DE102011108065A1

DE102011108065A1 - Verfahren zur energetischen Nutzung von Brenngasen

Info

Publication number: DE102011108065A1
Application number: DE102011108065A
Authority: DE
Inventors: Axel Hirsch; Thorsten Hammerschmidt; Dr.-Ing. Gaul Armin
Original assignee: RWE AG
Current assignee: RWE AG
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Biogas, umfassend die Entschwefelung des Biogases, die Herstellung von Gashydrat unter Verwendung des Biogases, die Speicherung des Brenngases in Form von Gashydrat, die Rückvergasung des Gashydrats, sowie die energetische Umsetzung des Brenngases in einer Gasturbine und/oder einem Gasmotor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Brenngasen, welche bei einem Druck von bis zu 2 bar vorliegen oder anfallen.
Als solche Brenngase wären beispielsweise Biogas, Hüttengas oder dergleichen zu nennen. Biogase und Hüttengase werden häufig in unmittelbarer Nähe ihrer Erzeugung verwertet, da diese Gase auf einem verhältnismäßig niedrigen Druckniveau anfallen und zwecks Speicherung und/oder Einspeisung in ein Gasnetz verhältnismäßig hoch verdichtet und aufbereitet werden müssen. Die Verdichtung oder Aufbereitung von Gas zwecks Einspeicherung und/oder Einspeisung in ein Gasnetz erfordert Verdichterleistung, was zu Lasten des Wirkungsgrads der energetischen Umsetzung geht.
Grundsätzlich ist eine Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz bekannt. Häufig wird jedoch zu Biomethan aufbereitetes Biogas wie Erdgas, als Kraftstoff benutzt oder in Blockheizkraftwerken verwendet. Insbesondere die Abwärmenutzung von Blockheizkraftwerken ist im Hinblick auf eine ausgeglichene CO₂-Bilanz besonders vorteilhaft.
Auch ist die Verflüssigung von Biogas bekannt, welches in landwirtschaftlichen Biogasanlagen dezentral erzeugt wird.
Bei der dezentralen Erzeugung von Biogas ist derzeit die bevorzugte Absatzform die direkte Verstromung mit Hilfe eines Blockheizkraftwerks. Eine Speicherung von Biogas wird nur in verhältnismäßig geringem Umfang betrieben. Zur Speicherung werden üblicherweise Doppelmembran- und Röhrenspeicher eingesetzt. Doppelmembranspeicher stehen nur unter minimalem Druck, so dass nur verhältnismäßig geringe Gasmengen gespeichert werden können. Röhrenspeicher werden mit Drücken bis zu 200 bar betrieben, allerdings sinkt der Wirkungsgrad der Energieerzeugung wegen der hierzu benötigten Kompressorleistung und des erforderlichen Aufwandes für die Gasaufbereitung. insbesondere im Biogas ist ein hoher Anteil an Kohlendioxid enthalten, durch den die Effizienz der bekannten Speicher weiterhin herabgesetzt wird. Eine Abscheidung von Kohlendioxid ist verhältnismäßig energieaufwändig.
Durch einen im Markt zunehmenden Anteil sog. volatiler Energie aus der Solarstromerzeugung oder aus Windkraftanlagen konkurrieren die Energieformen Biogas/Solarenergie/Windenergie in zunehmendem Maße miteinander. Da die Einspeisung volatiler Energieformen Vorrang haben sollte, ist teilweise eine Speicherung oder anderweitige Verwendung von Biogas erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Brenngasen bereitzustellen, welches die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet und insbesondere eine flexiblere Nutzung des Brenngases ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Brenngasen, welche bei einem Druck von bis zu 2 bar vorliegen oder anfallen, umfassend die Herstellung von Gashydrat unter Verwendung des Brenngases, die Speicherung des Brenngases in Form von Gashydrat, die Rückvergasung des Gashydrats sowie die energetische Umsetzung des Brenngases zwecks Strom- und/oder Wärmeerzeugung.
Die Erzeugung von Gashydrat bietet die Möglichkeit, einen effizienten Niederdruckspeicher für große Gasvolumina auf kleinstem Raum bereitzustellen. Es ist beispielsweise ohne größeren energetischen Aufwand möglich, Methan in Wasser bei Drücken um 20 bar und Temperaturen um den Gefrierpunkt zu lösen. Das dabei erhaltene Methanhydrat ist ein sehr effizienter Speicher für Methan. 1 m³ Hydrat umfasst dabei ca. 164 m³ Methan und 0,8 m³ Wasser.
Derartige Gashydrate werden beispielsweise auch als Clathrate bezeichnet. Dabei handelt es sich Einschlussverbindungen zweier Stoffe, in die ein Gastmolekül in ein Gitter oder einen Käfig aus einem Wirtsmolekül eingelagert ist. Einschlussverbindungen von gasförmigen Stoffen in Wasser werden auch als Gashydrate bezeichnet. Das Stoff/Mengen-Verhältnis Gas/Wasser beträgt zwischen 6 und 8:48.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Herstellung von Methanhydrat aus Biogas vorgesehen.
Das Verfahren kann beispielsweise das Stückigmachen des Gashydrats in Form von Barren oder Pellets umfassen, die dann in einem geeigneten Isolierbehälter oder einem entsprechend abgedichteten Eiskeller gespeichert werden. Solche Methanhydrate/Gashydrate sind in der Regel bei Atmosphärendruck und verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Eiskellerlagerbedingungen vorherrschen, durchaus stabil. Eine Regasifizierung kann beispielsweise durch leichte Erwärmung des Gashydrats erfolgen.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung umfasst dieses die Herstellung von Gashydrat durch Verdichtung, Entspannung und Vermischung des Brenngases mit Wasser bei niedrigen Temperaturen in wenigstens einem Reaktor.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Brenngas bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und unter Druck in einen Reaktor eingedüst und dabei mit Wasser gemischt wird.
Um die Hydratbildung einzuleiten und/oder zu beschleunigen, kann vorgesehen sein, zusätzlich in den Reaktor Impfkristalle als Kristallisationskeime einzubringen.
Wenn Biogas in Methanhydrat umgesetzt werden soll, wird das Biogas vorzugsweise vor dessen Umwandlung in ein Hydrat entschwefelt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, die Temperatur des Brenngases bei der Gashydratherstellung über eine Druckentlastung zu steuern. Das heißt, dass beispielsweise das Gas zunächst verdichtet wird und über Düsen des Reaktors so entspannt wird, dass eine Temperatursenke durch die Druckentlastung des Gasgemischs derart erzeugt wird, dass dies die Methanhydrat-/Gashydratbildung begünstigt bzw. einleitet.
Bei einer zweckmäßigen Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brenngas nach Regasifizierung des Methanhydrats in wenigstens einem Gasmotor oder einer Gasturbine umgesetzt wird.
Abgesehen davon, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in besonders vorteilhafter Art und Weise Energie gespeichert werden kann, wenn beispielsweise der Stromeinspeisung von Strom aus volatilen Energiequellen der Vorrang gegeben wird, kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, die Erzeugung von Gashydrat unter Verwendung von Strom aus regenerativer Energie bzw. aus volatilen Energiequellen durchzuführen. Beispielsweise kann zunächst unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Strom synthetisches CH₄ erzeugt bzw. Biomethangas unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Strom zu CH₄ aufbereitet und dieses dann als Gashydrat gespeichert werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit wenigstens einem Gasmotor und/oder wenigstens einer Gasturbine, wenigstens einem Windkraftgenerator und/oder wenigstens einem Solarstromerzeuger, mit wenigstens einem Gashydratreaktor zur Erzeugung von Gashydrat sowie mit wenigstens einem Gashydratspeicher, umfassend die Erzeugung von Gashydrat mittels Wind- und/oder Solarstrom, das Erzeugen und Speichern von Gashydrat, insbesondere zu Schwachlastzeiten, sowie die Rückvergasung des Gashydrats und die energetische Umsetzung des rückvergasten Brenngases, insbesondere zu Starklastzeiten und/oder in Ermangelung von Wind- und/oder Solarstrom.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Gaskraftwerk, umfassend wenigstens einen Gasmotor und/oder eine Gasturbine, wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gashydrat, wenigstens einen Speicher für Gashydrat sowie wenigstens eine Vorrichtung zur Rückvergasung von Gashydrat.
Die Rückvergasung von Gashydrat kann beispielsweise in einem entsprechenden Reaktionsraum/Reaktionsbehälter unter leichter Erwärmung vollzogen werden. Der Reaktionsbehälter ist zweckmäßigerweise hermetisch abgeschlossen und mittels eines Ventils oder einer Ventilanordnung anzapfbar. Eine Erwärmung des Gashydrats innerhalb des Behälters hat einen Druckanstieg zur Folge, das unter Überdruck stehende Gas kann beispielsweise in einer Gasturbine oder einem Gasmotor energetisch umgesetzt werden.
Als Vorrichtung zur Erzeugung von Gashydrat ist zweckmäßigerweise wenigstens ein Reaktor mit Mitteln zur Expansion von Gas in einer wässrigen Lösung vorgesehen.
Das Gaskraftwerk kann beispielsweise wenigstens einen Speicherraum oder ein Speicherbehältnis für Gashydrat umfassen.
Als Speicherbehältnis kann ein Eiskeller vorgesehen sein, der beispielsweise mit einer gasdichten Auskleidung oder Hülle versehen ist.
Die Erfindung adressiert das Speicherproblem von Brenngas unter verhältnismäßig niedrigem Druck, beispielsweise von Biogas oder Hüttengas oder ggf. auch Erdgas, durch die Erzeugung von Gashydrat und dessen Lagerung in einem entsprechenden Speicherbehältnis oder Speicherraum. Dadurch wird der hohe Platzbedarf einer Niederdruckspeicherung sowohl als auch ein entsprechend hoher Energieaufwand bei Druckspeicherung vermieden.
Soweit die Erfindung die Herstellung von Methanhydrat aus Roh-Biogas umfasst, ist vorgesehen, dass das Roh-Biogas zunächst entschwefelt wird. Das entschwefelte Roh-Biogas enthält noch nennenswerte Mengen an Kohlendioxid. Methan und Kohlendioxid bleiben in Mischung. Diese Mischung wird einem Methanhydrattransformer bzw. Methanhydratreaktor unter Druck bei Temperaturen um den Gefrierpunkt aufgegeben, wobei das Gas durch Düsen gepresst und fein verteilt mit Wasser gemischt wird. Bei diesem Vorgang bildet sich Methanhydrat und Kohlendioxid geht in Lösung. Durch die Steuerung der Druckentlastung des Gasgemischs wird eine Temperaturregelung erreicht, die die Steuerung der Hydratbildung erlaubt. Anschließend wird das Methanhydrat mechanisch von einem beweglichen Sieb oder einem Filterstoff in einen Sammelbehälter befördert und von dort beispielsweise mittels einer geeigneten Presse in Barren oder Pellets geformt. Alternativ wird es bei geringer fester (breiiger) Konsistenz in geeignete Behältnisse gefüllt. Das Wasser wird zur Abreicherung des Kohlendioxids umgewälzt und aus einem druckbehafteten Teil der Anlage über einen Wärmetauscher in einen drucklosen Behälter gepumpt, um dort CO₂ ausscheiden zu können. Anschließend kann das Wasser wieder in den Kreislauf eingebracht werden.
Die auf diese Art und Weise hergestellte Hydratmasse, beispielsweise in Form von Hydratpellets oder Hydratbarren werden in einen isolierten Raum mit einer gasdichten Hülle eingebracht. Ein solcher Raum kann beispielsweise in Form eines an und für sich bekannten Eiskellers ohne zusätzliche Kühlung vorgesehen sein. Aufgrund einer langsamen Erwärmung und Druckreduzierung ausgasenden Methans wird über ein Ventil wahlweise Gas abgezogen und einem Verstromungsprozess in einem Blockheizkraftwerk zugeführt. Der Energiebedarf eines Methanhydrattransformers/Methanhydratreaktors kann beispielsweise über Solarstrom oder Windstrom gedeckt werden.
Ein Eiskeller mit den Maßen 4 × 8 × 2 m kann beispielsweise 64 m³ Hydrat und damit das Äquivalent von ca. 10.000 m³ Gas lagern.
Für eine systematische Rückvergasung des Methanhydrats wird die gewünschte Menge Hydrat mit einem normalen Transportgerät in einen leicht beheizbaren Kessel eingebracht, wobei durch Erwärmung das Gas ausgetrieben wird. Neben einer Temperaturerhöhung kann beispielsweise auch eine Druckreduzierung und eine mechanische Behandlung des Hydrats zur Regasifizierung benutzt werden. Beispielsweise kann das Methanhydrat in einem Brechwerk weiter zerkleinert werden, wodurch der Ausgasungsprozess beschleunigt wird. Bei einer teigigen bis breiigen Konsistenz des Methanhydrats kann dieses in einem Rührwerk durchgemischt werden. Das verbleibende Wasser kann dann dem Prozess wieder zugeführt werden.

Claims

Verfahren zur energetischen Nutzung von Brenngasen, insbesondere von Brenngasen, welche bei einem Druck von bis zu etwa 2 bar vorliegen und/oder anfallen, umfassend die Herstellung von Gashydrat unter Verwendung des Brenngases, die Speicherung des Brenngases in Form von Gashydrat, die Rückvergasung des Gashydrats sowie die energetische Umsetzung des Brenngases zwecks Strom- und/oder Wärmeerzeugung.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Herstellung von Methanhydrat aus Biogas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Stückigmachen des Gashydrats in Form von Barren oder Pellets.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung des Gashydrats in einem Isolierbehälter oder in einem Eiskeller erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Herstellung von Gashydrat durch Verdichtung, Entspannung und Vermischung des Brenngases mit Wasser bei niedrigen Temperaturen in wenigstens einem Reaktor.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas bei Temperaturen um den Gefrierpunkt unter Druck in einen Reaktor eingedüst und dabei mit Wasser gemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktor Impfkristalle als Kristallisationskeime eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas vor dessen Umsetzung in Methanhydrat entschwefelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brenngases bei der Gashydratherstellung über eine Druckentlastung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas in wenigstens einem Gasmotor oder einer Gasturbine umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Erzeugung von Gashydrat unter Nutzung von Strom aus regenerativer Energie bzw. aus volatilen Energiequellen erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit wenigstens einem Gasmotor und/oder wenigstens einer Gasturbine, wenigstens einem Windkraftgenerator und/oder wenigstens einem Solarstromerzeuger, mit wenigstens einem Gashydratreaktor zur Erzeugung von Gashydrat sowie mit wenigstens einem Gashydratspeicher, umfassend die Erzeugung von Gashydrat mittels Wind- und/oder Solarstrom, das Erzeugen und Speichern von Gashydrat insbesondere zu Schwachlastzeiten sowie die Rückvergasung des Gashydrats und Umsetzung von Brenngas aus rückvergastem Gashydrat, insbesondere zu Starklastzeiten und/oder in Ermangelung von Wind- und/oder Solarstrom.
Gaskraftwerk, umfassend wenigstens einen Gasmotor und/oder eine Gasturbine, wenigstens eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gashydrat, wenigstens einen Speicher für Gashydrat sowie wenigstens eine Vorrichtung zur Rückvergasung von Gashydrat.
Gaskraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zur Erzeugung von Gashydrat wenigstens ein Reaktor mit Mitteln zur Expansion von Gas in einer wässrigen Lösung vorgesehen ist.
Gaskraftwerk nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch wenigstens einen Speicherraum oder ein Speicherbehältnis für Gashydrat.
Gaskraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Speicherbehältnis wenigstens ein Eiskeller vorgesehen ist.
Gaskraftwerk nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum mit einer gasdichten Auskleidung versehen ist.