DE10329941B3 - Process for recovering highly concentrated ethanol solutions from low concentrated ethanol solutions for storing wind energy as electrical energy comprises evaporating a low concentrated ethanol solution and removing the vapor produced - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung hochkonzentrierter Ethanollösungen durch Einsatz der aus Windenergie erzeugten elektrischen Energie, um die Windenergie als chemische Energie in Ethanollösungen zu speichern.The The invention relates to a method for obtaining highly concentrated ethanol solutions by using the electrical energy generated from wind energy, to use wind energy as chemical energy in ethanol solutions to save.
Die Verstetigung und Speicherung von Windenergie sowie deren Einsatz im größeren Maßstab ist z. Zt. mit großen Problemen verbunden. Wird durch Windenergie, insbesondere mittels der Offshore-Zechnologie Strom erzeugt, so muss die elektrische Energie an Land an die Verbraucher weitergeleitet werden. Auf Grund der hohen geplanten Leistungen stellt dies ein Verteilungsproblem dar. Bei Onshore-Anlagen besteht ferner das Problem der unstetigen Energienerzeugung auf Grund von Schwankungen der Windstärke. Werden nach wie vor konventionelle Kraftwerke zum Leistungsausgleich herangezogen, so ist dies mit Wirkungsgradeinbußen verbunden und führt zu einer sehr ungünstigen Gesamtenergiebilanz.The Consolidation and storage of wind energy and its use on a larger scale is e.g. Currently with large Problems connected. Is by wind energy, especially by means of of offshore technology generates electricity, so must the electrical Onshore energy is passed on to consumers. Because of The high planned output poses a distribution problem There is also the problem of discontinuous onshore plants Energy generation due to fluctuations in wind strength. Become conventional power plants are still used for power balancing, so this is associated with efficiency losses and leads to a very inconvenient Total energy balance.
Die Lösung wäre die Speicherung von Windenergie, um eine Verstetigung der Produktion zu erreichen. Mechanische Energie lässt sieh jedoch nur bei einer geringe Energiedichte speichern. Hierzu sind beispielsweise Druckluftspeicher vorgeschlagen worden. Dabei wird bei der Verdichtung und Expansion der Luft mehr als 50% der Windenergie in Verluste verwandelt. Außerdem werden größere Behälter bei hohem Druck benötigt. Ein weiterer Weg wäre die Verwandlung der mechanischen Energie in chemische Energie z. B, durch Elektrolyse. Auch hierbei wird ein nur sehr niedriger Wirkungsgrad in der Größenordnung von 10–15% erreicht. Da die mechanische Energie erst in elektrische, dann in die chemische und schließlich (z. B. mit Hilfe einer Brennstoffzelle) in elektrische Energie verwandelt werden muss.The solution would be that Storage of wind energy to stabilize production to reach. Mechanical energy can only be seen in one save low energy density. For this purpose, for example, compressed air storage been proposed. This involves compression and expansion the air turns more than 50% of wind energy into losses. Also be larger containers at high Pressure needed. Another way would be the transformation of mechanical energy into chemical energy e.g. B, by electrolysis. Here too, the efficiency is very low in the order of magnitude from 10-15% reached. Since the mechanical energy first in electrical, then in the chemical and finally (e.g. with the help of a fuel cell) converted into electrical energy must become.
Thermodynamisch lässt sich einfach zeigen, dass eine Speicherung von rein mechanischer Energie nicht effizient ablaufen kann. Ein Ausweg wäre die Kombination mit anderen Energiearten, z. E. Energie aus Biomasse. Hier können mechanische und chemische Energie miteinander "kombiniert" werden, um eine effiziente Energiespeicherung und ein wirtschaftlich vertretbarer Energietransport zu ermöglichen.thermodynamic let yourself simply show that storing purely mechanical energy cannot run efficiently. One way out would be to combine them with others Types of energy, e.g. E. Energy from biomass. Here mechanical and chemical "Combined" with each other to create an energy efficient energy storage and an economically justifiable To enable energy transportation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung hochkonzentrierter Ethanollösungen als Treib- oder Brennstoff mit Hilfe der aus Windenergie erzeugten elektrischen Energie zu schaffen, um die Windenergie als chemische Energie in Ethanollösungen zu speichern.The The invention has for its object a method for extraction highly concentrated ethanol solutions as propellant or fuel with the help of those generated from wind energy electrical energy to create wind energy as chemical Energy in ethanol solutions save.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.This The object is achieved by the method according to claim 1.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine niedrigkonzentrierte, in der Regel aus der Vergärung einer Biomasse stammende, Ethanollösung durch Energiezufuhr über mit Hilfe des Windstroms verdichteten Ethanol/Wasserdampf zum größten Teil (über 95%) zu verdampfen, den dabei beim niedrigen Druck entstehenden Dampf wiederum, durch Energiezufuhr über mit Hilfe des Windstroms verdichteten Ethanol/Wasser-Dampf und durch Rektifikation in eine ethanolreiche Dampfphase und eine abgereicherte flüssige Phase aufzutrennen, wobei die ethanolreiche Dampfphase (Ethanol/Wasser-Dampf) durch einen mit Windstrom oder Ethanollösung betriebenen Verdichter verdichtet und als Heizmittel für die Energiezufuhr der Verdampfung und der Rektifikation verwendet wird und nach Kondensation als hochkonzentrierte Ethanollösung vorliegt. Das Konzentrat aus der Verdampfung kann nach Abkühlung als Düngemittel verwendet werden. Die ethanolfreie Phase aus der Rektifikation wird vorteilhaft als Anmaischwasser in der vorausgegangenen Vergärung eingesetzt.The The essential idea of the invention is to provide a low-concentration, usually from fermentation a biomass-derived, ethanol solution by supplying energy with For the most part, ethanol / water vapor was compressed using wind power (over 95%) to evaporate the steam generated at low pressure in turn, through the supply of energy with the help of the wind current compressed ethanol / water vapor and through Rectification into an ethanol-rich vapor phase and a depleted one liquid Phase, whereby the ethanol-rich vapor phase (ethanol / water vapor) by a compressor operated with wind power or ethanol solution compressed and as a heating medium for used the energy supply of evaporation and rectification and is present as a highly concentrated ethanol solution after condensation. After cooling, the concentrate from the evaporation can be used as a fertilizer. The Ethanol-free phase from the rectification is advantageous as mashing water in the previous fermentation used.
Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in
Den Vergärungsbehältern B1, B2 und B3 werden die Rohstoffe R1 (Stärke- und zuckerhaltige Substanzen) und R2 (Wasser oder eine wässrige Lösung) zugeführt. Dort erfolgt die Vergärung unter anaeroben Bedingungen und mit Hilfe von Mikroorganismen. Nach der Vergärung entsteht eine wässrige Ethanollösung mit einer Konzentration von 8-13 Massen-%. Die niedrigkonzentrierte Ethanollösung F wird zunächst in einem Vorwärmer vorgewärmt und anschließend einem Verdampfer W2 zugeleitet. Hier verdampft die Ethanollösung zu mehr als 95% und gelangt als Dampfphase in die nachgeschaltete Rektifizierkolonne K. Das hierbei entstehende Konzentrat S1 verlässt den Verdampfer und kann nach Abkühlung als Düngemittel verwendet werden. In der Rektifizierkolonne K wird das als Dampfphase vorliegende Ethanol/Dampfwasser-Gemisch in ein hochkonzentriertes Kopfprodukt und ein abgereichertes Sumpfprodukt aufgetrennt. Die Konzentration des Kopfproduktes hängt vom Kolonnendruck und von den Temperaturen am Sumpf und am Kopf ab. Beim Atmosphärendruck kann im Kopfprodukt in Konzentration von ca. 96 Massen-% erreicht werden. Zum energetischen Betrieb der Kolonne wird der mit Ethanol hochkonzentrierte Dampf am Kopf der Kolonne durch einen Verdichter V angesaugt und auf einen höheren Druck verdichtet; dadurch nimmt auch die Sättigungstemperatur des Dampfes zu. So kann der verdichtete Dampf als Heizmittel verwendet werden. Hiervon dient ein Teilstrom PR1 zur Beheizung des Kolonnenverdampfers W3 am Sumpf der Kolonne, während der andere Teilstrom PR2 die Beheizung des vorgesehalteten Verdampfers W2 übernimmt. Beide Teilströme kondensieren durch Wärmeabgabe und werden in flüssiger Form im Vorratsbehälter B4 gesammelt.The fermentation tanks B1, B2 and B3 are supplied with raw materials R1 (substances containing starch and sugar) and R2 (water or an aqueous solution). There the fermentation takes place under anaerobic conditions and with the help of microorganisms. After fermentation, an aqueous ethanol solution with a concentration of 8-13 mass% is formed. The low-concentration ethanol solution F is first preheated in a preheater and then fed to an evaporator W2. Here the ethanol solution evaporates to more than 95% and reaches the downstream rectification column K as a vapor phase. The resulting concentrate S1 leaves the evaporator and can be used as a fertilizer after cooling. In the rectification column K, the ethanol / steam water mixture present as the vapor phase is separated into a highly concentrated top product and a depleted bottom product. The concentration of the top product depends on the column pressure and on the temperatures at the bottom and at the top. At atmospheric pressure, a concentration of approx. 96 mass% can be achieved in the top product. For energetic operation of the column, the vapor highly concentrated with ethanol is drawn in at the top of the column by a compressor V and compressed to a higher pressure; this also increases the saturation temperature of the steam. So the compressed steam can be used as a heating medium. A partial stream PR1 is used to heat the column evaporator W3 at the bottom of the column, while the other partial flow PR2 heats the evaporator W2 provided. Both partial flows condense through heat emission and are collected in liquid form in the storage container B4.
Der Verdichter V wird durch einen Elektromotor M angetrieben, welcher den erforderlichen Strom aus Windturbinen bezieht. Für die windarme Zeit ist ein Antrieb über einen Verbrennungsmotor VB vorgesehen, welcher mit einer hochkonzentrierten Ethanollösung TM als Treibmittel dem Vorratsbehälter B4 entnommen wird. Je nach Bedarf wird entweder der Elektromotor M oder der Verbrennungsmotor VB ein- oder ausgekoppelt. Auf diese Weise erreicht man einen stetigen Betrieb unmittelbar oder mittelbar durch Zufuhr der durch Windenergie erzeugten elektrischen Energie.The Compressor V is driven by an electric motor M, which obtains the required electricity from wind turbines. For the low wind Time is a drive over an internal combustion engine VB is provided, which with a highly concentrated ethanol solution TM is removed as a propellant from the storage container B4. ever either the electric motor M or the internal combustion engine as required VB in or out. In this way you achieve a steady Operation directly or indirectly through the supply of wind energy generated electrical energy.
Auf dem Vorratsbehälter B4 gelangt ein Teilstrom R als Rücklauf in den Kolonnenkopf, während der Teilstrom P als Produkt abgezogen und nach Wärmeabgabe im Vorwärmen W1 im Gegenstrom zur ankommenden, niedrigkonzentrierten, Ethanollösung F im Produktbehälter B5 gesammelt wird. Von dort aus wird die hochkonzentrierte Ethanollösung als hochwertiger Treib- oder Brennstoff der Verwertung zugeführt.On the reservoir B4 reaches a partial flow R as a return into the column head during the Sub-stream P is withdrawn as a product and after heat emission in preheating W1 in counterflow to the incoming, low-concentration, ethanol solution F im product container B5 is collected. From there, the highly concentrated ethanol solution is called high-quality fuel or fuel for recycling.
Am Kolonnensumpf wird die praktisch ethanolfreie Wasserphase S2 abgezogen. Diese kann in den Vergärungsbehältern B1, B2 und B3 als Anmaischwasser eingesetzt werden. Damit ist eine rückstandsfreie Produktion gewährleistet.At the Column sump, the practically ethanol-free water phase S2 is drawn off. This can be in the fermentation tanks B1, B2 and B3 can be used as mashing water. This is a residue-free Production guaranteed.
Das beschriebene Verfahren weist folgende Vorteile auf:
- – Mit Hilfe von vergärbarer Biomasse kann Windenergie in Form von chemischer Energie gespeichert und einer Verwertung (Treibmittel, Brennstoff) zugeführt werden.
- – Es wird eine Verstetigung der durch die Windenergie erzeugten elektrischen Energie erreicht.
- – Das gewonnene Produkt, hochkonzentrierte Ethanollösung, hat einen universellen Anwendungscharakter und kann sowohl in weiteren Kraftwerken als auch in Fahrzeugen verwendet werden.
- – Das Problem der Verteilung der elektrischen Energie über Hochspannungsleitungen tritt nicht mehr auf.
- – Es werden ausschließlich regenerative Energien (Windenergie, Biomasse) eingesetzt.
- – Für die Agrarwirtschaft wird eine neue Chance eröffnet, um neue Rohstoffe zu gewinnen.
- – Es wird im Gegensatz zu den bisher versuchten Speichertechniken ein hoher Wirkungsgrad der Energiespeicherung (Größenordnung ca. 70%) realisiert.
- - With the help of fermentable biomass, wind energy can be stored in the form of chemical energy and recycled (propellant, fuel).
- - The electrical energy generated by wind energy is stabilized.
- - The product obtained, highly concentrated ethanol solution, has a universal application character and can be used in other power plants as well as in vehicles.
- - The problem of the distribution of electrical energy via high-voltage lines no longer occurs.
- - Only regenerative energies (wind energy, biomass) are used.
- - A new opportunity is opened for the agricultural industry to obtain new raw materials.
- - In contrast to the previously tried storage technologies, a high efficiency of energy storage (order of magnitude approx. 70%) is realized.
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