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DE102017008577A1 - Verfahren zur Speicherung von aus fossiler Kohle oder beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff - Google Patents

Verfahren zur Speicherung von aus fossiler Kohle oder beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von aus fossiler Kohle oder beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff. Ein bekanntes Verfahren zur Energiegewinnung aus Kohle ist ein herkömmliches Dampfkraftwerk. Das vorgestellte Verfahren erweitert ein Dampfkraftwerk um einen Kohlevergaser, welcher mit fossiler Kohle oder aus mittels vorgelagerter Hydrothermaler Karbonisierung aus Biomasse hergestellter Braunkohle betrieben wird. Das Kohlenmonoxid der entstehenden Vergasungsprodukte wird über eine Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion mit Wasser zu Wasserstoff umgesetzt, das nach optionaler Abtrennung letztlich in einem Gasspeicher gespeichert wird. Das Verfahren hat den Vorteil sowohl konventionell als auch regenerativ betrieben werden zu können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von aus fossiler Kohle oder beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff.
  • Stand der Technik
  • Vom Erfinder wurde bereits eine Patentanmeldung eingereicht, die eine Kombination eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung aus Kohle oder, durch vorgelagerte Hydrothermalen Karbonisierung, aus beliebiger Biomasse, mit optionaler Methanolherstellung zum Inhalt hat. Dieses Kraftwerkskonzept kann regenerativ mit vorgelagerter Hydrothermaler Karbonisierung aus beliebiger Biomasse oder konventionell mit fossiler Kohle betrieben werden. Dabei erzeugt die Kohlevergasung einerseits die notwendige Wärme, um ein angeschlossenes Dampfkraftwerk zur Stromproduktion zu betreiben, und andererseits als Abgas eine Kombination von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, von dem letzteres mittels einer Wassergas-Shift-Reaktion zu weiterem Wasserstoff umgewandelt wird. Der hergestellte Wasserstoff wird mittels eines Wasserstoffmotors und eines damit betriebene Stromgenerator einerseits zu elektrischem Strom umgewandelt und andererseits die entstehende Abgaswärme des Wasserstoffmotors zur Vorerhitzung des Speisewassers des Dampfkraftwerks genutzt.
  • Aufgabenstellung
  • Diese Kombination eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung zielt einzig auf die Erzeugung von elektrischem Strom ab. Im Hinblick auf einen künftigen verstärkten Bedarf an Wasserstoff, gerade im Mobilitätsbereich, und dem Ziel einer Energiewende aus regenerativen Ausgangsmaterialen bei gleichzeitigem fortschreitenden Ausbau der regenerativen Stromproduktion stellt die Speicherung von Wasserstoff zur weiteren Verwendung eine große Herausforderung der nächsten Jahre dar.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde sowohl regenerativ als auch konventionell hergestellten Wasserstoff zu speichern, anstatt ihn komplett zu elektrischem Strom umzuwandeln. Das im ersten Verfahrensteil vorgeschlagene Oxidieren von Kohlenstoff, die Nutzung der entstandenen Vergasungswärme in einem Dampfkraftwerk und die Umsetzung von Kohlenmonoxid unter Wasserzugabe in einer Wassergas-Shift-Reaktion soll dabei beibehalten werden, allerdings mit dem Ziel der Wasserstoffspeicherung.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im gekennzeichneten Teil der Patentansprüche 1 bis 2 angegebenen Merkmale gelöst. Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass die Speicherung von Wasserstoff anstelle der vollständigen Verstromung in einer künftige Wasserstoffwirtschaft kostengünstig als Nebenprodukt eines Dampfkraftwerks und mittels vorgelagerter Hydrothermaler Karbonisierung regenerativ möglich wird.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Allgemeine Beschreibung
  • Den Hauptbestandteil der Erfindung bilden ein Reaktor zu Kohlevergasung, ein Dampfkraftwerk, eine Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion und eine Vorrichtung zur Gasspeicherung. Je nach verwendetem Vergasungsreaktor muss die fossile Kohle in einem vorgelagertem Anlagenteil zu einer gewissen Körnigkeit zerkleinert werden. Bei regenerativem Betrieb aus beliebiger Biomasse muss diese in einem vorgelagertem Anlagenteil in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren oder einem diskontinuierlichen Batchverfahren einer Hydrothermalen Karbonisierung unterzogen werden und wird optional, je nach verwendetem Vergasungsreaktor, mit der Reaktionswärme aus der Hydrothermalen Karbonisierung vor der Vergasung getrocknet. Anschließend wird die zerkleinerte Kohle, der aus Biomasse entstandene Braunkohle-Wasser-Slurry oder der getrocknete Braunkohle-Wasser-Slurry in einem Vergasungsreaktor mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff vergast. Idealtypisch entsteht hierbei hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch schnelle Oxidation. Die zu kühlenden Produkte dieses Prozesses erhitzen das Speisewasser im Kessel des Dampfkraftwerks zur Produktion von elektrischem Strom. Das entstehende Kohlenmonoxid des abgekühlte Produktgases des Kohlevergasers wird nun mittels einer Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion in Wasserstoff umgesetzt.
  • Letztlich wird das entstandene Gasgemisch mit hauptsächlich Wasserstoff in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung gespeichert oder mittels einer weiteren Teilanlage der Wasserstoff von den restlichen Gasen getrennt und dann in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung gespeichert.
  • Beispiel
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau des Verfahrens zur Speicherung von aus beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff mittels vorgelagerter Teilanlage zur Hydrothermaler Karbonisierung im kontinuierlichen Durchlaufverfahren, der Trocknung des erzeugten Braunkohle-Wasser-Slurrys, eines Kohlevergasers mit angekoppeltem Dampfkraftwerk, einer Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion, einer Teilanlage zur Extraktion des Wasserstoffs aus den Produktgasen und anschließender Speicherung ebendieses.
  • Die Biomasse (1) wird dem Anlagenteil zur Hydrothermalen Karbonisierung (2) zugeführt und nach anfänglichem Beheizen mittels exothermer Reaktion in einen Braunkohle-Wasser-Slurry umgewandelt. Die freiwerdende Wärme wird über eine Wärmekopplung (3) zur anschließenden Trocknung des Braunkohle-Wasser-Slurry (4) verwendet. Darauf wird der getrocknete Braunkohle-Wasser-Slurry im Kohlevergasungsreaktor (5) mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff unter Energieabgabe unter anderem zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff vergast. Die freiwerdende Wärmeenergie wird dem Heizkessel des Dampfkraftwerksteils (6) zugeleitet. Das dort erhitzte/verdampfte Speisewasser treibt eine oder mehrere Turbinen zur Stromproduktion an. Die Erhitzung des Speisewassers mit den Vergasungsprodukten kühlt diese und diese werden einer Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion (7) zugeführt, in der das neben Wasserstoff unter anderem erzeugte Kohlenmonoxid zu weiterem Wasserstoff umgesetzt wird. Vom entstandene Gasgemisch wird hiernach in einer Teilanlage (8) der Wasserstoff von den übrigen Gasen abgetrennt und letztlich in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung (9) gespeichert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Biomassezufuhr
    2
    Teilanlage zur kontinuierlichen Hydrothermalen Karbonisierung der Biomasse
    3
    Wärmekopplung zwischen Teilanlage Hydrothermaler Karbonisierung und Teilanlage Trocknung des Braunkohle-Wasser-Slurry
    4
    Teilanlage zur Trocknung des Braunkohle-Wasser-Slurry
    5
    Kohlevergasungsreaktor
    6
    Angekoppeltes Dampfkraftwerk
    7
    Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion
    8
    Teilanlage zur Wasserstoffabtrennung
    9
    Gasspeicher

Claims (2)

  1. Verfahren zur Speicherung von aus fossiler Kohle gewonnenem Wasserstoff, bestehend aus 1.1 einem Kohlevergasungsreaktor, insbesondere eines Koppers-Totzek-Reaktors 1.2 eines thermisch daran angekoppeltem Dampfkraftwerks zur Stromproduktion 1.3 einer Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion 1.4 einer Vorrichtung zur Gasspeicherung gekennzeichnet dadurch, dass 1.5 die energetisch zu nutzende Kohle, die vorab optional auf die benötigte Körnung zerkleinert wird, im Kohlevergasungsreaktor nach 1.1 mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff vergast wird und die Reaktionswärme den Wasserkessel des Dampfkraftwerks nach 1.2 erhitzt und die entstehenden Reaktionsgase abkühlt 1.6 das Dampfkraftwerk Strom produziert 1.7 das durch die Vergasung nach 1.5 neben unter anderem Wasserstoff hauptsächlich entstehende Kohlenmonoxid mit Wasser einer Wassergas-Shift-Reaktion nach 1.3 unterzogen wird 1.8 das entstehende Produktgas in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung nach 1.4 gespeichert wird oder mittels einer vorgelagerten Teilanlage zur Abtrennung des Wasserstoffs nur dieser in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung nach 1.4 gespeichert wird
  2. Verfahren zur Speicherung von aus beliebiger Biomasse gewonnenem Wasserstoff, bestehend aus 2.1 einer Teilanlage zur kontinuierlichen oder zur diskontinuierlichen Hydrothermalen Karbonisierung der Biomasse 2.2 einem Kohlevergasungsreaktor, insbesondere eines Koppers-Totzek-Reaktors 2.3 eines thermisch daran angekoppeltem Dampfkraftwerks zur Stromproduktion 2.4 einer Teilanlage zur Wassergas-Shift-Reaktion 2.5 einer Vorrichtung zur Gasspeicherung gekennzeichnet dadurch, dass 2.6 als Ausgangsmaterial beliebige Biomasse dient, welche im Durchlaufverfahren einer kontinuierlichen oder im Batchverfahren einer diskontinuierlichen Hydrothermalen Karbonisierung in einem Anlagenteil nach 2.1 unterworfen wird und die freiwerdende Reaktionswärme optional zur Trocknung des entstehenden Braunkohle-Wasser-Slurry verwendet wird 2.7 der entstandene Braunkohle-Wasser-Slurry oder der getrocknete Braunkohle-Wasser-Slurry im Kohlevergasungsreaktor nach 2.2 mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff vergast wird und die Reaktionswärme den Wasserkessel des Dampfkraftwerks nach 2.3 erhitzt und die entstehenden Reaktionsgase abkühlt 2.8 das Dampfkraftwerk Strom produziert 2.9 das durch die Vergasung nach 2.7 neben unter anderem Wasserstoff hauptsächlich entstehende Kohlenmonoxid mit Wasser einer Wassergas-Shift-Reaktion nach 2.4 unterzogen wird 2.10 das entstehende Produktgas in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung nach 2.5 gespeichert wird oder mittels einer vorgelagerten Teilanlage zur Abtrennung des Wasserstoffs nur dieser in einer Vorrichtung zur Gasspeicherung nach 2.5 gespeichert wird
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Title
Integrated Gasification Combined Cycle. In Wikipedia, Die freie Enzyklopädie vom 02.09.2014. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Integrated_Gasification_Combined_Cycle&oldid=168698752 [abgerufen am 19.04.2018] *

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