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DE3219329C2 - Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie

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DE3219329C2 DE3219329A DE3219329A DE3219329C2 DE 3219329 C2 DE3219329 C2 DE 3219329C2 DE 3219329 A DE3219329 A DE 3219329A DE 3219329 A DE3219329 A DE 3219329A DE 3219329 C2 DE3219329 C2 DE 3219329C2
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Johannes Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 5040 Brühl Teggers
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Rheinische Braunkohlenwerke AG
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Abstract

Bei einem Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie, insbesondere für den Transport von Wärme energie durch katalytische Spaltung von Methan und Transport des dabei erhaltenen Spaltgases zum Ort des Energieverbrauches wird bei Überschreiten der zum Betrieb der Spaltanlage zumindest erforderlichen Menge an Wärmeenergie eine Teilmenge des Spaltgases in einem Speicher gespeichert, während eine der gespeicherten Spaltgasmenge entsprechende Menge an Methan aus einem weiteren Speicher zugeführt wird. Bei Unterschreiten der zum Betrieb der Spaltanlage zumindest erforderlichen Menge an Wärmeenergie bei abgekoppeltem Spaltgasspeicher wird eine zweite Methanisierungsanlage aus diesem Speicher mit einer Gasmenge gespeist, die groß genug ist, daß die bei deren Umsetzung freiwerdende Wärmeenergie zum Betrieb der Spaltanlage ausreicht. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Betrieb der Anlage auch dann, wenn auch gegebenenfalls mit verringerter Leistung, aufrechtzuerhalten, wenn die äußere Wärmequelle, die für die Beheizung der Spaltanlage benutzt wird, nur mit Unterbrechungen zur Verfügung steht, wie dies beispielsweise dann der Fall ist, wenn die Spaltanlage mit Solarenergie beheizt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie durch katalytische Spaltung von Methan in einem Reformerofen, wobei das erhaltene Spaltgas durch Rohrleitungen zum Ort des Energieverbrauches transportiert und dort in einer Methanisierungsanlage unter Ableitung von Wärme zu Methan umgesetzt wird, welches über Rohrleitungen zum Reformerofen zurückgeführt wird, und Teilmengen des Spaltgases sowie des Methans in jeweils einem Speicher gespeichert werden.
Ein derartiges Verfahren wird in der DE-OS 25 28 660 beschrieben. Ein kontinuierlicher Betrieb ist dabei jedoch nur dann möglich, wenn die zu nutzende Wärmeenergie kontinuierlich, jedenfalls ohne größere Unterbrechung zugeführt wird. Diese Voraussetzung ist beispielsweise dann nicht gegeben, wenn die Einrichtung, in welcher die katalytische Spaltung durchgeführt wird, durch Solarenergie beheizt wird. Letztere steht während der Nachtzeit nicht zur Verfügung. Die durchschnittliche Einstrahlungsdauer des Sonnenlichtes liegt in der Größenordnung von etwa zehn Stunden pro Tag. Die bei der Anlage zur Durchführung des bekannten Verfahrens vorgesehenen Speicher für Teilmengen von Spaltgas und Methan dienen lediglich der Anpassung an Schwankungen bei der Abnahme der in der Methanisierungsanlage erzeugten Wärmeenergie. Die Möglichkeit des Betriebs des Reformerofens auch dann, wenn dessen normale Wärmezufuhr eine Unterbrechung erfährt, ist weder vorgesehen noch vorhanden. Es sollte jedoch vermieden werden, eine Anlage zur Durchführung des aus der vorgenannten DE-OS 25 28 660 bekannten Verfahrens für den Transport von Wärmeenergie zeitweise abzuschalten. Vielmehr ist es wünschenswert, derartige Anlagen soweit wie möglich kontinuierlich zu be'reiben und, falls größere Schwankungen bezüglich der Zufuhr an Wärmeenergie zum Reformerofen, die eine völlige Unterbrechung der Zufuhr einschließen, unvermeidbar sind, wenigstens einen Mindestbetrieb aufrechtzuerhalten, so daß sichergestellt ist, daß die stark wärmebelaiteten Teile der Anlage keine ins Gewicht fallenden Beanspruchungen durch größere Temperaturschwankungen erfahren.
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß sie auch dann kontinuierlich betrieben werden kann, wenn die Zufuhr an Wärmeenergie sehr stark, gegebenenfalls bis zur Unterbrechung der Zufuhr, schwankt Außerdem soll die Möglichkeit bestehen, das Speichervolumen möglichst klein zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches gelöst
Mit einer derartigen Verfahrensführung kann beispielsweise die in sonnenreichen Ländern ausreichend zur Verfugung stehende Sonnenenergie mit Hilfe der bekannten Einrichtung genutzt werden, da es aufgrund der Erfindung möglich wird, die zur Nachtzeit eintretenden Unterbrechungen der Wärmezufuhr zumindest soweit zu überbrücken, daß schädliche Temperaiur-Schwankungen nicht auftreten. Schaden an den Anlagen infolge eines intermittierenden Betriebes können somit vermieden werden. So treten in den Rohrleitungen keine Leckagen auf. Der Bruch von Katalysatorformkörpern infolge durch größere Temperaturschwankungen verursachter Expansion und Kontraktion der Katalysatorbehälter unterbleibt. Ingesamt wirodie Lebensdauer der hochtemperaturbeständigen Werkstoffe der Anlage nicht in einer ins Gewicht fallenden Weise beeinträchtigt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die in der zweiten Methanisierungsanlage erzeugte Wärmemenge kontinuierlich an den Reformerofen abgegeben werden. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß sowohl die zweite Methanisierungsanlage als
so auch der Reformerofen ständig bzw. mit einer Mindestbelastung gefahren werden können, welche zur Aufrechterhaltung des Betriebes und /tür Vermeidung der eingangs geschilderten möglichen Schäden ausreicht.
Das Wärmeübertragungsmedium für den Reformerofen kann in bekannter Weise im Kreislauf geführt werden. Vorzugsweise wird hierzu ein inertes Wärmeübertragungsmittel verwendet, z. B. Stickstoff (N2), Kohlendioxid CO2) oder Helium (He).
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann dem Spaltgasspeicher eine Gastrennungsanlage zugeordnet sein. Mittels dieser Gastrennungsanlage wird ein für die Methanolsynthese geeignetes Gasgemisch erzeugt. Die bei der Methanolsynthese frei werdende Wärme wird in geeigneter Form in den Gesamtprozeß eingeführt. Das erzeugte Methanol wird gespeichert; da es in flüssiger Form vorliegt, benötigt es ein vergleichsweise geringes Speichervolumen.
Die verbleibenden Komponenten des Spaltgases kön-
nen in den Prozeß zurückgeführt oder — ggf. getrennt — gespeichert werden. Letzteres kann insbesondere für Wasserstoff vorteilhaft sein.
Methanol und Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch werden — ggf. unter Zwischenschaltung einer besonderen Stufe für die katalytische Spaltung des Methanols — der zweiten Methanisierungsanlage zugeführt Diese Anordnung hat auch den Vorteil, daß für die Methanolspaltung einerseits und für die Methanisierung andererseits die jeweils am besten geeigneten KataJysatoren eingesetzt werden können.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt
F i g. 1 das Fließbild einer Anlage, in welcher die Erfindung Anwendung findet,
Fig.2 das Fließbild einer abgewandelten Ausführungsform.
Die Anlage gemäß F i g. 1 besteht aus einem an sich bekannten, z. B. als Röhrenspaltofen ausgebildeten Reformerofen 1 und einer Methanisierungsanlage 2. Beide Anlagen sind durch Rohrleitungen 14, 15 miteinander verbunden. In diesen Rohrleitungen fließen Gase in Richtung der Pfeile. So wird beispielsweise dem Reformerofen 1 über Leitung 15 Methan (CH4) zugeführt, welches den Reformerofen 1 als Spaltgas, nämlich als Gemisch im wesentlichen von Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO + 3 H2) durch die Leitung 14 verläßt und zur Methanisierungsanlage 2 zurückströmt. Auf dem Wege dorthin wird ein Teil des Spaltgases über ein erstes Ventil 7 einem Spaltgasspeicher 3 zugeführt. Hier wird das abgezweigte Gas gespeichert.
Eine geringe Menge desselben kann sofort in eine zweite Methanisierungsanlage 4 geleitet werden. Die dabei entstehende Wärme wird dem Reformerofen 1 zugeführt.
Der wesentliche Energielieferant für den Reformerofen 1 ist jedoch eine außerhalb des Systems befindliche Energiequelle 5, deren Energielieferung allerdings diskontinuierlich ist. Sie kann beispielsweise als Sonnenenergiequelle ausgebildet sein. Als wärmetransportierendes Medium dient beispielsweise Helium, von dem eine Teilmenge durch die Sonnenenergieanlage 5 über ein erstes Ventil 16 und eine zweite Teilmenge über ein zweites Ventil 17 einem zur zweiten Methanisierungsanlage 4 gehörenden Wärmetauscher 12 geleitet wird, um schließlich durch den Reformerofen 1 im Kreislauf 13 zurückgeleitet zu werden.
Solange die Sonnenenergie 5 zur Verfugung steht, wird das in der zweiten Methanisierungsanlage 4 gebildete Methan dem Kreislauf 1, 14, 2, 15 direkt über ein Ventil 9 zugeleitet, Hauptsächlich fließt aber Methan aus dem zweiten Speicher 6 über ein Ventil 11 in den Hauptkreislauf 15.
Geht man davon aus, daß der Reformerofen 1 beispielsweise mit einer Energiemenge von 3000 MW beschickt wird, so kann man den Umsatz von Wärmeenergie in der erfindungsgemäßen Anlage ungefähr durch folgende Verhältniszahlen darstellen:
Es sei angenommen, daß durch den Reformerofen 1 eine Gasmenge entsprechend einem stochiometrischen Molverhältnis von 166 Energieeinheiten hindurchfließt. Von dieser Energiemenge werden 100 Einheiten an die erste Methanisierungsanlage 2 abgegeben und 66 Einheiten über das Ventil 7 dem ersten Spaltgasspeicher 3 zugeführt. Die Menge der in diesem Speicher 3 zu speichernden Energie betragen beispielsweise 4800 MW/h bei einem Energieinhalt des Spaltgases von ungefähr 210 kJ/Mol. Von ilen 66 dem ersten Spaltgasspeicher 3 zugeleiteten Energieeinheiten werden 50 Energieeinheiten gespeichert und 16 Energieeinheiten über das Ventil 8 an die zweite Methanisierungsanlage 4 abgegeben. Diese 16 Energieeinheiten treten einerseits als Methan aus der zweiten Methanisierungsanlage 4 wieder aus und fließen über das zunächst geöffnete Ventil 9 wieder in den Hauptkreislauf, & h. in die von der ersten Methanisierungsanlage 2 zum Reformerofen 1 führende Leitung 15 zurück. In diese Leitung 15 werden zur Aufrechterhaltung der Bilanz aus einem zweiten Speicher 6 zusätzlich 50 Energieeinheiten in Form von Methan eingespeist, so daß in den Reformerofen 1 schließlich die benötigte Betriebsmenge von 166 Energieeinheiten eintritt.
Die in der zweiten Methanisierungsanlage 4 erzeugte Wärmemenge wird indessen über einen Wärmetauscher 12 in den Heliumkreislauf 13 des Reformerofens 1 abgegeben und erreicht, nachdem sie mit den 150 Energieeinheiten aus der Solaranlage 5 vereinigt worden war, den Reformerofen 1 in Form von Pr«-zeßwärme. Diese Betriebsweise entspricht z. B. der Tragpriase, d. h. dem Zeitraum, an dem bei Verwendung einer Solaranlage 5 diese ungefähr 150 Energieeinheiten zu liefern im Stande ist.
Beim Nachtbetrieb, d. h., wenn die Solaranlage unwirksam ist, fließen von dieser keine Energieeinheiten in den Heliumkreislauf 13 ein. Zur Aufrechterhaltung eines Minimalbetriebes jedoch braucht der Reformerofen 1 ungefähr 50 Energieeinheiten. In diesem Betriebszustand wird zunächst der Spaltgasspeicher 3 über das Ventil 7 vom Hauptkreislauf 14 abgekoppelt, indem das Ventil 7 geschlossen wird. Die zweite Methanisierungsanlage 4 entnimmt sodann ihre Energie diesem Spaltgasspeicher 3 und erzeugt eine 50 Energieeinheiten entsprechende Wärmemenge, die dem Reformerofen ausschließlich zufließt. Die Ventile 9 und 11 sind ebenfalls geschlossen. Das in der zweiten Methanisierungsanlage 4 entstehende Methan wird über das nunmehr geöffnete Ventil 10 dem Methangasspeicher 6 am unteren Strang 15 d<;s Hauptkreislaufes zugeführt. Entsprechend dem vorliegenden Betriebszustand werden in der ersten Methanisierungsanlage 2 dabei auch nur 50 Energieeinheiten umgewandelt.
In Fig.2 der Zeichnung sind die der Anlage gemäß Fig. 1 entsprechenden Teile und Einrichtungen mit gleichen, jedoch um jeweils 100 höheren Bezugszeichen versehen.
Der Unterschied der Ausführungsform gemäß F i g. 2 gegenüber jener der Fig. 1 besteht darin, daß dem Spaltgasspeicher 103 eine Gastrennungsanlage 120 zugeordnet ist. Die Verbindung zwischen Spaltgasspeicher 10.3 und Gastrennungsanlage 120 wird durch die Leitungen 119 und 126 hergestellt. Mittels dieser Gastrennungsanlage wird ein für die Methanolsynthese geeignetes Gasgemisch erzeugt und über eine Leitung 122 einer Anlage 123 zur Durchführung der Methanolsynthese zugeführt. Das gebildete Methanol wird in einem Speicher 124gespe'.hert.
Die verbleibenden Komponenten des Spaltgases kön-
6ö nen über eine Leitung 126 in den Spaltgasspeicher 103 zurückgeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, sie über eine Leitung 128 in die Leitung 114 des Kreislaufsystems zu führen. Es ist darüber hinaus auch möglich, zumindest e.nen Te'l der verbleibenden Kombi ponenten getrennt aus der Gastrennungsanlage 120 abzuführen und getrennt zu speichern. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein für den Wasserstoff, der über eine Leitung 129 in einen Speicher 130 gelangt. Es
ist darüber hinaus auch möglich, das Restmethan aus der Gastrennungsanlage 120 in den Methanspeicher 106 zu führen.
Aus dem Speicher 124 wird das Methanol über eine Leitung 132 zur zweiten Methanisierungsanlage 104 geführt und dort zusammen mit entweder aus dem Spaltgasspeicher 103 über eine Leitung 133 zugeführten wasserstoffhaltigen Gas oder aber mit aus dem Speicher 130 über eine Leitung 134 zugeführtem Wasserstoff zu Methan umgesetzt. Der zweiten Methanisierungsanlage 104 kann — etwa im Zweig der Leitung 132 — eine besondere Stufe für die katalytische Spaltung des Methanols vorgeschaltet sein.
Die bei der Methanbildung frei werdende Wärme wird wie im Falle der Ausführungsform gemalJ F i g. I in den Kreislauf 113 des Reformerofens 101 eingegeben.
Hier/u 2 Blatt Zeichnungen
25 30 35 40
50
60 65

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie durch katalytische Spaltung von Methan in einem Reformerofen, wobei das erhaltene Spaltgas durch Rohrleitungen zum Ort des Energieverbrauches transportiert und dort in einer MethanisierungsanJage unter Ableitung von Wärme zu Methan umgesetzt wird, welches über Rohrleitungen zum Reformerofen zurückgeführt wird, und Teilmengen des Spaltgases sowie des Methans in jeweils eüiem Speicher gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der gespeicherten Spaltgasmenge eine derselben entsprechende Menge an Methan aus dem Methanspeicher (6) zugeführt wird, und daß bei Unterschreiten der zum Betrieb des Reformerofens (1) mindestens erforderlichen Menge an Wärmeenergie bei abgekoppeltem Spaltgasspeicher (3) eine zweite Methanisierungsanlage (4) aus diesem Speicher mit einer Gasmenge gesppist wird, die groß genug ist daß die bei deren Umsetzung abgeleitete und dem Reformerofen (1) zugeführte Wärmeenergie zum Betrieb desselben ausreicht, während das dabei gebildete Methan im Methanspeicher (6) gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Überschreitens der zum Betrieb des Reformerofens (1) erforderlichen Menge an Wärmeenergie die zweite Methanisierungsanlage (4) betrieben und die daraus abgeleitete Wärme dem Reformerofen (1) zugeführt wird.
3. Verfahre;, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Spaltgarrpeicher (103) zugeführte Spaltgas zumindest teilweise in Methanol umgewandelt und als solches gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zeitweilig wenigstens ein Teil der dem Reformerofen (1) zugeführten Energie Solarenergie ist.
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