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WO2014000737A1 - Verfahren und einrichtung zur speicherung von elektroenergie - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur speicherung von elektroenergie Download PDF

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Publication number
WO2014000737A1
WO2014000737A1 PCT/DE2013/100238 DE2013100238W WO2014000737A1 WO 2014000737 A1 WO2014000737 A1 WO 2014000737A1 DE 2013100238 W DE2013100238 W DE 2013100238W WO 2014000737 A1 WO2014000737 A1 WO 2014000737A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
synthesis
electrolysis
hydrocarbon
conditioning
carbon dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2013/100238
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Volkmer
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Priority to EP13756805.1A priority Critical patent/EP2867332A1/de
Publication of WO2014000737A1 publication Critical patent/WO2014000737A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon

Definitions

  • the invention relates to a method for storing electrical energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in an industrial plant and a device for storing carbon dioxide formed in a technical plant and for storing energy in a hydrocarbon.
  • the strained situation in the storage of electrical energy has arisen, especially in connection with the increased use of renewable energy sources such as wind and solar radiation for electric power generation, since they can be provided in principle in sufficient quantity, but the generation is subject to both stochastically fluctuating changes also seasonal fluctuations, so that storage is needed to store the oversupply and to store back for higher demand.
  • the physical storage z For example, in pumped storage plants is an efficient way, especially if one thinks of the reservoirs in Norway and the Alpine countries, but the suitable locations are limited available.
  • a combination of C0 2 -Verêt and energy storage in a hydrocarbon describes the document DE 10 2009 018 126 AI, which provides different constellations of components, in each case a C0 2 tank, an electrolysis for hydrogen (H 2 ) generation are provided and then wherein C0 2 and H 2 are synthesized to methane (CH 4 ).
  • the energy contained herein is essentially the stored electrical energy, in particular excess energy from the mains, which has flowed into the electrolysis.
  • the C0 2 flows from the outside, from remote different sources, with a power plant with C0 2 separation is provided as a source.
  • C0 2 is formed in the biomethane treatment or gasification of biomass.
  • the disadvantage here is that a possibility of using the by-products of electrolysis and methanation is neither intended nor possible. Energy efficiency and economy suffer from this.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and apparatus for storing electrical energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in a technical plant, which has a high energy and material efficiency.
  • the object is achieved by a method for storing electrical energy in a hydrocarbon using carbon dioxide (C0 2 ) formed in a technical system (20), wherein provided to the technical system (20) with material, energetic and control technology coupling a synthesis ( 40) of at least one hydrocarbon using the carbon dioxide (C0 2 ) and hydrogen (H 2 ), electrolytically recovered from water (H 2 0) by means of electrical energy takes place.
  • the hydrocarbon stores electrical energy in a chemical form.
  • oxygen (0 2 ) in the technical system (20) is added in a combustion process of the combustion air, so that increases the oxygen content and at the same time the corresponding proportion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air through the oxygen (0 2 ) is replaced, which causes an increase in the efficiency of the combustion process, since the combustion itself depending on Process control and target can be done more comprehensive and at higher temperature.
  • carbon dioxide (C0 2 ) from the flue gas and / or in process steps of the conditioning water recovered in the technical system and / or in the electrolysis and / or at Process steps of the conditioning is utilized.
  • the electrical energy is supplied to the system via the network, comes from a generating plant or is produced in the technical system itself. This makes it possible to make the process in the technical system particularly efficient.
  • the oxygen replaces the air to be supplied to the respective process, which contains just under a quarter of oxygen. As a result, only a smaller gas volume flow must be used in the process, which in turn leads to the saving of process energy.
  • the passage of nitrogen through the process in many cases, especially when higher temperatures occur leads to the formation of undesirable nitrogen oxides, which pollute the environment or must be removed in a complex purification process. In any case, the use of the recirculated oxygen reduces the exhaust gas mass flow, thereby at the same time reducing the heat losses in the process and increasing the efficiency.
  • the waste heat or cold accumulating during the exothermic synthesis and / or during process steps of the conditioning is used in the technical plant and / or in the conditioning steps of the synthesis gas or then also of the synthesis products.
  • the energy required or generated in the process steps of deposition and conditioning can be taken from or given off from other system process steps, in particular heat or cold.
  • the cold is obtained, for example, in the relaxation of the product gas.
  • electrolysis in particular the pressure electrolysis, can not be used systematically in a synthesis plant, which is in the wind turbines. This turns out to be very different according to the invention when the conversion plants are placed at the C0 2 emitters.
  • this waste heat can be easily and effectively coupled into the system due to the spatial proximity.
  • the energy required for the conditioning of the end product for storage or transport in particular the heat required for the expansion of the methane from the synthesis, can be mentioned as an intra-process application. This can be taken from the appropriate system process stages, such as electrolysis.
  • water recovered during the synthesis and / or in flue gas purification is utilized in the technical plant and / or in the electrolysis and / or in process steps of the conditioning.
  • This particularly relates to the water which is likewise separated off from the flue gas during the purification and / or separation of C0 2 and which can be reused in the electrolysis.
  • Further uses of the water are envisaged, for example in the steam process of a power plant or in a steel mill, which has a high overall water consumption.
  • the technical system is a combustion power plant
  • the C0 2 of the exhaust gas of the synthesis and the oxygen (0 2 ) from the electrolysis stage of the process are supplied directly to the incineration of the combustion power plant.
  • it can also be used in other high-temperature processes, such as in the cement, glass or steel industry.
  • the nitrogen from the combustion or conversion process is partially or completely displaced.
  • the fuel is burned with almost pure oxygen (ie with no or only a small amount of nitrogen and argon).
  • the oxyfuel process is therefore suitable as a basis for power plant processes that allow separation and thus sequestration of the carbon dioxide (C0 2 ) produced during combustion.
  • the deposition of C0 2 from the flue gas can then be carried out with less effort.
  • An extra conditioning of the 0 2 for a transport is eliminated.
  • the separate production of oxygen for the combustion or conversion process which is otherwise associated with considerable technical and energy expenditure and thus constitutes an obstacle to the establishment of the oxyfuel process, can be omitted or reduced.
  • the technical system is a chemical conversion plant
  • the C0 2 of the exhaust gas of the hydrocarbon synthesis and the oxygen from the electrolysis are fed to the process of chemical conversion plant, while the electric power from the mains or is brought from a generation plant.
  • Such chemical conversion systems which represent strong C0 2 emission sources are found in the steel industry, such as blast furnaces or furnaces z. B. for rolling mill processes.
  • rotary kilns emit large amounts of C0 2 from the lime conversion. Both exemplified as applications of the invention processes, the blast furnace process and the lime burning process can not be replaced by C0 2 -free processes.
  • the benefits resulting from the use of oxygen in the process of the chemical conversion plant are as described above for the combustion plant. In addition, if necessary, a higher product quality.
  • methane is formed as a hydrocarbon and synthesis and conditioning of methane take place at pressure levels which ultimately allow direct feeding into a natural gas network.
  • methane can like natural gas in existing structures, such. B. the natural gas network, transported and stored. It is a replacement for fossil natural gas.
  • methanol can be used in existing structures as fuel for internal combustion engines or fuel cells or as fuel for heat generation.
  • the exhaust gas of the C0 2 emitting technical equipment is purified by techniques known from power plant technology and or for chemical conversion plants and thus of foreign matter, such as dust, S0 2 , NOx, etc. and optionally organic compounds, freed and subsequently consists of the components H 2 0, C0 2 and N 2 and optionally from residues of CO.
  • conditioning takes place on a physical state pressure p, temperature T and humidity F, which is advantageous for the subsequent processes.
  • the deposition of H 2 0 and C0 2 takes place by known methods from the purified, suitably conditioned exhaust gas.
  • N 2 , 0 2 and optionally CO leave the plant in gaseous form.
  • the C0 2 is conditioned to a state required for the synthesis (p, T, F).
  • H 2 0 is primarily attributed to the overall process.
  • an electrolysis which is carried out for example as a pressure electrolysis, carried out using the current to be stored.
  • the resulting hydrogen is either conditioned accordingly supplied to the synthesis or preferably stored in a suitable for storing state (p, T) in a buffer. From this, if necessary, it becomes available in the amount required for the conversion process for the synthesis required state (, T) taken.
  • the hydrogen produced in the electrolysis is preferably already aligned in its parameters to the required state of the hydrogen for the synthesis or to the parameters for the storage.
  • the conditioned synthesis gases H 2 and C0 2 are mixed properly before or in the apparatus of the synthesis process or injected individually or together, the process depending on the catalyst and synthesis product at elevated pressure and temperature and waste heat must be removed from the exothermic synthesis. This is used in the system, eg. As in conditioning processes, but also for additional steam generation for the drive of a steam turbine.
  • the product of the synthesizer consists of the desired hydrocarbon, e.g. As methane or methanol, and water at a higher than normal temperature and pressure level.
  • desired hydrocarbon e.g. As methane or methanol
  • the resulting water and optionally methanol or other hydrocarbons are condensed out in a preferably stepped condenser.
  • the optionally required relaxation and the condensation of the water can be carried out at a pressure level that allows the direct feed into the corresponding existing natural gas pressure networks or pressure accumulator.
  • the synthesis product is depressurized to normal pressure and water is condensed out stepwise, followed by methanol.
  • the resulting water can be used in electrolysis or steam power plants as feed water.
  • the synthesis products are stored in the system in temporary storage, from which the redistribution takes place.
  • the object of the invention is further achieved by a device for storing electric energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in a technical plant, comprising a conditioning plant for carbon dioxide, a synthesis apparatus for at least one hydrocarbon, a deposition and conditioning plant for hydrocarbon and a hydrocarbon storage in which the device is provided with the technical system and means are provided for returning at least synthesized oxygen from the device to the technical system.
  • a device for storing electric energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in a technical plant comprising a conditioning plant for carbon dioxide, a synthesis apparatus for at least one hydrocarbon, a deposition and conditioning plant for hydrocarbon and a hydrocarbon storage in which the device is provided with the technical system and means are provided for returning at least synthesized oxygen from the device to the technical system.
  • Another solution according to the invention consists in the use of a process for exhaust gas purification and / or a process for hydrocarbon synthesis, especially methane or methanol synthesis, for the recovery of water.
  • the water is particularly intended for use in
  • a cycle process can be established, in which, while conserving water resources and the process-technically necessary water is circulated.
  • the high water requirement of a power plant with steam generation is also reduced when water is obtained from the flue gas that accumulates when it dehydrates or is recovered during wet C0 2 precipitation.
  • the methods and apparatus of the present invention take developments in storing electricity into methane, methanol, etc., and provide a solution to the problems of fossil carbon processes.
  • the advantages of the invention with the aim of storing electrical energy and the possibilities of reducing C0 2 emissions in the processes arise.
  • the method and the device according to the invention are also applicable to such processes where non-fossil energy sources are used, such as power plants and heating plants with biomass or Biogasfeuerung, in this case in smaller units.
  • the above-described invention also fits systemically to the CCS process for CO 2 capture and storage in power plants, the process being modified with respect to the CO 2 capture and conversion process, that is, the hydrocarbon recovery process Electricity from renewable energy sources, thus compensating for the problems inherent in the CCS process. It is also envisaged that electricity generated in the power plant itself will be used in order to avoid a reduction in power or shutdown and thus shutdown and startup of the power plant with reduced demand from the grid. This is economically advantageous and the system wear is reduced.
  • the separated CO 2 from the combustion processes and the conversion processes can be used directly on site.
  • the transport of appropriately complex conditioned C0 2 over long distances is eliminated.
  • the waste heat of the usually exothermic conversion processes, eg. B. the Sabatierreaes in methane synthesis can be coupled in the process with, for.
  • the oxygen from the electrolysis is used in the technical plant, in particular in the power plant process for combustion or in a conversion process in which oxygen or air is needed.
  • the exhaust gas is used as resource-saving water source, in particular as feed water for steam generation and / or for electrolysis.
  • Fig. 1 shows schematically a flow diagram of an embodiment of a method according to the invention.
  • a power plant 20 is provided as a technical system.
  • This can be a power plant, for example a lignite power plant.
  • the power plant 20 is supplied with fuel 21, air 22 and water H 2 0.
  • the supply of oxygen 0 2 is provided.
  • the power plant 20 emits flue gas 23. This passes to the flue gas cooling 37, where it is cooled to produce waste heat 38.
  • the additives are supplied to a separate treatment outside the process of the invention considered here.
  • After the deposition of the aforementioned substances remains an exhaust gas, which in addition to carbon dioxide C0 2 still contains water vapor H 2 0, nitrogen N 2 and in smaller amounts of carbon monoxide CO and nitrogen N 2 .
  • the separator 33 In order to obtain the pure carbon dioxide C0 2 ultimately desired for the synthesis of a hydrocarbon, the separator 33 is required, with the water H 2 O and the nitrogen N 2 are separated. Nitrogen N 2 is released via a chimney 36 into the atmosphere.
  • the separated water H 2 finds use in various parts of the process.
  • the water is used in the electrolysis device 41 and in the power plant 20.
  • Further possibilities of use are provided, in particular if instead of the power plant 20 another technical installation, for example a chemical conversion installation, is provided.
  • carbon dioxide is compressed by means of a compressor 35 to synthesis pressure and fed to the synthesis process, but also buffered in a C0 2 buffer to store surpluses, but also deliver C0 2 in an increased demand.
  • Such a buffer memory allows the adaptation of the different process stages, so that both the generation of carbon dioxide C0 2 and its use can be carried out without regard to the other process stages in the sequence.
  • carbon dioxide production in the separator 33 may continue to run in full, even if the decrease in carbon dioxide stops, for example, by a disturbance in the synthesizer 40.
  • the carbon dioxide produced is charged into the C0 2 store. If there are problems with the provision of carbon dioxide, the synthesis device 40 can remove its base material from the C0 2 reservoir 34 at the time of the failure, without having to reduce the power due to a lack of carbon dioxide.
  • the synthesis device 40 is supplied in addition to the carbon dioxide C0 2 with hydrogen H 2 .
  • the hydrocarbon in particular methane, it also gives off water H 2 O and waste heat 38.
  • the hydrogen H 2 passes from the electrolysis device 41 to the synthesis device 40.
  • the electric current 42 used in the electrolysis device 41 comprises electricity from renewable energies, supplied via the power grid, electricity from generation plants or electricity from the technical installation to which the device according to the invention is provided. wherein the stream is brought directly to storage. This therefore relates, for example, wind power from the power grid or from the power plant 20 at too low power consumption, produced by electrolysis.
  • the electrolysis device 41 In addition to the main product hydrogen H 2 , the electrolysis device 41 also provides oxygen 0 2 ready. This is in the preferred embodiment of the technical system, here the Power plant 20, fed. There, the inexpensively supplied oxygen allows for an increase in efficiency and a reduction in costs as shown above.
  • the separation and conditioning 44 separates the hydrocarbons produced in the synthesis device 40 and establishes a state (, T, F) for their subsequent reuse. It takes place z.
  • the compressors required for this purpose are particularly preferably operated with electric current to be stored, since the gas pressure also embodies stored energy.
  • this energy could be recovered or it is less energy use in compressor stations for further transport of the gas required.
  • electrical energy can be obtained by the relaxation takes place via a turbine that drives a generator.
  • a storage 43 for the chemical energy carrier for example methane CH 4 as a gaseous or methanol CH 3 OH as a liquid energy carrier.
  • the energy source as needed to a consumer 45, for example, to the natural gas network, available.
  • the heat can be used in the conditioning of the liquid C0 2 , which corresponds to a coupling process, but here only means loss because the coupling point (liquefaction) is not on site.
  • a biogas plant already has facilities for storing methane, so that arise in a combination of a biogas plant with the device according to the invention synergy both in systemic-technological area, as well as with regard to an optimization of the process plant.
  • H 2 is hydrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

Verfahren und Einrichtung zur Speicherung von Elektroenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung in einer technischen Anlage gebildeten Kohlendioxids und eine Einrichtung zur Speicherung von in einer technischen Anlage gebildetem Kohlendioxid und zur Speicherung von Energie in einem Kohlenwasserstoff.
Die angespannte Situation bei der Speicherung von elektrischer Energie ist vor allem im Zusammenhang mit der verstärkten Nutzung regenerativer Energiequellen wie Wind und Sonnenstrahlung zur Elektroenergieerzeugung entstanden, da diese zwar grundsätzlich in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt werden können, aber die Erzeugung unterliegt sowohl stochastisch fluktuierenden Veränderungen als auch saisonalen Schwankungen, so dass Speicher gebraucht werden, um das Überangebot zu speichern und bei höheren Bedarf wieder zurückzuspeichern. Die physikalische Speicherung z. B. in Pumpspeicherwerken ist eine effiziente Möglichkeit, insbesondere wenn man auch an die Speicherseen in Norwegen und den Alpenländern denkt, jedoch sind die dafür geeigneten Standorte nur begrenzt verfügbar.
Weiterhin existieren Möglichkeiten zur chemischen Speicherung von Elektroenergie. Als Akkumulatoren, auch als Batterien bezeichnet, umgesetzt, bieten diese eine gute Möglichkeit für die Einführung der Elektromobilität. Als große Pufferspeicher sind sie aber gegenwärtig zu wenig effizient. Deshalb ist anderen Verfahren, mit denen in großen Mengen elektrische Energie als chemische Energie speicherbar ist, der Vorzug zu geben. Ausgangspunkt ist die Herstellung von Wasserstoff als Energieträger. Wasserstoff hat aber wenig praxistaugliche Eigenschaften, denn Speicherung und Transport sind aufwändig und gefährlich.
Verfahren, die auf dem gewonnen Wasserstoff aufsetzen und unter Verwendung z. B. von C02 nach dem Sabatier-Prozess Methan oder anderweitig auch Methanol bzw. andere Kohlenwasserstoffe synthetisieren, stellen eine nachhaltig zielführende Lösung zur Speicherung von elektrischem Strom dar. Diese Anwendung dieser technisch gut realisierbaren chemischen Verfahren befindet sich in Entwicklung. Das Problem ist hierbei jedoch die Verfügbarkeit von C02 an den Standorten der Elektroenergieerzeugung durch erneuerbare Energiequellen. Die Zuführung wird entweder über Pipelines realisiert bzw. Tanker oder Fahrzeuge transportieren das C02 gasförmig oder in flüssigem Aggregatzustand zu der Syntheseanlage. C02 in höherer Konzentration ist giftig, der Transport ist teuer und birgt viele Gefahren. Die andere Möglichkeit, C02 aus der Luft zu gewinnen, ist wegen der geringen Konzentration aufwändig, technisch noch nicht ausreichend erprobt und daher gegenwärtig äußerst unwirtschaftlich für den Gesamtprozess. Auf der anderen Seite gibt es eine Reihe von Prozessen, die C02 emittieren und auch in Zukunft betrieben werden müssen, wie Zement- und Rohstahlherstellung, aber auch die als Brückentechnologie mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerke, hier insbesondere die Kohlekraftwerke mit hohen intensiven C02 Emissionen. Hier wird mit dem CCS-Verfahren versucht, das C02 der Rauchgase abzutrennen und in Lagerstätten einzulagern. Aber die Abspeicherung, zudem mit einem vorgelagerten Transport verbunden, ist sehr aufwändig, führt zu einer erheblichen Verringerung des Kraftwerkswirkungsgrades und ist auch mit nicht absicherbaren Gefahren verbunden, da C02 in höheren Konzentrationen giftig für Menschen und Tiere ist. Daher ist die praktische Umsetzung nicht gesichert. Einige Verfahren stützen sich auf eine biologische Verwertung durch C02-verzehrende Organismen. Beispielhaft sei auf die Druckschrift DE 10 2005 062 727 AI, bei der die Verwertung von C02 in einem Photobioreaktor erfolgt, in dem das C02 mehrmals zirkuliert, um den Gehalt in Gas weiter zu senken. Die gebildete Algenbiomasse wird einem Biogasreaktor zugeführt, der einen Kohlenwasserstoff, nämlich Methan, bildet. Allerdings ist dieses Verfahren wegen der langsam ablaufenden Umwandlungsprozesse nicht beliebig skalierbar. Eine Anwendung bei großen C02-Emittenten ist daher ausgeschlossen, denn die resultierende Anlage wäre für eine praktische Anwendung zu groß und zu teuer.
Ein großtechnisch anwendbares Verfahren beschreibt die Druckschrift GB 2 425 824 A, wobei verflüssigtes C02 in Behältern auf dem Meeresgrund dauerhaft gelagert wird. Eine Nutzung des Meeresgrunds schlagen auch die Druckschriften JP 2010-036157 A und KR 10- 1087652 Bl vor. Ein gegenüber dem CCS-Verfahren verringertes Risiko erwächst hieraus jedoch nicht. Auch Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie durch Synthese von Kohlenwasserstoffen sind bekannt. Dabei geht es vor allem um solche Kohlenwasserstoffe, die einfach gespeichert und als Brennstoffe bei Bedarf energetisch wieder zur Stromerzeugung eingesetzt werden können, aber auch um Kohlenwasserstoffe, die als Treibstoff für Antriebe wie Motoren oder Brennstoffzellen von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen oder auch als Grundstoffe für die weitere stoffliche Nutzung, z. B. für die Herstellung von Kunststoffen, verwendet werden können.
Eine Kombination von C02-Verwertung und Energiespeicherung in einem Kohlenwasserstoff beschreibt die Druckschrift DE 10 2009 018 126 AI, die dabei verschiedene Konstellationen von Komponenten vorsieht, bei denen jeweils ein C02-Tank, eine Elektrolyse zur Wasserstoff-(H2)-Erzeugung vorgesehen sind und wobei dann C02 und H2 zu Methan (CH4) synthetisiert werden. Die hierin enthaltene Energie stellt im Wesentlichen die gespeicherte Elektroenergie dar, insbesondere Überschussenergie aus dem Stromnetz, die in die Elektrolyse eingeflossen ist. Das C02 fließt dabei von außen, von entfernten unterschiedlichen Quellen zu, wobei als eine Quelle ein Kraftwerk mit C02-Abtrennung vorgesehen ist. Als eine C02-Quelle innerhalb des Gesamtsystems, ohne Zuführung von außen, ist bei der Biomethanaufbereitung oder der Vergasung von Biomasse entstehendes C02 vorgesehen. Nachteilig ist hierbei, dass eine Nutzungsmöglichkeit der Nebenprodukte von Elektrolyse und Methanisierung weder vorgesehen noch möglich ist. Die energetische Effizienz und die Wirtschaftlichkeit leiden hierunter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage gebildetem Kohlendioxid anzubieten, die eine hohe energetische und stoffliche Effizienz aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage (20) gebildeten Kohlendioxids (C02), wobei beigestellt zu der technischen Anlage (20) mit stofflicher, energetischer und steuerungstechnischer Kopplung eine Synthese (40) von wenigstens einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung des Kohlendioxids (C02) und von Wasserstoff (H2), elektrolytisch aus Wasser (H20) mittels Elektroenergie gewonnen, erfolgt. Mit dem Kohlenwasserstoff wird Elektroenergie in chemischer Form gespeichert.
Weiterhin wird zumindest der im Elektrolyseverfahren anfallende Sauerstoff (02) in der technischen Anlage (20) in einem Verbrennungsprozess der Verbrennungsluft beigemischt, so dass sich der Sauerstoffanteil erhöht und zugleich der entsprechende Anteil Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft durch den Sauerstoff (02) ersetzt wird, was eine Steigerung der Effizienz des Verbrennungsprozesses bewirkt, da die Verbrennung selbst je nach Prozessführung und -ziel umfassender und bei höherer Temperatur erfolgen kann. Zudem ist vorgesehen, dass während der Synthese und/ oder bei der Rauchgasreinigung und/ oder der Abscheidung von Kohlendioxid (C02) vom Rauchgas und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung gewonnenes Wasser in der technischen Anlage und/ oder bei der Elektrolyse und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung verwertet wird.
Die Elektroenergie wird dem System über das Netz zugeführt, stammt aus einer Erzeugungsanlage oder wird in der technischen Anlage selbst erzeugt. Dadurch wird es möglich, den Prozess in der technischen Anlage besonders effizient zu gestalten. Zudem ersetzt der Sauerstoff die dem jeweiligen Prozess zuzuführende Luft, die nur knapp ein Viertel Sauerstoff enthält. Dadurch muss nur noch ein geringerer Gasvolumenstrom im Prozess eingesetzt werden, was wiederum zur Einsparung von Prozessenergie führt. Zudem führt die Passage von Stickstoff durch den Prozess in vielen Fällen, vor allem wenn höhere Temperaturen auftreten, zur Bildung von unerwünschten Stickoxiden, die die Umwelt belasten oder in einem aufwändigen Reinigungsprozess entfernt werden müssen. In jedem Fall werden durch den Einsatz des rückgeführten Sauerstoffs der Abgasmassenstrom verringert, damit zugleich die Wärmeverluste im Prozess vermindert und der Wirkungsgrad gesteigert.
Mit dem nach der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren, bei Kraftwerken eingesetzt, wird es auch möglich, im Netz nicht aufnehmbaren Überschuss-Strom aus beliebigen, gegenwärtig meistens fossil befeuerten, C02 emittierenden Kraftwerken, insbesondere bei schlecht regelbaren Grundlastkraftwerken, für die Erzeugung von speicherbaren Energieträgern einzusetzen. Das Herunterfahren bzw. Abschalten der Erzeugungsanlagen ist mit allen damit einhergehenden Nachteilen vermeidbar, wenn an den Kraftwerken C02- Konvertierungsanlagen beigestellt sind und betrieben werden.
Das Verfahren, die C02-Konvertierung dem Emittenten beizustellen, bringt einem weiteren systemischen Vorteil. Denn in der dabei benutzten Elektrolyse fällt neben Wasserstoff H2 grundsätzlich auch Sauerstoff (02) an. Dieser kann bei den dort ablaufenden Verbrennungsprozessen direkt verwendet werden und verringert den Anteil des den Prozess durchlaufenden unbeteiligten Stickstoffs. Dieses führt zu einem weiteren erfindungsgemäßen Vorteil bei der Abscheidung von C02 aus den Abgasen. Die Verbrennungs- bzw. Umwandlungsprozesse und die dafür erforderlichen technischen Anlagen können durch die Erfindung auch effizienter gestaltet werden, da weniger oder kein Stickstoff mehr durch die Anlage gefahren werden muss.
Im Unterschied dazu gibt es für den bei der Elektrolyse für den Umwandlungsprozess von C02 in Methan, z. B. an Windkraftanlagen durchgeführt, für den gleichfalls elektrolytisch erzeugten Sauerstoff keine systemische Verwendung. Er ist Nebenprodukt und muss entweder abgelassen werden oder aufwendig mit zusätzlich notwendiger Energie in einen transportablen Zustand gebracht werden. Beim exothermen Sabatierprozess, dem Prozess der C02 Konvertierung in Methan, fällt Wärme auf einem Potential von ca. 300 °C an, die im System einer delokalisierten, getrennten C02-Bereitstellung kaum genutzt werden kann. Das Gleiche trifft z. B. auch auf den Prozess der Herstellung von Methanol und höheren Kohlenwasserstoffen zu. Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass die Synthese von Kohlenwasserstoff, bevorzugt Methan oder Methanol, beigestellt zu der technischen Anlage erfolgt. Somit ist es nicht mehr erforderlich, den Transport des bei der technischen Anlage, z.B. einem Kraftwerk, einem Hochofen oder Wärmeofen für Walzwerksprozesse oder einem Drehrohrofen aus der Zementindustrie abgeschiedenen Kohlendioxid C02 an die dafür vorgesehenen Lagerstellen mittels Tankfahrzeugen oder Pipelines vorzunehmen. Für einen solchen Transport wäre außerdem das C02 energieaufwendig zu verflüssigen oder es müsste ebenfalls mit hohen Kosten über Druckgasleitungen an diese Stellen transportiert werden.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Verbrennungsluft in dem Verbrennungsprozess durch ein Gemisch aus Sauerstoff (02) und rückgeführtem Kohlendioxid (C02) ersetzt wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die während der exothermen Synthese und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung anfallende Abwärme bzw. Kälte in der technischen Anlage und/ oder bei den Konditiomerungsschritten der Synthesegase oder dann auch der Syntheseprodukte genutzt wird. Die in den Verfahrensschritten der Abscheidung und Konditionierung erforderliche oder anfallende Energie ist je nach Verfahren aus anderen Systemprozessschritten zu entnehmen oder abzugeben, insbesondere betrifft das Wärme oder Kälte. Die Kälte wird beispielsweise bei der Entspannung des Produktgases gewonnen. Die anfallende Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau, z. B. bei der Elektrolyse, insbesondere der Druckelektrolyse, kann bei einer Syntheseanlage, die bei den Windkraftanlagen steht, nicht systematisch genutzt werden. Das stellt sich erfindungsgemäß ganz anders dar, wenn die Konvertierungsanlagen bei den C02-Emittenten aufgestellt werden. Hier kann diese Abwärme in das System geeignet und bedingt durch die räumliche Nähe einfach und effektiv eingekoppelt werden. Beispielhaft ist als innerprozessualer Anwendungsfall die für die Konditionierung des Endprodukts für die Speicherung bzw. den Transport erforderliche Energie zu nennen, insbesondere die bei Entspannung des Methans aus der Synthese erforderliche Wärme. Diese kann aus den geeigneten Systemprozessstufen, beispielsweise der Elektrolyse, entnommen werden.
Es hat sich auch als günstig erwiesen, die Wärme aus der exothermen Synthese zur zusätzlichen Dampferzeugung für den Antrieb einer Dampfturbine zu nutzen. Dies kann in einer gesonderten Dampfturbine, z.B. zur Energieerzeugung in einer technischen Anlage, die nicht Kraftwerk ist, erfolgen oder aber durch Einbinden der Wärmeenergie in den vorhandenen Dampfkreislauf eines Kraftwerks, auch beispielsweise einer Biogasanlage mit Dampfturbine zur Nutzung der BHKW- Wärme. Anstelle einer Dampfturbine kann auch alternativ oder zusätzlich der Einsatz eines Stirlingmotors oder einer anderen Einrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie aus einer Temperaturdifferenz erfolgen.
Vorteilhaft wird während der Synthese und/ oder bei der Rauchgasreinigung gewonnenes Wasser in der technischen Anlage und/ oder bei der Elektrolyse und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung verwertet. Das betrifft insbesondere das bei der Reinigung und/ oder Abscheidung von C02 vom Rauchgas gleichfalls abgetrennte Wasser, das in der Elektrolyse wieder verwendet werden kann. Weitere Verwendungen des Wassers sind vorgesehen, beispielsweise in dem Dampfprozess eines Kraftwerks oder in einem Stahlwerk, das einen insgesamt hohen Wasserverbrauch aufweist.
Bei einem bevorzugten Einsatzfall der Erfindung ist die technische Anlage ein Verbrennungskraftwerk, dessen C02 des Abgases der Synthese und der Sauerstoff (02) aus der Elektrolysestufe des Verfahrens unmittelbar unaufwändig der Verbrennung des Verbrennungskraftwerks zugeführt werden. Neben einem Kraftwerk kann der Einsatz auch bei einem sonstigen Hochtemperaturprozess, wie z.B. in der Zement-, Glas- oder Stahlindustrie, erfolgen. Damit wird der Luftstickstoff aus dem Verbrennungs- bzw. Umwandlungsprozess teilweise oder ganz verdrängt. Bei Kraftwerken bedeutet das die Hinwendung zum OxyFuel-Prozess. Im Gegensatz zur konventionellen Verbrennung mit Luft wird der Brennstoff mit nahezu reinem Sauerstoff (also ohne oder nur mit geringem Anteil von Stickstoff und Argon) verbrannt. Das Oxyfuel- Verfahren eignet sich daher als Grundlage für Kraftwerksprozesse, die eine Abscheidung und damit Sequestrierung des bei der Verbrennung entstandenen Kohlendioxids (C02) erlauben. Die Abscheidung des C02 aus dem Rauchgas kann dann mit geringerem Aufwand durchgeführt werden. Eine extra Konditionierung des 02 für einen Transport entfällt. Die gesonderte Gewinnung von Sauerstoff für den Verbrennungs- bzw. Umwandlungsprozess, die sonst mit erheblichem technischem und energetischem Aufwand verbunden ist und somit ein Hindernis für die Etablierung des Oxyfuel-Verfahrens darstellt, kann entfallen oder vermindert werden.
Für den Einsatz der Erfindung hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die technische Anlage eine chemische Wandlungsanlage ist, deren C02 des Abgases der Kohlenwasserstoffsynthese und der Sauerstoff aus der Elektrolysestufe dem Prozess der chemischen Wandlungsanlage zugeführt werden, während die Elektroenergie aus dem Stromnetz oder von einer Erzeugungsanlage heranführt wird. Solche chemischen Wandlungsanlagen, die starke C02-Emissionsquellen darstellen, sind in der Stahlindustrie anzutreffen, wie Hochöfen oder Wärmeöfen z. B. für Walzwerksprozesse. Auch in der Zementindustrie werden von den Drehrohröfen große Mengen von C02 aus der Kalkumwandlung emittiert. Beide beispielhaft als Einsatzgebiete der Erfindung genannten Prozesse, der Hochofenprozess und der Kalkbrennprozess, werden nicht durch C02-freie Prozesse ersetzt werden können. Die Vorzüge, die aus dem Einsatz von Sauerstoff im Prozess der chemischen Umwandlungsanlage resultieren, entsprechen den oben zum Verbrennungskraftwerk beschriebenen. Hinzu kommt gegebenenfalls noch eine höhere Produktqualität.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Kohlenwasserstoff Methan gebildet wird und Synthese sowie Konditionierung von Methan auf Druckniveaus erfolgen, die letztlich die unmittelbare Einspeisung in ein Erdgasnetz ermöglichen. Denn Methan kann wie Erdgas in bestehenden Strukturen, wie z. B. dem Erdgasnetz, transportiert und gespeichert werden. Es stellt einen Ersatz für fossiles Erdgas dar. Ebenso kann Methanol in bestehenden Strukturen als Treibstoff für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen oder als Brennstoff für die Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Bevorzugt werden zur Synthese des Kohlenwasserstoffs die Prozessschritte Abscheidung und Konditionierung des Kohlendioxids (C02) aus dem Abgas, Elektrolyse von Wasser, Bildung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02), Pufferung von Wasserstoff (H2) und/ oder von Sauerstoff (02), Konditionierung des Wasserstoffs (H2) für die Synthese, Mischung und/ oder Injektion der Synthesegase Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (C02) vor oder in einem Syntheseapparat (40), Abführen von Prozesswärme des Syntheseapparats (40) zumindest zu der technischen Anlage (20), Abführen des Kohlenwasserstoffs zur Speicherung und/ oder zur energetischen oder stofflichen Nutzung, Abführen der Nebenprodukte der Elektrolyse, zumindest des Sauerstoffs (02), zur technischen Anlage (20), Abführen der Nebenprodukte der Abgasreinigung, zumindest des anfallenden Wassers, zur technischen Anlage (20) und/ oder zur Elektrolyseeinrichtung (41) und Abführen der Nebenprodukte der Synthese, zumindest des anfallenden Wassers, zur technischen Anlage (20) und/ oder zur Elektrolyseeinrichtung (41) im Wesentlichen ausgeführt und verlaufen im Wesentlichen parallel.
Das Abgas der C02 emittierenden technischen Anlagen wird nach aus der Kraftwerkstechnik und oder für chemische Wandlungsanlagen bekannten Verfahren gereinigt und damit von Fremdstoffen, wie Staub, S02, NOx usw. sowie gegebenenfalls organischen Verbindungen, befreit und besteht nachher noch aus den Bestandteilen H20, C02 und N2 sowie gegebenenfalls aus Resten von CO. Dabei erfolgt gleichzeitig eine Konditionierung auf einen physikalischen Zustand Druck p, Temperatur T und Feuchte F, der für die Folgeprozesse vorteilhaft ist. Nach der Reinigung erfolgt die Abscheidung von H20 und C02 nach bekannten Verfahren aus dem gereinigten, geeignet konditionierten Abgas. N2, 02 sowie gegebenenfalls CO verlassen gasförmig die Anlage. Nach der Abscheidung erfolgt eine Konditionierung des C02 auf einen für die Synthese erforderlichen Zustand (p, T, F). H20 wird vorrangig in den Gesamtprozess zurückgeführt.
Parallel dazu wird eine Elektrolyse, die beispielsweise als eine Druckelektrolyse ausgeführt ist, unter Nutzung des zu speichernden Stroms durchgeführt. Der entstehende Wasserstoff wird entweder entsprechend konditioniert der Synthese zugeführt oder bevorzugt in einem für die Speicherung geeigneten Zustand (p, T) in einem Puffer abgespeichert. Daraus wird er bei Bedarf in den für den Konvertierungsprozess erforderlichen Mengen im für die Synthese erforderliche Zustand ( , T) entnommen. Dabei wird bevorzugt der in der Elektrolyse produzierte Wasserstoff in seinen Parametern auch schon auf den erforderlichen Zustand des Wasserstoffs für die Synthese bzw. auf die Parameter für die Speicherung ausgerichtet. Die konditionierten Synthesegase H2 und C02 werden vor oder im Apparat des Syntheseprozess geeignet gemischt bzw. einzeln oder gemeinsam injiziert, wobei der Prozess je nach Katalysator und Syntheseprodukt bei erhöhtem Druck und Temperatur abläuft und Abwärme aus der exothermen Synthese abgeführt werden muss. Diese wird im System verwendet, z. B. bei Konditionierungsprozessen, aber auch zur zusätzlichen Dampferzeugung für den Antrieb einer Dampfturbine.
Das Produkt des Syntheseapparats besteht aus dem gewünschten Kohlenwasserstoff, z. B. Methan oder Methanol, sowie Wasser auf einem höheren als Normaltemperatur- und -druckniveau.
Nach der Syntheseeinheit werden in einem bevorzugt gestuften Kondensator das entstandene Wasser und ggf. Methanol oder andere Kohlewasserstoffe auskondensiert. Bei der Methansynthese können die gegebenenfalls erforderliche Entspannung und die Kondensation des Wassers auf einem Druckniveau erfolgen, das die direkte Einspeisung in die entsprechend vorhandenen Erdgasdrucknetze oder -druckspeicher gestattet.
Bei der Methanolsynthese wird das Syntheseprodukt auf Normaldruck entspannt und stufenweise Wasser und danach Methanol auskondensiert. Das entstehende Wasser kann bei der Elektrolyse oder bei Dampfkraftwerken als Speisewasser eingesetzt werden. Die Syntheseprodukte werden an der Anlage in Zwischenspeichern abgelegt, von denen aus die Weiterverteilung erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Einrichtung zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage gebildetem Kohlendioxid, aufweisend eine Konditionierungsanlage für Kohlendioxid, einen Syntheseapparat für wenigstens einen Kohlenwasserstoff, eine Abscheidungs- und Konditionierungsanlage für Kohlenwasserstoff und einen Kohlenwasserstoffspeicher, wobei die Einrichtung der technischen Anlage beigestellt und Einrichtungen zur Rückführung zumindest von synthetisiertem Sauerstoff von der Einrichtung zu der technischen Anlage vorgesehen ist. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verwendung eines Verfahrens zur Abgasreinigung und/ oder eines Verfahrens zur Kohlenwasserstoffsynthese, vor allem Methan- oder Methanolsynthese, zur Gewinnung von Wasser. Das Wasser ist insbesondere vorgesehen zur Verwendung in einer Elektrolyse und/ oder als Speisewasser für einen Dampfprozess. Hierdurch ist in Hinblick auf den Gesamtprozess zur Speicherung von Elektroenergie ein Kreislaufprozess etablierbar, in dem unter Schonung von Wasserressourcen und das prozesstechnisch nötige Wasser im Kreis geführt wird. Auch der hohe Wasserbedarf eines Kraftwerks mit Dampferzeugung wird gesenkt, wenn Wasser aus dem Rauchgas, das bei dessen Austrocknung anfällt oder im Rahmen der nassen C02- Abscheidung gewonnen wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung nehmen die Entwicklungen zur Speicherung von Strom in Methan, Methanol usw. auf und bieten eine Lösung für die Probleme bei den Prozessen mit fossilen Kohlenstoffen an. Insbesondere für die Kohlekraftwerke mit den nicht praktikablen CCS-Verfahren, aber auch für andere Umwandlungsprozesse ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile mit dem Ziel der Speicherung von Elektroenergie und den Möglichkeiten der Minderung von C02-Emissionen bei den Prozessen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung sind natürlich auch auf solche Prozesse anwendbar, wo nichtfossile Energieträger zum Einsatz kommen, wie Kraftwerke und Heizwerke mit Biomasse- oder Biogasfeuerung, in dem Fall in kleineren apparativen Einheiten.
Die vorstehend beschriebene Erfindung passt systemisch auch zum CCS-Verfahren zur C02- Abscheidung und -Speicherung bei Kraftwerken, wobei das Verfahren in Hinsicht auf das Verfahren zur C02-Abscheidung und -Umwandlung abzuwandeln, das heißt mit dem Verfahren der Gewinnung von Kohlewasserstoffen aus Strom von erneuerbaren Energiequellen zu verbinden ist, und damit die dem CCS-Verfahren anhaftenden Probleme zu kompensieren. Vorgesehen ist auch, dass im Kraftwerk selbst erzeugter Strom verwendet wird, um bei verminderter Anforderung aus dem Netz ein Absenken der Leistung oder die Abschaltung und damit das Ab- und Anfahren des Kraftwerks zu vermeiden. Das ist wirtschaftlich vorteilhaft und der Anlagenverschleiß wird gemindert.
Zusammengefasst werden folgende Vorteile durch die Erfindung verwirklicht: • Das abgeschiedene C02 aus den Verbrennungsprozessen und den Wandlungsprozessen kann direkt vor Ort genutzt werden. Der Transport von entsprechend aufwendig konditioniertem C02 über große Entfernungen entfällt. · Die Abwärme der in der Regel exothermen Konvertierungsprozesse, z. B. des Sabatierprozesses bei der Methansynthese, kann im Prozess mit eingekoppelt werden, z. B. bei der wärmeaufwändigen C02-Abscheidung aus dem gereinigten Rauchgas, was durch die Energieeinsparung ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil ist. · Der Sauerstoff aus der Elektrolyse wird in der technischen Anlage verwendet, insbesondere im Kraftwerksprozess zur Verbrennung oder in einem Umwandlungsprozess, in dem Sauerstoff oder Luft benötigt wird.
• Das Abgas wird ressourcenschonend als Wasserquelle genutzt, insbesondere als Speisewasser für die Dampferzeugung und/ oder für die Elektrolyse.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Fließschema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist als technische Anlage ein Kraftwerk 20 vorgesehen. Es kann sich hierbei um ein Kraftwerk, beispielsweise ein Braunkohlenkraftwerk, handeln. Das Kraftwerk 20 wird mit Brennstoff 21, Luft 22 und Wasser H20 beliefert. Daneben ist auch die Einspeisung von Sauerstoff 02 vorgesehen. Das Kraftwerk 20 emittiert Rauchgas 23. Dieses gelangt zur Rauchgaskühlung 37, wo es unter Gewinnung von Abwärme 38 abgekühlt wird. Es folgt die Reinigung bzw. Wäsche 30, wo das Rauchgas 23 gereinigt wird, wobei Staub 31, Schwefeldioxid S02 sowie weitere Stoffe 32 abgetrennt werden. Die Zusatzstoffe werden einer gesonderten Behandlung außerhalb des hier betrachteten erfindungsgemäßen Prozesses zugeführt. Nach der Abscheidung der vorgenannten Stoffe verbleibt ein Abgas, das neben Kohlendioxid C02 noch Wasserdampf H20, Stickstoff N2 sowie in geringeren Mengen Kohlenmonoxid CO und Stickstoff N2 enthält.
Um das letztlich für die Synthese eines Kohlenwasserstoffs erwünschte reine Kohlendioxid C02 zu erhalten, ist der Abscheider 33 erforderlich, mit dem Wasser H20 und der Stickstoff N2 abgetrennt werden. Stickstoff N2 wird über einen Schornstein 36 in die Atmosphäre abgegeben.
Das abgeschiedene Wasser H20 hingegen findet eine Nutzung an verschiedenen Stellen des Prozesses. Im Ausführungsbeispiel ist gezeigt, wie das Wasser in der Elektrolyseeinrichtung 41 sowie im Kraftwerk 20 Verwendung findet. Weitere Nutzungsmöglichkeiten sind vorgesehen, insbesondere wenn anstelle des Kraftwerks 20 eine andere technische Anlage, beispielsweise eine chemische Umwandlungsanlage, vorgesehen ist. Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass Kohlendioxid mittels eines Verdichters 35 auf Synthesedruck komprimiert und dem Syntheseprozess zugeführt, aber auch in einem C02-Puffer gepuffert wird um Überschüsse zu speichern, aber auch bei erhöhtem Bedarf C02 abzugeben. Ein solcher Pufferspeicher ermöglicht die Anpassung der unterschiedlichen Prozessstufen, so dass in der Folge sowohl die Erzeugung von Kohlendioxid C02 als auch dessen Verwendung ohne Rücksicht auf die jeweils anderen Prozessstufen erfolgen kann. So kann beispielsweise die Kohlendioxiderzeugung in dem Abscheider 33 in vollem Umfang weiterlaufen, auch wenn die Abnahme von Kohlendioxid stoppt, beispielsweise durch eine Störung in der Syntheseeinrichtung 40. Das produzierte Kohlendioxid wird in den C02-Speicher geladen. Gibt es Probleme mit der Bereitstellung von Kohlendioxid, so kann die Syntheseeinrichtung 40 ihren Grundstoff für die Zeit des Ausfalls aus dem C02-Speicher 34 entnehmen, ohne infolge eines Mangels an Kohlendioxid die Leistung mindern zu müssen.
Die Syntheseeinrichtung 40 wird neben dem Kohlendioxid C02 mit Wasserstoff H2 beliefert. Sie gibt neben dem Hauptprodukt, dem Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, weiterhin Wasser H20 und Abwärme 38 ab. Der Wasserstoff H2 gelangt von der Elektrolyseeinrichtung 41 zur Syntheseeinrichtung 40. Der in der Elektrolyseeinrichtung 41 eingesetzte elektrische Strom 42 umfasst Strom aus erneuerbaren Energien, herangeführt über das Stromnetz, Strom aus Erzeugungsanlagen oder Strom aus der technischen Anlage, der die erfindungsgemäße Einrichtung beigestellt ist, wobei der Strom direkt zur Speicherung herangeführt wird. Das betrifft somit beispielsweise Windstrom aus dem Stromnetz oder aus dem Kraftwerk 20 bei zu geringer Stromabnahme, elektrolytisch hergestellt.
Neben dem Hauptprodukt Wasserstoff H2 stellt die Elektrolyseeinrichtung 41 auch Sauerstoff 02 bereit. Dieser wird in der bevorzugten Ausführungsform der technischen Anlage, hier dem Kraftwerk 20, zugeführt. Dort ermöglicht der kostengünstig bereitgestellte Sauerstoff eine Erhöhung der Effizienz und eine Senkung der Kosten wie oben dargestellt.
Die Abscheidung und Konditionierung 44 trennt die in der Syntheseeinrichtung 40 erzeugten Kohlenwasserstoffe und stellt einen Zustand ( , T, F) für ihre nachträgliche Weiterverwendung her. Es erfolgt z. B. die Druckanpassung auf den Druck der Erdgasverbundleitung, die eine Voraussetzung für die Einspeisung darstellt. In Anhängigkeit von dem im Netz vorhandenen Leitungsdruck wird der Druck bei der Druckanpassung erhöht oder vermindert. Die Druckanpassung wird erleichtert, in dem die vorgelagerten Prozesse, insbesondere in der Elektrolyseeinrichtung 41 und der Syntheseeinrichtung 40, bereits bei erhöhtem Druck durchgeführt werden. Das führt neben einem Verzicht auf eine nachträgliche Druckerhöhung zudem zu einer erhöhten Effizienz der genannten Prozesse.
Besonders bevorzugt werden im Falle einer Druckerhöhung auch die hierzu erforderlichen Verdichter mit zu speicherndem elektrischem Strom betrieben, da auch der Gasdruck gespeicherte Energie verkörpert. So könnte bei einer Entspannung diese Energie zurückgewonnen werden oder es ist weniger Energieeinsatz in Verdichterstationen zum Weitertransport des Gases erforderlich. Umgekehrt kann bei der Druckminderung Elektroenergie gewonnen werden, indem die Entspannung über eine Turbine erfolgt, die einen Generator antreibt.
Vorgesehen ist weiterhin ein Speicher 43 für den chemischen Energieträger, beispielsweise Methan CH4 als gasförmigen oder Methanol CH3OH als flüssigen Energieträger. Aus dem Speicher 43 ist der Energieträger nach Bedarf an einen Verbraucher 45, beispielsweise an das Erdgasnetz, lieferbar.
Neben dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung an großen Emittenten von Kohlendioxid, diesen beigestellt, verspricht auch die Kombination mittlerer Erzeugungsanlagen von Elektroenergie aus erneuerbaren Quellen besondere Vorteile. So ist die vorgenannte Speichermöglichkeit an einer Windkraftanlage, wenn diese Strom erzeugt, der im Netz nicht aufgenommen werden kann, ein wichtiger Beitrag zu einer Dezentralisierung der Energienetze, damit zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und zur Vermeidung von Energietransporten, die über lange Strecken verlustreich und über kostenintensive Infrastruktur erfolgen müssen. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass eine solche dezentrale Speicherung mangels kostengünstiger und praktisch handhabbarer Kohlendioxidquellen bislang nicht praktikabel ist.
Es sind auch Verfahren und Einrichtungen bekannt, die direkt bei Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien, wie z. B. Windparks oder Fotovoltaikparks, aufgestellt werden sollen, um den erzeugten Strom aus erneuerbaren, gegebenenfalls fluktuierenden Energiequellen bei einem Überschuss zu puffern, gegebenenfalls aber auch bewusst für die Speicherung, z. B. in speicherfähigem Methan oder Methanol, vorzusehen. Dabei wird der elektrische Strom genutzt, um in einer Elektrolyse Wasserstoff herzustellen, mit dem dann mit Hilfe des C02 Methan synthetisiert wird.
Das Problem bei diesen Anlagen ist die Bereitstellung des C02. Dessen Gewinnung aus der Luft ist möglich, aber aufwändig und teuer und stellt somit ein technisches, vor allem aber ein wirtschaftliches Hindernis dar. Es bleibt damit nur der Transport des Gases von dem C02- Emittenten durch Pipelines oder in flüssigem Zustand mittels Tankern.
Bei den delokalisierten Konvertierungsanlagen zur Speicherung des Stroms in Methan bei Windparks kann zwar gegebenenfalls die Wärme bei der Konditionierung des flüssigen C02 verwendet werden, was einem Koppelprozess entspricht, aber hier nur Verlust bedeutet, da die Koppelstelle (Verflüssigung) nicht vor Ort ist.
Hier könnte eine Einbindung einer Biogasanlage Abhilfe schaffen, die gleich mehrere Quellen für Kohlendioxid aufweist, die bei Bedarf genutzt werden können. Dies betrifft den Anteil an Kohlendioxid, den das Biogas neben dem energetisch erwünschten Anteil an Methan aufweist. Das Kohlendioxid wird zuvor abgetrennt, wenn eine Einspeisung als aufbereitetes Methan vorgesehen ist. Ist demgegenüber jedoch eine Verstromung vor Ort in einer Kraft- Wärme-Kopplungsanlage, beispielsweise einem BHKW, vorgesehen, so weist das Abgas des BHKW sowohl Kohlendioxid als Verbrennungsprodukt auf, als auch das als Bestandteil des Biogases durch den Verbrennungsprozess hindurchgeführte Kohlendioxid auf. Somit stellt das Abgas ebenfalls eine wertvolle Kohlendioxidquelle dar.
Zudem verfügt eine Biogasanlage ohnehin über Einrichtungen zur Speicherung von Methan, so dass sich bei einer Kombination von einer Biogasanlage mit der erfindungsgemäßen Einrichtung Synergieeffekte sowohl auf systemisch-technologischem Gebiet, als auch hinsichtlich einer Optimierung der verfahrenstechnischen Anlage ergeben. Bezugszeichenliste
1 Speicheranordnung
20 Kraftwerk, Verbrennungskraftwerk, technische Anlage
21 Brennstoff
22 Luft
23 Rauchgas
24 Dampfturbine
30 Reinigung, Wäsche, Konditionierungsschritt
31 Staub
32 weitere abgetrennte Stoffe
33 Abscheider, Konditionierungsschritt
34 C02-Speicher
35 Verdichter
36 Schornstein
37 Rauchgaskühlung, Konditionierungsschritt
38 Abwärme
40 Syntheseeinrichtung
41 Elektrolyseeinrichtung
42 elektrischer Strom
43 Speicher für chemischen Energieträger
44 Abscheidung und Konditionierung
45 Verbraucher, Erdgasnetz
46 Puffer
C02 Kohlendioxid
CO Kohlenmonoxid
H20 Wasser
H2 Wasserstoff
CH4 Methan
S02 Schwefeldioxid
N2 Stickstoff
CH3OH Methanol
02 Sauerstoff Wärme Druck Temperatur Feuchte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage (20) gebildeten Kohlendioxids (C02), dadurch gekennzeichnet, dass beigestellt zu der technischen Anlage (20) mit stofflicher, energetischer und steuerungstechnischer Kopplung eine Synthese (40) von wenigstens einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung des Kohlendioxids (C02) und von Wasserstoff (H2), elektrolytisch aus Wasser (H20) mittels Elektroenergie gewonnen, erfolgt, und wobei mit dem Kohlenwasserstoff Elektroenergie in chemischer Form gespeichert wird, wobei zumindest der im Elektrolyseverfahren anfallende Sauerstoff (02) in der technischen Anlage (20) in einem Verbrennungsprozess der Verbrennungsluft beigemischt wird, so dass der entsprechende Anteil Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft durch den Sauerstoff (02) ersetzt wird, und wobei während der Synthese (40) und/ oder bei der Rauchgasreinigung (30) und/ oder der Abscheidung von
Kohlendioxid (C02) vom Rauchgas und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung (30, 33, 37) gewonnenes Wasser in der technischen Anlage (20) und/ oder bei der Elektrolyse (41) und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung (30, 33, 37) verwertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsluft in dem Verbrennungsprozess durch ein Gemisch aus Sauerstoff (02) und rückgeführtem Kohlendioxid (C02) ersetzt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der exothermen Synthese (40) und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung (30, 33, 37) anfallende Abwärme (38) oder Kälte in der technischen Anlage (20) und/ oder bei den Verfahrensschritten der Konditionierung (30, 33, 37) der Syntheseprodukte verwertet wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Wärme (38) aus der exothermen Synthese (40) zur zusätzlichen Dampferzeugung für den Antrieb einer Dampfturbine (24) genutzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die technische Anlage (20) ein Verbrennungskraftwerk ist, dessen Kohlendioxid (C02) des Abgases der Synthese (40) und der Sauerstoff (02) aus der Elektrolysestufe des Verfahrens der Verbrennung des Verbrennungskraftwerks (20) zugeführt werden, und wobei die Elektroenergie aus dem Netz herangeführt und/ oder aus dem Verbrennungskraftwerk verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die technische Anlage (20) eine chemische Wandlungsanlage ist, deren Kohlendioxid (C02) des Abgases der Synthese (40) und der Sauerstoff (02) aus der Elektrolysestufe des Verfahrens dem Prozess der chemischen Wandlungsanlage zugeführt werden, während die Elektroenergie aus dem Stromnetz oder von einer Erzeugungsanlage heranführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Kohlenwasserstoff Methan (CH4) gebildet wird und Synthese sowie Konditionierung des Methans (CH4) auf Druckniveaus erfolgen, die letztlich die unmittelbare Einspeisung in ein Erdgasnetz (45) ermöglichen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Synthese des Kohlenwasserstoffs die Prozessschritte
- Abscheidung und Konditionierung des Kohlendioxids (C02) aus dem Abgas,
- Elektrolyse von Wasser, Bildung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02),
- Pufferung von Wasserstoff (H2) und/ oder von Sauerstoff (02),
- Konditionierung des Wasserstoffs (H2) für die Synthese,
- Mischung und/ oder Injektion der Synthesegase Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (C02) vor oder in einem Syntheseapparat (40),
- Abführen von Prozesswärme des Syntheseapparats (40) zumindest zu der technischen Anlage (20),
- Abführen des Kohlenwasserstoffs zur Speicherung und/ oder zur energetischen oder stofflichen Nutzung,
- Abführen des Nebenproduktes der Elektrolyse, des Sauerstoffs (02), zur Nutzung in der technischen Anlage (20),
- Abführen der Nebenprodukte der Abgasreinigung und/ oder Konditionierung, zumindest des anfallenden Wassers, zur technischen Anlage (20) und/ oder zur Elektrolyseeinrichtung (41) und - Abführen der Nebenprodukte der Synthese, zumindest des anfallenden Wassers, zur technischen Anlage (20) und/ oder zur Elektrolyseeinrichtung (41) im Wesentlichen parallel ausgeführt werden. 9. Einrichtung zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage (20) gebildetem Kohlendioxid (C02), aufweisend eine Konditionierungsanlage für Kohlendioxid (C02), einen Elektrolyseapparat zumindest für die Erzeugung Wasserstoff, einen Syntheseapparat (40) für die Erzeugung wenigstens eines Kohlenwasserstoffs, eine Abscheidungs- und Konditionierungsanlage (44) für Kohlenwasserstoff und einen Kohlenwasserstoffspeicher
(43), wobei die Einrichtung der technischen Anlage (20) beigestellt und Einrichtungen zur Rückführung zumindest von synthetisiertem Sauerstoff (02) von der Einrichtung zu der technischen Anlage (20) vorgesehen ist, und wenigstens eine Einrichtung zur prozesstechnischen Führung von während der Synthese (40) und/ oder bei der Rauchgasreinigung (30) und/ oder der Abscheidung von C02 vom Rauchgas gewonnenen
Wassers zu der technischen Anlage (20) und/ oder zur Verwertung bei der Elektrolyse (41) und/ oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung (30, 33, 37) .
10. Verwendung eines Verfahrens zur Abgasreinigung und/ oder eines Verfahrens zur Kohlenwasserstoffsynthese zur Gewinnung von Wasser.
11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei wenigstens eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird. 12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei das Wasser in einer Elektrolyse und/ oder als Speisewasser für einen Dampfprozess genutzt wird.
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