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WO2011120706A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von energie - Google Patents

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WO2011120706A1
WO2011120706A1 PCT/EP2011/001642 EP2011001642W WO2011120706A1 WO 2011120706 A1 WO2011120706 A1 WO 2011120706A1 EP 2011001642 W EP2011001642 W EP 2011001642W WO 2011120706 A1 WO2011120706 A1 WO 2011120706A1
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WO
WIPO (PCT)
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product
storage
hydrogen
energy
steam turbine
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2011/001642
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubertus Winkler
Hans-Jürgen Maas
Peter Wasserscheid
Mathias Mostertz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Linde GmbH
Original Assignee
BASF SE
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE, Linde GmbH filed Critical BASF SE
Publication of WO2011120706A1 publication Critical patent/WO2011120706A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Definitions

  • the invention relates to a method for storing energy, wherein hydrogen is produced from water by means of electrolysis and is synthesized with at least one further starting material to form a product (storage product) in which hydrogen is chemically bound, and which is introduced for temporary storage in a storage device from which it can be taken to a material and / or energy recovery. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method.
  • a sustainable energy source is an energy source that is inexhaustible by human standards. The largest part of sustainable
  • Energy sources are fed directly or indirectly by the sun. They include sunlight, wind, hydro and biomass.
  • the earth itself is also regarded as a sustainable source of energy whose energy content can be used in the form of geothermal energy.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method of the type described above and an apparatus for its implementation, by which it is possible to overcome the disadvantages of the prior art.
  • this object is achieved according to the invention in that waste heat arising from the electrolysis and / or synthesis of the storage product is used to heat and / or vaporize the working medium of a steam turbine.
  • At least a portion of the electrical energy thus generated is supplied to storage, whereby it is used to split off hydrogen by electrolysis of water.
  • the synthesis of the storage product is carried out at a pressure which is less than the pressure of the hydrogen produced during the electrolysis.
  • a pressure which is less than the pressure of the hydrogen produced during the electrolysis.
  • the electrolysis is preferably a pressure electrolysis in which hydrogen is produced at a pressure between 15 and 150 bar.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides a heat pipe.
  • Heat pipes have been state of the art and known to the person skilled in the art for many years. They contain in a hermetically encapsulated volume a heat transfer medium, which is present partly as a liquid, partly in gaseous form. Energy can be transferred to the liquid heat transfer medium via an evaporator connected to a heat source. The resulting vapor (vapors) flows to a condenser located elsewhere in the heat pipe and connected to a heat sink, where it condenses. During condensation, the energy absorbed via the evaporator is released to a large extent again and transferred to the heat sink. The now again liquid heat transfer medium is then conveyed back to the evaporator by the action of gravity, capillary force or by means of a pump.
  • Storage medium is obtained at a temperature level which is lower than the minimum temperature of the working medium of the steam turbine, provides an embodiment of the method according to the invention, that the temperature of the evaporated, im Heat pipe circulating heat transfer medium is raised by vapor compression to a value that is sufficiently high to the vapors against the
  • the method according to the invention is particularly advantageous
  • the electrolysis is preferably a high-temperature electrolysis in which hydrogen is produced at a temperature of more than 70 ° C.
  • the storage products are in particular those containing hydrogen
  • Suitable storage products are methanol and ammonia.
  • the hydrogen to be stored is therefore converted to methanol or ammonia.
  • an embodiment of the method according to the invention provides that the carbon required for the synthesis in the form of
  • Carbon dioxide is supplied. This carbon dioxide can be made from every conceivable
  • Carbon dioxide source come. It makes sense, however, to carbon dioxide, which arises in the material and / or energy recovery of storage product. It is therefore proposed that in the recovery of a
  • Process step can be used as starting materials. In the event that the two
  • Process steps are not performed simultaneously, these by-products are expediently also cached.
  • the storage product can be used in different ways. For example, it can be burned, with the released thermal energy used for heating purposes or converted into mechanical and / or electrical energy. Another possibility is to decompose the storage product to produce hydrogen, which is subsequently recycled.
  • the hydrogen is preferably used as fuel of the anode
  • Heat engine such as a piston engine or a gas turbine to burn.
  • the heat engine may be coupled to an electric generator, with the aid of which the generated mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the decomposition of memory product will i. Gen. proceed in an endothermic reaction and thus consume thermal energy.
  • the invention provides to use in the fuel cell and / or the heat engine resulting waste heat for the decomposition of storage product.
  • a heat pipe is used to dissipate the waste heat from the fuel cell or the heat engine.
  • the residual gas is burnt and the heat released in the process, for example for heating and / or evaporation of the working medium of the steam turbine or for decomposition of storage product, is used.
  • Method is particularly suitable for the implementation of carbon and hydrogen-containing substances, such as methanol.
  • carbon and hydrogen-containing substances such as methanol.
  • it is also suitable to split off hydrogen from carbon-free substances, such as ammonia.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention therefore provides that hydrogen is split off from a hydrogen-containing storage product by hydrothermal catalysis.
  • the invention relates to a device for energy storage, with an electrolyzer for generating hydrogen from water and a
  • Synthetic device in which hydrogen produced in the electrolyzer can be reacted with at least one further starting material in an intermediate product, as well as a
  • Memory device for temporarily storing the memory product.
  • the object is achieved device-side according to the invention that the electrolyzer and / or the synthesis device are in thermal communication with a steam turbine, so that in the electrolyzer and / or the
  • Synthesis waste heat generated for heating and / or evaporation of the working medium of the steam turbine is used.
  • the steam turbine is connected to a generator such that the mechanical energy generated in the steam turbine can be converted into electrical energy.
  • the steam turbine is designed so that it either with water or isopentane or an ammonia-water mixture or other suitable substance
  • Working medium can be operated. In order to reduce the losses in the transfer of waste heat to the working medium
  • Steam turbine to keep low, electrolyzer and / or the synthesis device with the steam turbine are advantageously thermally coupled via a heat pipe.
  • a variant of the device according to the invention provides an electrolyzer in which hydrogen can be produced at a higher pressure than in the
  • Synthesis device is needed. Preferably, it is a
  • Electrolyzer in which hydrogen can be produced at a working temperature of more than 70 ° C at a pressure which is preferably between 15 and 150bar.
  • the synthesis device is designed so that it can be synthesized with their help hydrogen-containing compounds that are easy and inexpensive storable.
  • the synthesis device is designed so that methanol or ammonia can be generated as a storage product.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the synthesis device comprises a reactor for carrying out a hydrothermal catalysis.
  • the synthesis device is suitable for producing methanol, it expediently comprises a shift reactor in which hydrogen can be reacted with carbon dioxide to form a carbon monoxide-containing material stream.
  • the memory device for temporarily storing the memory product may be stationary or mobile. With that it is possible that
  • Another embodiment of the device according to the invention provides that it has a device for the separation of hydrogen from the storage product, which comprises a reactor for carrying out a hydrothermal catalysis.
  • a variant of the device according to the invention provides that they have a
  • Storage device comprises, in which a by-product accumulating during the production and / or utilization of storage product can be temporarily stored, wherein the storage device is arranged stationary or mobile.
  • the invention allows the storage of energy, which is in the form of hydrogen and / or electric current, it is irrelevant from which source the energy is obtained. With particular advantage, however, it can be used to store energy generated by renewable energy sources. Frequently, energy can only be extracted from such a source in time-varying quantities, which considerably impairs the economic efficiency of this type of energy generation.
  • solar thermal power plants are mentioned, with the help of which the solar radiation striking the earth's surface is converted into electrical energy. The electrical power of such
  • Power plant is dependent on the intensity of solar radiation at the site and therefore subject to the change of day and night. As a result, electrical energy can only be generated during the day, while the power plant does not provide economic returns during the night. In addition, costs are incurred in order to design a power grid for the supply of time-varying amounts of electricity from such a power plant.
  • the invention makes it possible to store a portion of the electrical energy, which is obtained under favorable conditions from a regenerative energy source, as a storage product from which electrical energy is obtained at unfavorable times, such as during the night hours. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown schematically in FIG.
  • the exemplary embodiment relates to a device for storing electrical energy, which is generated via a generator driven by a steam turbine.
  • the device is, for example, part of a solar thermal power plant in which the steam required for the steam turbine with the help of solar radiation - and therefore only during the hours of the day - can be obtained.
  • the stored electricity is released in phases of low solar radiation - primarily at night - again, whereby a continuous power production is possible.
  • a working medium eg water
  • the electrolyzer E is preferably a high-pressure electrolyzer in which water 6, for example at a pressure of about 50 bar and a temperature of about 80 ° C., is separated by electrolysis into hydrogen 7 and oxygen 8.
  • the hydrogen 7 is fed into the synthesis device S.
  • the hydrogen 7 is here reacted with carbon dioxide 9, which is taken from the storage device S1, in an exothermic reaction to methanol 10.
  • the electrolyzer E and the synthesis device S resulting waste heat are discharged via the two heat pipes W1 and W2 and the steam generator F, where they are used to generate the high-pressure steam 3.
  • Methanol 0 and oxygen 8 as well as in the synthesis of methanol resulting water are fed into storage devices S2, S3 and S4 and stored there until they are used.
  • methanol 12 can be removed from the storage device S2 and together with water 13 of the
  • Decomposition device Z are supplied. Here it is in an endothermic reaction, e.g. converted by hydrothermal catalysis, into a decomposition product containing hydrogen and carbon dioxide, from which hydrogen 15 and carbon dioxide 16 are subsequently separated by pressure swing adsorption DW.
  • the carbon dioxide 16 is returned to the storage device S1 while the hydrogen 15 is introduced into a fuel cell B where it is oxidized to water 19 with oxygen 17 obtained from the storage device S3 to generate electric current 18.
  • the fuel cell B is coupled to the decomposition device Z via the heat pipe W3, so that waste heat arising in the fuel cell can be used to maintain the endothermic decomposition reaction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Energiespeicherung, wobei aus Wasser (6) mittels Elektrolyse (E) Wasserstoff (7) erzeugt und mit wenigstens einem weiteren Edukt (9) zu einem Produkt (Speicherprodukt) (10) synthetisiert (S) wird, in dem Wasserstoff chemisch gebunden vorliegt, und das zur Zwischenspeicherung in eine Speichereinrichtung (S2) eingeleitet wird, aus der es zu einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung entnommen werden kann. Bei der Elektrolyse (E) und/oder der Synthese des Speicherproduktes (S) anfallende Abwärme (W1,W2) wird zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Arbeitsmediums (2) einer Dampfturbine (D) genutzt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiespeicherung, wobei aus Wasser mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und mit wenigstens einem weiteren Edukt zu einem Produkt (Speicherprodukt) synthetisiert wird, in dem Wasserstoff chemisch gebunden vorliegt, und das zur Zwischenspeicherung in eine Speichereinrichtung eingeleitet wird, aus der es zu einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung entnommen werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Gegenwärtig deckt die Menschheit ihren Energiebedarf vorwiegend durch die
Verbrennung fossiler Energieträger, wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Hierbei wird
Kohlendioxid in großen Mengen freigesetzt, das für die sich immer deutlicher abzeichnende Erwärmung der Erdatmosphäre verantwortlich gemacht wird. Es werden daher verstärkt Anstrengungen zur Nutzung nachhaltiger Energiequellen
unternommen, um sog. erneuerbare Energie kohlendioxidneutral zu erzeugen.
Unter einer nachhaltigen Energiequelle ist eine Energiequelle zu verstehen, die nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich ist. Der größte Teil der nachhaltigen
Energiequellen wird direkt oder indirekt durch die Sonne gespeist. Zu ihnen zählen Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft und Biomasse. Auch die Erde selbst wird als nachhaltige Energiequelle betrachtet, deren Energieinhalt in Form von Erdwärme genutzt werden kann.
Häufig befinden sich ergiebige nachhaltige Energiequellen an entlegenen Stellen der Erde, an denen nur wenige potentielle Abnehmer für die dort produzierte Energie vorhanden sind oder angesiedelt werden können. Es stellt sich somit das Problem, wie die aus einer abgelegenen nachhaltigen Energiequelle gewonnene Energie zu den Abnehmern gebracht werden kann.
Aus der Patentanmeldung US2010/0003184 ist bekannt, Sonnenenergie an günstigen Standorten zu nutzen, um aus Wasser Wasserstoff abzutrennen und diesen mit Stickstoff zu Ammoniak zu synthetisieren. Das als Energiespeichermedium dienende Ammoniak wird anschließend zu u.U. weit entfernten Abnehmern transportiert, wo es zum Antrieb von Fahrzeugen oder zur Erzeugung elektrischen Stromes eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren entstehen aufgrund der Umwandlungsvorgänge erhebliche Exergieverluste durch die der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung stark beeinträchtigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, durch die es möglich ist, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der Elektrolyse und/oder der Synthese des Speicherproduktes anfallende Abwärme zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Arbeitsmediums einer Dampfturbine genutzt wird.
In der Dampfturbine wird die anfallende Abwärme mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt. Gewöhnlich wird als Arbeitsmedium Wasser eingesetzt. Es existieren jedoch auch Dampfturbinenprozesse, bei denen Isopentan oder ein Ammoniak-Wasser-Gemisch als Arbeitsmedien genutzt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein großer Teil der bei der Erzeugung von
Speicherprodukt anfallenden Abwärme, der bisher verloren geht, in wertvollere
Energieformen umgewandelt werden, wodurch der Wirkungsgrad der
Energiespeicherung erhöht wird.
Wird die Dampfturbine mit einem elektrischen Generator gekoppelt, kann die in der Dampfturbine erzeugte mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens ein Teil der so erzeugten elektrischen Energie einer Speicherung zugeführt wird, wobei sie dazu verwendet wird, Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser abzuspalten.
Vorzugsweise wird die Synthese von Speicherprodukt bei einem Druck durchgeführt, der kleiner ist als der Druck des bei der Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs. Um Wasserstoff mit ausreichend hohem Druck der Synthese zuzuführen, kann auf eine Wasserstoffverdichtung verzichtet werden, die mit einem erheblichen apparativen Aufwand sowie mit einem hohen Energiebedarf verbunden wäre. Vorzugsweise handelt es sich bei der Elektrolyse um eine Druckelektrolyse, bei der Wasserstoff mit einem Druck zwischen 15 und 150bar erzeugt wird.
Damit ein möglichst großer Teil der bei der Elektrolyse und/oder der Synthese des Speicherproduktes anfallenden Abwärme dem Arbeitsmedium der Dampfturbine auf einem möglichst hohen Temperaturniveau zugeführt werden kann, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wärmerohr vor.
Wärmerohre sind seit vielen Jahren Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie enthalten in einem hermetisch gekapselten Volumen ein Wärmeträgermedium, das teils als Flüssigkeit, teils in Gasform vorliegt. Über einen mit einer Wärmequelle verbundenen Verdampfer kann Energie auf das flüssige Wärmeträgermedium übertragen werden. Der hierbei entstehende Dampf (Brüden) strömt zu einem an anderer Stelle des Wärmerohres angeordneten, mit einer Wärmesenke in Verbindung stehenden Kondensator, wo er kondensiert. Bei der Kondensation wird die über den Verdampfer aufgenommene Energie zu einem großen Teil wieder abgegeben und auf die Wärmesenke übertragen. Das nunmehr wieder flüssige Wärmeträgermedium wird anschließend durch Wirkung der Schwerkraft, Kapillarkraft oder mit Hilfe einer Pumpe wieder zum Verdampfer zurückgefördert.
Da sich Flüssig- und Gasphase des Wärmeträgermediums im gleichen Raum befinden, arbeitet ein Wärmerohr im Nassdampfgebiet, in dem die beiden Phasen bei gleichem Druck auch die gleiche Temperatur aufweisen. Normalerweise sind die
Druckunterschiede in einem Wärmerohr sehr gering, weshalb auch die
Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator gering ist. Wegen des nahezu isothermen Charakters der Wärmeübertragung weist ein Wärmerohr einen inneren Wärmewiderstand auf, der kleiner ist als der von klassischen, rein metallischen Wärmeübertragern.
Für den Fall, dass Abwärme bei der Elektrolyse und/oder der Synthese von
Speichermedium auf einem Temperaturniveau anfällt, das niedriger ist, als die minimale Temperatur des Arbeitsmediums der Dampfturbine, sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Temperatur des verdampften, im Wärmerohr zirkulierenden Wärmeträgermediums durch Brüdenverdichtung auf einen Wert angehoben wird, der ausreichend hoch ist, um die Brüden gegen das
Arbeitsmedium der Dampfturbine abkühlen und kondensieren zu können. Mit besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch dann
anzuwenden, wenn die Abwärme bei der Elektrolyse und/oder der Synthese des Speicherproduktes auf einem Temperaturniveau anfällt, das höher liegt als die minimale Temperatur des Arbeitsmediums der Dampfturbine. Vorzugsweise handelt es sich bei der Elektrolyse um eine Hochtemperaturelektrolyse, bei der Wasserstoff bei einer Temperatur von mehr als 70°C erzeugt wird.
Als Speicherprodukte kommen insbesondere solche Wasserstoff enthaltenden
Verbindungen in Frage, die mit geringem Aufwand synthetisiert und einfach und kostengünstig gespeichert werden können. Beispiele für geeignete Speicherprodukte sind Methanol und Ammoniak. Vorzugsweise wird der zu speichernde Wasserstoff daher zu Methanol oder Ammoniak umgesetzt.
Für den Fall, dass Methanol oder eine andere kohlenstoffhaltige Verbindung als Speicherprodukt erzeugt wird, sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der für die Synthese benötigte Kohlenstoff in Form von
Kohlendioxid zugeführt wird. Dieses Kohlendioxid kann aus jeder denkbaren
Kohlendioxidquelle stammen. Sinnvollerweise handelt es sich jedoch um Kohlendioxid, das bei der stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Speicherprodukt entsteht. Es wird daher vorgeschlagen, dass bei der Verwertung eines
kohlenstoffhaltigen Speicherprodukts anfallendes Kohlendioxid aufgefangen und - evtl. nach einer Zwischenspeicherung - bei der Synthese von Speicherprodukt als Edukt eingesetzt wird. Um das für die Kohlendioxidspeicherung benötigte Speichervolumen gering zu halten, wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Kohlendioxid flüssig oder in überkritischem Zustand gespeichert wird.
Neben Kohlendioxid können auch andere in einem Verfahrensschritt anfallende Nebenprodukte, wie beispielsweise Sauerstoff oder Wasser, in einem anderen
Verfahrensschritt als Edukte eingesetzt werden. Für den Fall, dass die beiden
Verfahrensschritte nicht gleichzeitig ausgeführt werden, werden diese Nebenprodukte zweckmäßigerweise ebenfalls zwischengespeichert. Je nach Art des Speicherproduktes kann es auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Beispielsweise kann es verbrannt werden, wobei die freiwerdende thermische Energie für Heizzwecke eingesetzt oder in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Speicherprodukt zu zersetzten und so Wasserstoff zu erzeugen, der anschließend verwertet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, bei der
Zersetzung von Speicherprodukt gewonnnen Wasserstoff energetisch zu verwerten. Hierzu wird der Wasserstoff vorzugsweise als Brennstoff der Anode einer
Brennstoffzelle zugeführt, in der er mit Sauerstoff unter Produktion elektrischer Energie zu Wasser reagiert. Ebenfalls denkbar ist es, den Wasserstoff in einer
Wärmekraftmaschine, wie beispielsweise einem Kolbenmotor oder einer Gasturbine, zu verbrennen. Die Wärmekraftmaschine kann mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein, mit dessen Hilfe die erzeugte mechanische in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Zersetzung von Speicherprodukt wird i. Allg. in einer endothermen Reaktion ablaufen und somit thermische Energie verbrauchen. Um diesen Energiebedarf zumindest teilweise zu decken, sieht die Erfindung vor, in der Brennstoffzelle und/oder der Wärmekraftmaschine anfallende Abwärme zur Zersetzung von Speicherprodukt einzusetzen. Vorzugsweise wird zur Abführung der Abwärme aus der Brennstoffzelle oder der Wärmekraftmaschine ein Wärmerohr eingesetzt. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle kann gewöhnlich nicht der gesamte der Anode zugeführte Wasserstoff mit Sauerstoff umgesetzt werden, so dass ein immer noch Wasserstoff enthaltendes Restgas von der Anode abgezogen wird. Um die in diesem Restgas enthaltene Energie nutzen zu können, sieht eine Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Restgas verbrannt und die dabei freigesetzte Wärme im Prozess, beispielsweise zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Arbeitsmediums der Dampfturbine oder zur Zersetzung von Speicherprodukt, genutzt wird.
Eine Patentanmeldung, die unter dem Aktenzeichen 102009037884.7 beim Deutschen Marken und Patentamt eingereicht wurde, und deren Offenbarungsgehalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird, beschreibt ein als hydrothermale Katalyse (HTK) bezeichnetes Verfahren zur
Wasserstofferzeugung, das bei niedrigen Temperaturen durchführbar ist. Das
Verfahren eignet sich insbesondere zur Umsetzung von Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Stoffen, wie beispielsweise Methanol. Darüber hinaus ist es jedoch auch dazu geeignet, Wasserstoff aus kohlenstofffreien Stoffen, wie beispielsweise aus Ammoniak, abzuspalten. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass aus einem Wasserstoff enthaltenden Speicherprodukt Wasserstoff durch hydrothermale Katalyse abgespalten wird.
Um Methanol oder Ammoniak als Speicherprodukt zu erzeugen, sind eine Reihe von Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist es möglich,
Wasserstoff mit Kohlendioxid durch katalytisch unterstützte Reformierung in einem Verfahrensschritt direkt in Methanol und Wasser umzusetzen. Denkbar ist jedoch auch die Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, wobei in einem vorangehenden Verfahrensschritt Wasserstoff und Kohlendioxid durch Wassergas- Shift umgesetzt werden, um das für die Synthese benötigte Kohlenmonoxid zu erhalten. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energiespeicherung, mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser und einer
Syntheseeinrichtung, in der im Elektrolyseur erzeugter Wasserstoff mit zumindest einem weiteren Edukt in ein Zwischenprodukt umsetzbar ist, sowie einer
Speichereinrichtung zur Zwischenspeicherung des Speicherprodukts.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektrolyseur und/oder die Syntheseeinrichtung mit einer Dampfturbine in thermischer Verbindung stehen, so dass im Elektrolyseur und/oder der
Syntheseeinrichtung anfallende Abwärme zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Arbeitsmediums der Dampfturbine nutzbar ist.
Vorzugsweise ist die Dampfturbine mit einem Generator derart verbunden, dass die in der Dampfturbine erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Dampfturbine ist so ausgeführt, dass sie entweder mit Wasser oder Isopentan oder einem Ammoniak-Wasser-Gemisch oder einem anderen geeigneten Stoff als
Arbeitsmedium betrieben werden kann. Um die Verluste bei der Übertragung der Abwärme auf das Arbeitsmedium der
Dampfturbine gering zu halten, sind Elektrolyseur und/oder die Syntheseeinrichtung mit der Dampfturbine zweckmäßigerweise über ein Wärmerohr thermisch gekoppelt.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Elektrolyseur vor, in dem Wasserstoff mit einem höheren Druck erzeugt werden kann, als er in der
Syntheseeinrichtung benötigt wird. Vorzugsweise handelt es sich um einen
Elektrolyseur, in dem Wasserstoff bei einer Arbeitstemperatur von mehr als 70°C mit einem Druck erzeugt werden kann, der bevorzugt zwischen 15 und 150bar liegt. Die Syntheseeinrichtung ist so ausgelegt, dass mit ihrer Hilfe Wasserstoff enthaltende Verbindungen synthetisiert werden können, die einfach und kostengünstig speicherbar sind. Vorzugsweise ist die Syntheseeinrichtung so ausgeführt, dass Methanol oder Ammoniak als Speicherprodukt erzeugbar ist. Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Syntheseeinrichtung einen Reaktor zur Durchführung einer hydrothermalen Katalyse umfasst.
Falls die Syntheseeinrichtung zur Erzeugung von Methanol geeignet ist, umfasst sie zweckmäßigerweise einen Shift-Reaktor, in dem Wasserstoff mit Kohlendioxid zu einem Kohlenmonoxid enthaltenden Stoffstrom umsetzbar ist.
Die Speichereinrichtung zur Zwischenspeicherung des Speicherprodukts kann stationär angeordnet oder mobil ausgeführt sein. Damit ist es möglich, das
Speicherprodukt am Ort seiner Erzeugung oder weit von diesem entfernt zu nutzen.
Eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie eine Einrichtung zur Abtrennung von Wasserstoff aus Speicherprodukt aufweist, die einen Reaktor zur Durchführung einer hydrothermalen Katalyse umfasst. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie eine
Speichereinrichtung umfasst, in der ein bei der Erzeugung und/oder Verwertung von Speicherprodukt anfallendes Nebenprodukt zwischengespeichert werden kann, wobei die Speichereinrichtung stationär angeordnet oder mobil ausgeführt ist. Die Erfindung ermöglicht die Speicherung von Energie, die in Form von Wasserstoff und/oder elektrischen Stroms vorliegt, wobei es unerheblich ist, aus welcher Quelle die Energie bezogen wird. Mit besonderem Vorteil kann sie jedoch zur Speicherung von Energie eingesetzt werden, die mit Hilfe erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird. Einer derartigen Quelle kann Energie häufig nur in zeitlich schwankenden Mengen entnommen werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit dieser Art der Energieerzeugung erheblich beeinträchtigt wird. Als Beispiel seien hier solarthermische Kraftwerke angeführt, mit deren Hilfe die auf die Erdoberfläche treffende Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Leistung eines solchen
Kraftwerks ist von der Intensität der Sonneneinstrahlung am Standort abhängig und daher dem Wechsel von Tag und Nacht unterworfen. Dies hat zur Folge, dass nur während des Tages elektrische Energie erzeugt werden kann, während das Kraftwerk in der Nacht keinen wirtschaftlichen Ertrag liefert. Darüber hinaus entstehen Kosten, um ein Stromnetz auf die Einspeisung von zeitlich schwankenden Strommengen aus einem derartigen Kraftwerk auszulegen. Die Erfindung ermöglicht es, einen Teil der elektrischen Energie, der unter günstigen Bedingungen aus einer regenerativen Energiequelle gewonnen wird, als Speicherprodukt zu speichern, aus dem zu ungünstigen Zeiten, wie beispielsweise während der Nachtstunden, elektrische Energie gewonnen wird. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, die über einen durch eine Dampfturbine angetriebenen Generator erzeugt wird. Die Einrichtung ist beispielsweise Teil eines solarthermischen Kraftwerks, in dem der für die Dampfturbine benötigte Dampf mit Hilfe der Sonnenstrahlung - und daher nur während der Stunden des Tages - gewonnen werden kann. Die gespeicherte Elektrizität wird in Phasen geringer Sonneneinstrahlung - in erster Linie in der Nacht - wieder abgegeben, wodurch eine kontinuierliche Stromproduktion möglich ist. Im Dampferzeuger F, dem über Leitung 1 Energie (z.B. solarthermische Energie) und über Leitung 2 ein Arbeitsmedium (z.B. Wasser) zugeführt werden, wird
Hochdruckdampf 3 erzeugt, der in der Dampfturbine D entspannt wird. Die dabei gewonnene mechanische Energie wird auf einen mit der Dampfturbine D gekoppelten Generator G übertragen und dort in elektrischen Strom umgesetzt. Ein erster Teil 4 dieses Stroms wird einem Verbraucher (nicht dargestellt) zugeführt, während ein zweiter, zur Speicherung bestimmter Teil 5 dem Elektrolyseur E zugeleitet wird. Bei dem Elektrolyseur E handelt es sich vorzugsweise um einen Hochdruck-Elektrolyseur, in dem Wasser 6 beispielsweise bei einem Druck von ca. 50bar und einer Temperatur von ca. 80°C durch Elektrolyse in Wasserstoff 7 und Sauerstoff 8 getrennt wird. Der Wasserstoff 7 wird in die Syntheseeinrichtung S geführt. Bei einem Druck, der geringer ist als der Arbeitsdruck des Elektrolyseurs E und bei einer Temperatur von ca. 300°C, wird der Wasserstoff 7 hier mit Kohlendioxid 9, das der Speichereinrichtung S1 entnommen wird, in einer exothermen Reaktion zu Methanol 10 umgesetzt. Die im
Elektrolyseur E und der Syntheseeinrichtung S anfallenden Abwärmen werden über die beiden Wärmerohre W1 und W2 ab- und dem Dampferzeuger F zugeführt, wo sie zur Erzeugung des Hochdruckdampfes 3 eingesetzt werden. Methanol 0 und Sauerstoff 8 sowie bei der Methanolsynthese anfallendes Wasser werden in Speichereinrichtungen S2, S3 bzw. S4 geleitet und dort bis zu ihrer Verwendung zwischengespeichert.
Bei Bedarf - beispielsweise während der Nachtstunden - kann Methanol 12 aus der Speichereinrichtung S2 entnommen und gemeinsam mit Wasser 13 der
Zersetzungseinrichtung Z zugeführt werden. Hier wird es in einer endothermen Reaktion, z.B. durch hydrothermale Katalyse, in ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltendes Zersetzungsprodukt umgesetzt, aus dem nachfolgend Wasserstoff 15 und Kohlendioxid 16 durch Druckwechseladsorption DW abgetrennt werden. Das Kohlendioxid 16 wird in die Speichereinrichtung S1 zurückgeführt, während der Wasserstoff 15 in eine Brennstoffszelle B eingeleitet wird, wo er mit Sauerstoff 17, der aus der Speichereinrichtung S3 bezogen wird, unter Erzeugung elektrischen Stroms 18 zu Wasser 19 oxidiert wird. Die Brennstoffzelle B ist mit der Zersetzungseinrichtung Z über das Wärmerohr W3 gekoppelt, so dass in der Brennstoffzelle anfallende Abwärme zur Aufrechterhaltung der endothermen Zersetzungsreaktion genutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energiespeicherung, wobei aus Wasser (6) mittels Elektrolyse (E) Wasserstoff (7) erzeugt und mit wenigstens einem weiteren Edukt (9) zu einem Produkt (Speicherprodukt) (10) synthetisiert (S) wird, in dem Wasserstoff chemisch gebunden vorliegt, und das zur Zwischenspeicherung in eine Speichereinrichtung
(S2) eingeleitet wird, aus der es zu einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Elektrolyse (E) und/oder der Synthese (S) des Speicherproduktes (10) anfallende Abwärme (W1 ,W2) zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Arbeitsmediums (2) einer Dampfturbine (D) genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff (15) durch die Zersetzung von Speicherprodukt (12) gewonnen und in einer Brennstoffzelle (B) unter Erzeugung elektrischen Stroms (18) oxidiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle (B) anfallende Abwärme (W3) für die Zersetzung (Z) von Speicherprodukt (10) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Ammoniak oder Methanol als Speicherprodukt (10) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Methanol als
Speicherprodukt (10) durch die Umsetzung von Wasserstoff (7) mit Kohlendioxid
(9) in einer katalytisch unterstützten Reformierungsreaktion gewonnen wird.
6. Vorrichtung zur Energiespeicherung, mit einem Elektrolyseur (E) zur Erzeugung von Wasserstoff (7) aus Wasser (6) und einer Syntheseeinrichtung (S), in der im Elektrolyseur (E) erzeugter Wasserstoff (7) mit zumindest einem weiteren Edukt (9) in ein Produkt (Speicherprodukt) (10) umsetzbar ist, sowie einer
Speichereinrichtung (S2) zur Zwischenspeicherung des Speicherprodukts (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (E) und/oder die
Syntheseeinrichtung (S) mit einer Dampfturbine (D) in thermischer Verbindung (W1 ,W2) stehen, so dass im Elektrolyseur (E) und/oder der Syntheseeinrichtung (S) anfallende Abwärme zur Erwärmung und/oder Verdampfung des
Arbeitsmediums (2) der Dampfturbine (D) nutzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (E) und/oder die Syntheseeinrichtung (S) mit der Dampfturbine (D) über ein
Wärmerohr (W1.W2) thermisch gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Syntheseeinrichtung (S) als Einrichtung zur Erzeugung von Methanol oder Ammoniak ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (S2) zur Zwischenspeicherung des Speicherprodukts (10) stationär angeordnet oder mobil ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speichereinrichtung (S1 ,S3,S4) umfasst, in der ein bei der Erzeugung und/oder Verwertung von Speicherprodukt (10) anfallendes Nebenprodukt (8,11 ,16,19) zwischengespeichert werden kann, wobei die Speichereinrichtung stationär angeordnet oder mobil ausgeführt ist.
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