anteil regenerativer Stromerzeuger mit fluktuierendem Stromangebot steigt der Bedarf an Regelleistung.
Die für das vorliegende Energieversorgungssystem ausgelegte Steuerungseinrichtung ermittelt zunächst als Vorausabschätzung die sogenannte residuale Last als denjenigen Strombedarf, der voraussichtlich nicht durch die fluktuierenden regenerativen Stromerzeuger, wie Windenergie- und Photovoltaikanlagen, gedeckt werden kann. Für diese Prognose können standardisierte Lastprofile des zu erwartenden Strombedarfs einerseits und Vorhersagen über die zu erwartende Einspeisungsleistung der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung z. B. unter Berücksichtigung von Wetterdaten verwendet werden. Die residuale Last wird über den Tagesverlauf hinweg in verschiedene Zeitzonen mit Zeiträumen hoher residualer Last, niedriger residualer Last und mittlerer residualer Last unterteilt. In den Zeiträumen mit niedriger residualer Last steuert die Steuerungseinrichtung die betroffenen Systemkomponenten so, dass regenerativ erzeugte elektrische Energie als Erdgassubstitut gespeichert wird, d. h. die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 und die Methanisierungseinrichtung 4 werden aktiviert bzw. in ihrer Erzeugungsleistung angehoben. In Zeiträumen hoher residualer Last bleiben die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 und die Methanisierungseinrichtung 4 deaktiviert oder in einem Zustand reduzierter Leistung, und die Gasverstromungseinrichtung 10 wird aktiviert, um zwischengespeichertes Erdgassubstitut rückzuverstromen und dadurch zusätzlich elektrische Energie bereitzustellen. In den Zwischenzeiten kann je nach Bedarf und Anwendungsfall die regenerativ erzeugte elektrische Energie direkt genutzt oder in Teilauslastung der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 und der Methanisierungseinrichtung 4 partiell zur Erzeugung von Erdgassubstitut herangezogen werden. Mit diesen Steuerungs- bzw. Regelungsmaßnahmen lassen sich die tageszeitlichen Schwankungen der residualen Last signifikant reduzieren und dadurch die Einspeisung aus fluktuierenden regenerativen Stromerzeugern verstetigen. Mit diesen Maßnahmen wird gewährleistet, dass die Netzstabilität und Versorgungssicherheit des Stromnetzes 2 durch den vermehrten Einsatz von fluktuierenden regenerativen elektrischen Energieerzeugern nicht beeinträchtigt werden.
Zur Bereitstellung positiver Regelleistung wird die Gasverstromungseinrichtung 10 aktiviert. Alternativ oder zusätzlich wird die Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 temporär abgeschaltet oder in ihrer Leistung reduziert. Zur Bereitstellung negativer Regelleistung wird die Leistungsabnahme der Wasserstofferzeugungseinrichtung 3 hochgefahren.
Der stromwandelnde Systemteil 9 kann je nach Bedarf und Anwendungsfall unterschiedlich betrieben werden. Eine Möglichkeit besteht darin, in einem Dauerbetrieb einen gewissen Teil der regenerativ erzeugten elektrischen Energie permanent in Erdgassubstitut zu wandeln. Eine andere Möglichkeit besteht in einem Blockbetrieb, bei dem die Wasserstofferzeugungseinrichtung nur in Zeiträumen niedriger residualer Last aktiv ist. Im Dauerbetrieb wird ein Teil der Leistung der regenerativen Stromerzeuger für die Wasserstofferzeugung vorgehalten. Das kontinuierlich erzeugte Erdgassubstitut kann als Regelenergie dem Gasnetz 7 entnommen werden, und es kann sowohl positive als auch negative Regelenergie im Sekundenbereich bereitgestellt werden. Dies ist einer hohen Auslastung der Methanisierungseinrichtung 4 und damit einer hohen Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems förderlich. Im Blockbetrieb kann beispielsweise im Fall einer Windkraftanlage bei hohem Windaufkommen und geringem Strombedarf die überschüssige Windenergie in Erdgassubstitut gewandelt und im Gasnetz 7 zwischengespeichert werden. In Zeiträumen mit geringem Windaufkommen und hoher Stromnachfrage kann die so zwischengespeicherte Energie wieder rückverstromt werden.
Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, ermöglicht das erfinderungemäße Energieversorgungssystem eine Kopplung eines Strom- und eines Gasnetzes mit der Möglichkeit einer Speicherung großer Mengen an regenerativ erzeugter elektrischer Energie in Form von Erdgassubstitut im Gasnetz. Dabei lassen sich Stromspeicherwirkungsgrade von bis zu ca. 45% erzielen. Als weitere Option kann ansonsten ungenutztes Kohlendioxid genutzt werden. Das Energieversorgungssystem lässt sich so betreiben, dass trotz vermehrtem Einsatz von regenerativen Stromerzeugern mit merklich fluktuierendem Leistungsangebot die Netzstabilität und Versorgungssicherheit des Stromnetzes nicht beeinträchtigt werden.
Alternativ zu den obigen Varianten mit Rückverstromung eignet sich das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem bei Bedarf auch für eine reine Methanerzeugung. Das regenerativ synthetisierte Methan wird in diesem Fall statt einer Rückverstromung einer anderen üblichen Nutzung zugeführt, so dass die Verstromungseinrichtung dann nicht zwin gend erforderlich ist. In dieser Variante eignet sich das System z. B. als Stand-alone-System zur reinen Methanerzeugung in entlegenen Regionen.

Claims

Energieversorgungssystem mit – einer Stromerzeugungseinrichtung (1) zur regenerativen Erzeugung von in ein Stromversorgungsnetz (2) einspeisbarer elektrischer Energie, – einer Wasserstofferzeugungseinrichtung (3) zur Wasserstofferzeugung unter Verwendung von elektrischer Energie der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung und – einer Methanisierungseinrichtung (4) zur Umwandlung von durch die Wasserstofferzeugungseinrichtung erzeugtem Wasserstoff und einem zugeführten Kohlenoxidgas in ein methanhaltiges, in ein Gasversorgungsnetz (7) einspeisbares Gas.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verstromungseinrichtung (10) zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Gas aus dem Gasversorgungsnetz.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Stromerzeugungseinrichtung eine oder mehrere Windkraftanlagen (1a) und/oder eine oder mehrere Photovoltaikanlagen (1b) und/oder ein oder mehrere Geothermiekraftwerke und/oder ein oder mehrere Biomassekraftwerke und/oder ein oder mehrere Wasserkraftwerke und/oder ein oder mehrere Solarthermiekraftwerke umfasst.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Gaseinspeisungseinrichtung (11) zur Einspeisung von Wasserstoff und/oder Zusatzgas und/oder Austauschgas in das Gasversorgungsnetz unter Verwendung des me thanhaltigen Gases aus der Methanisierungseinrichtung und/oder des Wasserstoffs aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen von Kohlendioxid zu der Methanisierungseinrichtung aus einem Kohlendioxid abgebenden Kraftwerk.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen eines kohlendioxidhaltigen Gases zu der Methanisierungseinrichtung aus einer Biogasanlage.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel zur Wärmeübertragung von der Methanisierungseinrichtung zur Biogasanlage.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Zufuhr eines von der Biogasanlage gewonnenen Erdgassubstituts zum Gasversorgungsnetz.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel zur Zufuhr von kohlenoxidhaltigem Synthesegas aus einer Biomasse-Vergasungsanlage zur Methanisierungseinrichtung.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine ORC-Anlage (13) zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Abwärme der Methanisierungseinrichtung.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Tankstelleneinrichtung (17) zur Versorgung von Fahrzeugen mit von der Wasserstofferzeugungseinrichtung erzeugtem Wasserstoff und/oder mit von der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung erzeugter elektrischer Energie und/oder mit von der Methanisierungseinrichtung erzeugtem Erdgassubstitut.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 11, gekennzeichnet durch ein Stromnetz (2), an das die regenerative Stromerzeugungseinrichtung, die Wasserstofferzeugungseinrichtung und die Verstromungseinrichtung angekoppelt sind, und/oder ein Gasversorgungsnetz (7), an das die Methanisierungseinrichtung und die Verstromungseinrichtung angekoppelt sind.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Gasspeicher (8), der an das Gasversorgungsnetz angekoppelt ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung, die dafür eingerichtet ist, die Aufnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem zeitabhängigen Leistungsbedarf des Stromnetzes variabel einzustellen.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung in Zeiträumen mit erhöhtem Erzeugungsleistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes eine reduzierte Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder eine erhöhte Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung einstellt und/oder in Zeiträumen mit verringer tem Erzeugungsleistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes eine erhöhte Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder ein reduzierte Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung einstellt.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem prognostizierten Leistungsbedarfsprofil des Stromversorgungsnetzes und/oder eines prognostizierten Stromerzeugungsleistungsprofils der regenerativen Stromerzeugungseinrichtung einstellt.
Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem zeitabhängigen Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes variabel eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Zeiträumen mit erhöhtem Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes eine verringerte Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder eine erhöhte Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung eingestellt wird und/oder in Zeiträumen mit verringertem Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes eine erhöhte Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder eine reduzierte Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahmeleistung der Wasserstofferzeugungseinrichtung und/oder die Einspeiseleistung der Verstromungseinrichtung in Abhängigkeit von einem prognostizierten Leistungsbedarfsprofil des Stromversorgungsnetzes und/oder eines prognostizierten Stromerzeugungsleistungsprofils der Stromerzeugungseinrichtung eingestellt wird.