AT514614B1 - Verfahren und System zum Speichern von Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicherverfahren, in dem mit elektrischem Strom durch Wasserelektrolyse H2 erzeugt wird, weiters CO2 erzeugt wird und aus dem H2 und CO2 durch Methanisierung CH4 erzeugt wird und das dadurch gekennzeichnet ist, dass: a) das CO2 neben CH4 in einer Biogasanlage erzeugt wird; b) das CO2 und CH4 im Biogas in einem Membrantrennsystem mittels selektiver Gastrennmembranen in einen CH4-reichen Gasstrom und einen CO2-reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei der CO2-reiche Gasstrom durch Methanisierung mit dem erzeugten H2 zu einem CH4, CO2 und H2 umfassenden Produktgas umgesetzt wird; c) zumindest ein Teil des Produktgases in einem Membrantrennsystem aufgetrennt wird, um CO2 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und d) dass die Auftrennung des Biogases und die Auftrennung des Produktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 in der Lage sind.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Speichern von Energie.

[0002] Aufgrund des Klimawandels und der Knappheit der fossilen Energieressourcen verschiebt sich der Fokus der Energieversorgung zunehmend in Richtung erneuerbarer Energiequellen. Neben Biomasse bieten Photovoltaik und Windkraft ein riesiges Potential für die Produktion klimafreundlicher Energie. Da die spezifischen Investitionskosten dieser Technologien kontinuierlich abnehmen und die Betriebsstabilität und Konversionsgrade ständig verbessert werden, werden immer mehr Photovoltaik- und Windkraftprojekte realisiert. Für die nähere Zukunft wird ein durchschnittlicher Anstieg der Energieproduktion aus Wind- und Solarkraft von 7% jährlich prognostiziert.

[0003] Einer der Flauptnachteile von Wind- und Solarkraft liegt in der Periodizität bzw. unkontrollierbaren Fluktuation der Energieproduktion, die von den Wetterbedingungen abhängig ist. An windigen und sonnigen Tagen wird bisweilen übermäßig viel Energie produziert, während bewölkten Flauten oder in windstillen Nächten fällt hingegen praktisch keine Energie an. Die Lösung dieses Problems liegt in der Speicherung der überschüssigen Energie, um diese in Perioden relativer Energieknappheit verwenden zu können.

[0004] Da elektrischer Strom nicht "gespeichert", im engeren Wortsinn, werden kann und jegliche Leitung (z.B. von einem Verbrauchemetz in ein anderes) entsprechende Leitungsverluste mit sich bringt, muss für die Speicherung eine Umwandlung der elektrischen Energie in andere Energieformen, z.B. thermische oder chemische Energie, erfolgen.

[0005] Beispielsweise wurde vorgeschlagen, mittels Überschussstroms durch Wasserelektrolyse Wasserstoff (H2) zu erzeugen, der gespeichert und bei Bedarf zur Gewinnung thermischer Energie verbrannt oder wieder verströmt werden kann. Auch ist bekannt, diesen Wasserstoff zur Synthese von Methan (CH4) aus Kohlenoxiden (CO, C02) einzusetzen. Das so erhaltene CH4 wird daher gelegentlich auch als "Windgas" bzw. "Solargas" bezeichnet.

[0006] Als jüngerer Stand der Technik werden beispielsweise in WO 2009/019159 A1, WO 2010/115983 A1 und DE 10 2011 013 922 A1 Verfahren und zugehörige Anlagen offenbart, bei denen jeweils ein kohlenstoffhaltiges Gas mit H2, das durch Wasserelektrolyse mittels Überschussstroms (z.B. aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen) erzeugt wurde, zu CH4 oder anderen brennbaren Kohlenwasserstoffen (z.B. mittels Fischer-Tropsch-Synthese) umgesetzt (d.h. hydriert) wird. Durch Verbrennung dieser Kohlenwasserstoffe wird wiederum Strom erzeugt ("Verstromung"). Die Verbrennungsprodukte können rezykliert und erneut zur Kohlenwasserstoffsynthese genutzt werden. Der im Verfahren enthaltene Kohlenstoff wird somit (zumindest teilweise) im Kreis geführt.

[0007] Als C02-Quelle können unter anderem Biogas oder Rauchgase verwendet werden - sei es zur Gänze oder nur das darin enthaltene C02 nach Abscheidung von den übrigen Komponenten der Gasgemische. Mitunter kann auch das bei der Verstromung der Kohlenwasserstoffe entstehende Rauchgas aufgetrennt werden, d.h. C02 daraus abgeschieden und zur Kohlenwasserstoff-Synthese rezykliert werden.

[0008] Weiters ist im Stand der Technik auch die Möglichkeit der Einspeisung zumindest eines Teils der erzeugten Kohlenwasserstoffe als Zusatz- oder Austauschgas in ein Grundgasnetz (womit vor allem zusätzliches Methan oder andere Kohlenwasserstoffe anstatt Methan in ein Erdgasnetz gemeint ist) offenbart, sowie die Nutzung des bei der Elektrolyse frei werdenden Sauerstoffs zur Verbrennung bei der Verstromung des CH4 (oder anderer Kohlenwasserstoffe), d.h. dass auch das 02 im Kreis geführt werden kann.

[0009] Der Einfachkeit halber wird in der Folge, sofern aus dem Kontext nicht Gegenteiliges hervorgeht, der Ausdruck "Methanisierung" als Synonym für alle derartigen Kohlenwasserstoff-Synthesen unter Verwendung von CO und/oder C02 und H2 gebraucht, auch wenn dabei nicht (nur) Methan, sondern (auch) höhere Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Analog dazu werden "Methan" und "CH4" in der Regel auch synonym für "Kohlenwasserstoff gebraucht und umfasst somit auch höhere brennbare Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan usw. In ähnlicher Weise sind nachstehend unter "C02" und "Kohlendioxid" auch CO oder Gemische von C02 und CO zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich Kohlenmonoxid oder Gemische davon mit Kohlendioxid erwähnt werden oder der Kontext dies zwingend verlangt, wie dies dem Fachmann klar sein wird.

[0010] Zudem werden hierin in der Folge mit "Biogas" nicht nur, wie allgemein üblich, die Produkte der Vergärung von Biomasse, d.h. vorwiegend CH4 und C02 enthaltende Gasgemische, bezeichnet, sondern auch die bei der Vergasung von festen oder flüssigen Ausgangsstoffen (z.B. Biomasse, Holz, Kohle) erhaltenen Gasgemische, die vor allem CO und als Nebenbestandteile, je nach den Vergasungsbedingungen, mitunter H2, C02 und/oder CH4 sowie geringe Mengen an Wasserdampf oder sonstigen Gasen enthalten. Falls z.B. H2S eine Komponente ist, kann das Gasgemisch einer Entschwefelung unterzogen werden, da Schwefel bei der Methanisierung ein Katalysatorgift für die zumeist verwendeten Nickelkatalysatoren darstellt.

[0011] Die Nachteile der zuvor beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik liegen vor allem darin, dass die erzeugten Kohlenwasserstoffe, wie z.B. CH4, häufig nicht in ausreichender Reinheit anfallen, sondern mit mehr oder weniger großen Mengen anderer Gase, insbesondere CO bzw. C02 und H2, verunreinigt sind. Dies erschwert eine direkte Nutzung der Kohlenwasserstoffe durch Verstromung oder Einspeisung in Erdgasnetze oder macht sie sogar oftmals unmöglich. In jedem Fall müssen aufgrund des höheren Gasvolumens die Anlagen größer dimensioniert werden, was höhere Errichtungs- und Betriebskosten nach sich zieht, insbesondere wenn der Methanisierung eine oder mehrere Gastrennstufen nachgeschaltet werden müssen, um einzelne begleitende Gase von den gewünschten Kohlenwasserstoffen abzutrennen.

[0012] Der Stand der Technik bietet durch die optionale Abscheidung von C02 aus Biogas oder Rauchgasen, um es danach im Wesentlichen frei von verunreinigenden Gasen der Methanisierung zuzuführen, nur eine Teillösung dieser Problematik. Da die Methanisierungsreaktion, d.h. die Hydrierung von C02 mit H2 zu Kohlenwasserstoffen, unvollständig abläuft, ist im Produktgas zwangsläufig zumindest eine Ausgangskomponente, also C02 und/oder H2, enthalten, und in der Regel sogar beide.

[0013] Ziel der Erfindung war vor diesem Hintergrund die Entwicklung eines verbesserten Energiespeicherverfahrens und einer entsprechenden Anlage, mit denen die obigen Nachteile zumindest teilweise ausgemerzt werden können.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0014] Dieses Ziel erreicht die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Speichern von Energie, in dem in bekannter Weise elektrischer Strom dazu genutzt wird, durch Wasserelektrolyse H2 zu erzeugen, weiters C02 erzeugt wird, aus dem erzeugten H2 und C02 durch Methanisierung CH4 erzeugt wird; und [0015] i) manche oder alle der erzeugten Gase zwischengespeichert werden; und/oder [0016] ii) das erzeugte CH4 zur Erzeugung von elektrischem Strom verströmt wird; und/oder [0017] iii) das erzeugte CH4 in ein Erdgasnetz eingespeist wird; und das dadurch gekenn zeichnet ist, dass: [0018] a) das C02 in einer Biogasanlage zur Erzeugung von C02 und CH4 umfassendem

Biogas durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung erzeugt wird; [0019] b) die im erzeugten Biogas enthaltenen Gase C02 und CH4 mittels eines Memb rantrennsystems unter Verwendung einer oder mehrerer selektiver Gastrennmembranen in einen an CH4 reichen Gasstrom und einen an C02 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird und der an C02 reiche Gasstrom der Methanisierung zugeführt und mit dem mittels Wasserelektrolyse erzeugten H2 vermischt und umgesetzt wird, um ein CH4, C02 und H2 umfassendes Produktgas zu erhalten; [0020] c) zumindest ein Teil des Produktgases der Methanisierung in einem Membran trennsystem aufgetrennt wird, um C02 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und [0021] d) dass sowohl die Auftrennung des Biogases als auch die Auftrennung des Pro duktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von C02 und H2 von CH4 in der Lage sind.

[0022] Durch das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird somit nicht nur das C02 aus Biogas abgetrennt, um es als Kohlenstoffquelle in der Methanisierung einsetzen zu können, sondern es erfolgt auch eine Abtrennung von C02 und H2 vom Produktgas der Methanisierung. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung prinzipiell nicht entscheidend, ob das Membrantrennsystem im Prozessablauf vor oder nach der Methanisierung vorgesehen wird, da in beiden Fällen ein an CH4 reicher Gasstrom erhalten wird, dessen Reinheit vor allem von der Güte des Trennsystems abhängig ist.

[0023] Wird die Membrantrennung vor der Methanisierung durchgeführt, gelangt der Großteil des aus der Biogasanlage stammenden CH4 gar nicht zur Methanisierung, sondern wird davor abgetrennt, was eine entsprechend kleinere Dimensionierung der späteren Anlagenteile ermöglicht. Erfolgt hingegen der Gastrennschritt erst nach dem Methanisierungsschritt, ist der Anteil an verunreinigenden Gasen in dem in der Hauptsache zu gewinnenden CH4 deutlich geringer, insbesondere der Anteil an C02, wodurch es leichter gelingen kann, möglichst reines Methan zu erhalten, um dieses verströmen und/oder in Erdgasnetze einspeisen zu können.

[0024] Entscheidend ist gemäß vorliegender Erfindung vielmehr, dass nur ein einziges Membrantrennsystem vorgesehen zu werden braucht, das in der Lage ist, durch Auswahl entsprechender Gastrennmembranen und Betriebsparameter sowohl C02 als auch H2 selektiv von CH4 zu trennen. Das Membrantrannsystem kann dabei entweder abwechselnd oder gleichzeitig mit Biogas oder Produktgas - womit in der Folge immer jenes der Methanisierungsreaktion, d.h. das Produktgas aus Schritt b), gemeint ist - gespeist werden.

[0025] Speziell im Hinblick auf die zulässigen Grenzwerte für die Konzentration von H2 in CH4 (gemäß OVGW-Richtlinie G31 max. 4 Vol.-% und für einzelne Anwendungen sogar max. 2 Vol.-%) ist das Verfahren der Erfindung vorteilhaft, da solche niedrigen H2-Gehalte mit anderen Trennmethoden als Membrantrennverfahren (z.B. Kryoverfahren, Adsorption und Absorption) nicht oder nur unter erheblichem Aufwand erzielbar sind.

[0026] Sollten freilich für bestimmte Anwendungen höhere Konzentrationen von H2 im Methan gewünscht werden, wie z.B. zur Produktion von "Hythan", einem Gemisch aus H2 und CH4 mit üblicherweise 8 bis 32 Vol.-% H2, so sind diese durch entsprechende Wahl der Verfahrensparameter des Membrantrennsystems (z.B. Druck, Art und Verschaltung der Membranen) ebenfalls problemlos erhältlich.

[0027] Insbesondere bei abwechselnder Speisung des Membrantrennsystems mit Biogas und Produktgas können die Systemparameter, wie z.B. Betriebsdruck, Membranflächen und Verschaltung der Membranstufen, auf einfache Weise verändert werden, um den jeweils gewünschten Reinheitsgrad des abgetrennten CH4 zu erzielen. Bei gleichzeitiger Speisung mit Biogas und Produktgas, d.h. Vermischung der beiden Ströme im oder vor dem Membrantrennsystem, sind hingegen höhere Durchsätze erzielbar.

[0028] Weiters bewirkt die Tatsache, dass beide Gastrennschritte in demselben Membrantrennsystem durchgeführt werden, dass das CH4 mit der gewünschten Reinheit stets an dersel- ben Position im Verfahren bzw. im System anfällt, was die Planung der Gesamtanlage deutlich vereinfacht und die Errichtungskosten senkt.

[0029] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Pro-duktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an C02 und H2 reichen Gasstrom und einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt, wobei der an C02 und H2 reiche Gasstrom, gegebenenfalls nach einer Zwischenspeicherung, erneut der Methanisierung zugeführt wird und der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird. In diesen Ausführungsformen werden somit im Membrantrennsystem H2 und C02 gemeinsam vom CH4 abgetrennt, wofür nur Membranen erforderlich sind, die Selektivität für die beiden anderen Gase in Bezug auf CH4 besitzen. Dies verringert die Errichtungs- und Betriebskosten der Anlage.

[0030] Alternativ dazu kann das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an C02 reichen Gasstrom, einen an H2 reichen Gasstrom sowie einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wofür entweder zwei Arten von Membranen erforderlich sind, die jeweils Selektivität für eines der beiden Gase, H2 und C02, gegenüber den beiden anderen Gasen im Gemisch aufweisen, oder mehrere Stufen derselben Art von Membranen zum Einsatz kommen und in den einzelnen Stufen jeweils ein anderes Gas selektiv vom CH4 abgetrennt wird.

[0031] Unter Selektivität ist allgemein der Quotient der Permeabilitäten von Membranen für unterschiedliche Gase zu verstehen. Beispielsweise bedeutet eine Selektivität von 10 für H2 in Bezug auf CH4, dass Wasserstoff eine so gekennzeichnete Membran 10- mal so schnell passiert wie Methan.

[0032] Erfindungsgemäß kommen Membranen mit hoher Selektivität für mehrere Gase in Bezug auf CH4 zum Einsatz, wofür sich beispielsweise Polymerfilm-, Metall- oder Keramikmembranen eignen. So sind etwa dichte Polymerschichten typischerweise für H2 und C02 deutlich durchlässiger als für CH4 und weisen beispielsweise Selektivitäten bezüglich H2/CH4 von 60 und bezüglich C02/CH4 von 20 auf. Zur Trennung korrosiver Gasgemische können auch diesbezüglich widerstandsfähigere Membranen aus Keramik eingesetzt werden. Aufgrund ihrer üblicherweise höheren Selektivität für die Gase von Interesse werden jedoch gemäß vorliegender Erfindung Kunststoffmembranen bevorzugt, z.B. im Handel leicht erhältliche Polyimidmembranen. Diese weisen zudem häufig auch sehr hohe Selektivität für Wasser auf, beispielsweise eine Selektivität H20/CH4 von >100, mitunter sogar 1000 oder mehr, so dass in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung neben H2 und C02 auch H20 vom CH4 abgetrennt wird. Das bedeutet, dass das Methan gleichzeitig auch entwässert werden kann, zumal H20 als Nebenprodukt der Methanisierung anfällt. In diesen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird daher der Membrantrennschritt vorzugsweise erst nach dem Methanisierungsschritt durchgeführt.

[0033] Durch Vorsehen mehrerer Membranstufen ist eine insgesamt raschere Trennung möglich, und es können H2 und C02, sowie H20 (sofern in relevanten Mengen vorhanden), in getrennten Strömen erhalten werden, was zusätzliche Optionen für deren Verwendung eröffnet. So kann beispielsweise ein Teil des Wasserstoffs statt für die Methanisierung ebenfalls als Brenngas eingesetzt werden - alleine oder im Bedarfsfall sogar nach Rückvermischung mit dem gereinigten Methan (z.B. in Form von Hythan).

[0034] Bei Verwendung der zuvor beschriebenen Polymerfilm-Membranen mit hohen Selektivitäten für H20, H2 und C02 in Bezug auf CH4 (z.B. >100, 60 bzw. 20) kann etwa bei serieller Schaltung zunächst in einer ersten Stufe vorwiegend H20 abgetrennt werden, in einer zweiten Stufe H2 und schließlich C02, um gereinigtes CH4 als Retentat der dritten Stufe zu erhalten. Die abgetrennte Menge der jeweiligen Komponente des Gasgemischs hängt dabei u.a. von den Membranflächen und den Druckverhältnissen ab.

[0035] Es versteht sich, dass in allen Fällen die Anzahl der Membranen nicht speziell eingeschränkt ist, so dass in jeder Trennstufe auch mehrere Membranen desselben Typs seriell oder parallel geschaltet sein können. Vorzugsweise wird eine möglichst geringe Anzahl gewählt werden, die ausreicht, um die gewünschten Reinheitsgrade der voneinander getrennten Gasströme, insbesondere des Methans, zu gewährleisten.

[0036] Das rohe Biogas kann zudem vor der Zufuhr zum Membrantrennsystem einer Entschwefelung oder anderen Vorbehandlungsschritten unterzogen werden, um potenzielle Katalysatorgifte, Wasser, Partikel usw. zu entfernen.

[0037] Weiters stammt der zur Wasserelektrolyse genutzte elektrische Strom vorzugsweise, wenn auch nicht notwendigerweise, aus Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie, da hier besonders starke Schwankungen bei der Stromerzeugung auftreten, die durch das Verfahren der Erfindung zumindest teilweise ausgeglichen werden können. Die Herkunft des Stroms ist jedoch nicht darauf beschränkt. Dieser kann vielmehr aus beliebigen (externen) Stromquellen stammen.

[0038] Gemäß vorliegender Erfindung ist es somit möglich, bei einem relativen Überschuss an elektrischem Strom aus der Stromquelle hauptsächlich H2 und CH4 zu speichern, die im Bedarfsfall verströmt oder in ein Erdgasnetz eingespeist oder auch zu Hythan kombiniert werden können. Bei einer relativen Knappheit an elektrischem Strom kann hingegen hauptsächlich C02, als Produkt der Biogasproduktion, gespeichert werden, das vorzugsweise erst der Methanisierung zugeführt wird, sobald wieder genügend Strom und somit ausreichend Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zur Verfügung stehen.

[0039] In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Energiespeichersystem bereit, mit dem das oben definierte Verfahren durchführbar ist und das in an sich bekannter Weise Folgendes umfasst: [0040] - zumindest eine Stromquelle; [0041] - zumindest eine Wasserstofferzeugungsanlage zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse; [0042] - zumindest eine Anlage zur Erzeugung von C02; [0043] - zumindest eine Methanisierungsanlage zur Erzeugung von CH4 aus C02 unter Verwendung des erzeugten H2; [0044] - gegebenenfalls Gasspeicher für die erzeugten Gase; [0045] - gegebenenfalls eine Verstromungsanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Verbrennung des erzeugten CH4; und [0046] - Mittel zum Leiten von elektrischem Strom und entsprechenden Gasströmen von einer Anlage zur anderen bzw. zu und von den Gasspeichern bzw. zum Einleiten in ein Erdgasnetz.

[0047] Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem ist gegenüber dem Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, dass: [0048] a) die Anlage zur Erzeugung von C02 eine Anlage zur Erzeugung von C02 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder Vergasung ist; [0049] b) der Anlage zur Erzeugung von C02 ein Membrantrennsystem nachgeschaltet ist, das eine oder mehrere Gastrennmembranen umfasst, die zu einer selektiven Abtrennung von C02 und H2 von dem erzeugten CH4 in der Lage sind; [0050] c) Mittel zum Leiten zumindest eines Teils des Produktgases aus der Methanisie rungsanlage zum Membrantrennsystem vorgesehen sind; und [0051] d) Mittel zum Rezyklieren des im Membrantrennsystem abgetrennten C02 und/oder H2 zur Methanisierungsanlage vorgesehen sind.

[0052] Wie oben beschrieben ist somit das Membrantrennsystem sowohl mit Biogas aus der Anlage zur Erzeugung von C02 als auch mit Produktgas aus der Methanisierungsanlage speisbar - und das wiederum abwechselnd oder gleichzeitig, was der Fachmann mittels entsprechender Leitungsführung, Ventiltechnik usw. erzielen kann. Generell ist dem Fachmann auf

Basis seines allgemeinen Fachwissens bewusst, wie die einzelnen Anlagen und sonstigen Bestandteile eines solchen erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mittels entsprechender Leitungen, Ventile, Stromteiler, Kompressoren, Pumpen usw., die zuvor als "Mittel" bezeichnet sind, zu verbinden und zu betreiben sind. Dies ist ebenso Standard auf dem Gebiet der Anlagenplanung wie die Bestimmung, welche Art und Anzahl an Gasspeichertanks an welcher Position im Gesamtsystem vorzusehen sind, um einen optimalen Betrieb je nach vorgegebenen Randbedingungen zu ermöglichen.

[0053] Wie beim analogen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt liegen auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems vor allem darin, dass nur ein Membrantrennsystem zur Reinigung, d.h. Auftrennung, zweier Verfahrensströme erforderlich ist und dass CH4 mit der gewünschten Reinheit stets an derselben Position im System anfällt. Wiederum ist auch die Position des Membrantrennsystems - zwischen Biogasanlage und Methanisierungsanlage oder erst nach der Letzteren - nicht entscheidend, solange durch entsprechende Leitungsführung und Verschaltung gewährleistet ist, dass sowohl das Biogas als auch das Produktgas der Methanisierung in ein und demselben Membrantrennsystem gereinigt werden können. Soll neben C02 und H2 gleichzeitig auch H20 abgetrennt werden, wird derzeit eine Nachschaltung des Membrantrennsystems nach der Methanisierungsanlage bevorzugt.

[0054] Die Stromquelle ist nicht speziell eingeschränkt und kann sowohl integraler Bestandteil des Energiespeichersystems als auch eine externe Stromquelle sein. In beiden Fällen handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Wind- oder Solarkraftwerk mit entsprechenden Schwankungen der Stromerzeugung, die durch das Energiespeichersystem zumindest teilweise kompensierbar sind. Der Anlage zur Erzeugung von C02 ist dabei erneut vorzugsweise eine Einrichtung zur Entschwefelung oder sonstigen Gasvorbehandlung nachgeschaltet, um Katalysatorgifte zu entfernen.

[0055] Wie ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erwähnt, kann das Membrantrennsystem eine einzige Membrantrennstufe zur gleichzeitigen Abtrennung von C02 und H2 von CH4 oder auch zwei oder mehrere Membrantrennstufen zur aufeinander folgenden Abtrennung von C02 und H2, sowie vorzugsweise auch H2O, von CH4 umfassen - mit denselben Vorteilen wie oben erwähnt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0056] Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, die Folgendes zeigen: [0057] Fig. 1 bis 3 sind schematische Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen des

Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0058] In Fig. 1 ist eine relativ einfache Ausführungsform der Erfindung als Fließschema dargestellt. Links oben ist eine Stromquelle 1 eingezeichnet, die wie zuvor erwähnt, Bestandteil des Energiespeichersystems als auch eine externe Stromquelle sein kann. In beiden Fällen handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Wind- oder Solarkraftwerk mit entsprechend schwankender Stromerzeugung, was mittels des Energiespeichersystems der Erfindung zumindest teilweise kompensierbar ist.

[0059] Von dieser Stromquelle 1 stammender elektrischer Strom wird einer Wasserstofferzeugungsanlage 2 zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse zugeleitet, d.h. die elektrische Energie wird an 2 in chemische Energie in Form von H2 umgewandelt. Bezugszeichen 3 kennzeichnet weiters eine Anlage zur Erzeugung von C02, die gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise eine Biogasanlage ist, in der durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung ein Gemisch aus C02 und CH4 erzeugt wird. Dieses wird in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vorzugsweise einem Kompressor 6 zugeführt und von diesem verdichtet.

[0060] Das Bezugszeichen 6 des Kompressors kann in den schematischen Darstellungen der

Zeichnungen aber auch als stellvertretend für sämtliche Leitungen, Ventile, Kompressoren, Pumpen und dergleichen stehend interpretiert werden, die allgemein als "Mittel zum Leiten" (oder zum Rezyklieren o.dgl.) subsummierbar sind, so z.B. Gas- oder Stromleitungen. In den Zeichnungen sind Gasleitungen als Pfeile dargestellt, die Stromleitung zwischen der Stromquelle 1 und der Wasserstofferzeugungsanlage 2 hingegen als einfache Linie. Generell können alle diese Leitungen beliebige Bauteile, wie z.B. Kompressoren, umfassen, die der Fachmann für einen reibungslosen Betrieb für erforderlich oder bevorzugt erachtet.

[0061] Das komprimierte Biogas aus Kompressor 6 wird zu einer Methanisierungsanlage 4 weitergeleitet und auf dem Weg dorthin mit H2 aus der Wasserstofferzeugungsanlage 2 vermischt, das in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ebenfalls komprimiert werden kann, um zusammen mit dem Biogas aus 3 und 6 ein Gemisch zu ergeben, dass den geeigneten Druck zur Einleitung in die Methanisierungsanlage 4 aufweist.

[0062] In der Methanisierungsanlage 4 wird C02 mit H2 zu CH4 umgesetzt, so dass der im Biogas bereits enthaltene Anteil an CH4 in der Regel deutlich erhöht wird und ein Produktgas erhalten wird, das beispielsweise wie folgt zusammengesetzt ist: CH4 89,7 Vol.-%; C02 3,5 Vol.-%; H2 6,8 Vol.-%.

[0063] Über Leitung 6a gelangt dieses Produktgas zum Membrantrennsystem 7, das in dieser bevorzugten Ausführungsform als zweistufiges System mit zwei Trennstufen 7a und 7b dargestellt ist. Dabei wird das Retentat aus Stufe 7a in der zweiten Stufe weiter gereinigt, deren Retentat als im Wesentlichen reines CH4 aus dem System der Erfindung ausgeleitet wird, wie dies mittels des weißen Pfeils rechts angedeutet wird. Das Permeat der Stufe 7a wird einem Gasspeicher 5 zugeführt, wo es - gegebenenfalls in verflüssigtem Zustand - gespeichert werden kann, bevor es zur Methanisierung rezykliert wird.

[0064] Unter Annahme der Verwendung von bevorzugten Polyimidmembranen, wie zuvor erwähnt, z.B. solchen mit einer Selektivität bezüglich der Trennung H2/CH4 von 60 und bezüglich C02/CH4 von 20, in beiden Membrantrennstufen würde - in Abhängigkeit von den Membranflächen und Betriebsdrücken der Trennstufen - der Permeatstrom aus 7a mehrheitlich H2 (und überwiegend H2 und C02) umfassen, während das Permeat aus Trennstufe 7b, bei wirtschaftlicher Anlagenauslegung und Verfahrensführung, neben C02 und geringeren Mengen an H2 auch mehr oder weniger hohe Anteile an CH4 umfassen würde, die mitunter sogar 50 Vol.-% übersteigen können. Somit könnte der erstere, H2-reiche Permeatstrom aus 7a zwischengespeichert werden, solange eine ausreichende Stromzufuhr aus der Stromquelle 1 zur Wasserstofferzeugungsanlage 2 besteht. Sollte diese nicht länger gegeben sein, kann (zusätzliches) H2 aus dem Speicher 5 zur Methanisierung verwendet werden.

[0065] Andererseits wird in der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 das Permeat aus Trennstufe 7b direkt in den Strom rohen Biogases aus der Anlage 3 rezykliert und gemeinsam mit diesem an 6 komprimiert, mit H2 vermischt und der Methanisierung zugeführt, um das im rohen Biogas enthaltene und im Zuge einer ersten Umsetzung mit H2 in der Methanisierungsanlage 4 nur unvollständig zu CH4 umgesetzte C02 ein oder mehrere weitere Male mit H2 zur Reaktion zu bringen und gleichzeitig das in diesem Verfahrensstrom enthaltene CH4 jeweils zu rezyklieren, um so die Gesamtausbeute an CH4 zu erhöhen.

[0066] In Fällen, wo das Permeat aus Trennstufe 7b mehrheitlich C02 und nur vergleichsweise niedrige Anteile an CH4 umfasst, kann auch dieses Permeat in einem (nicht dargestellten) Speicher zwischengespeichert werden, z.B. wenn ohnehin ein ausreichender Nachschub an Biogas aus der Biogasanlage 3 gegeben ist. In einem solchen Zwischenspeicher könnte zudem eine Verflüssigung des C02 (z.B. durch Kryoverfahren) vorgesehen werden, wodurch der Raumbedarf verringert wird und insbesondere die CH4- (und H2-) Anteile davon abgetrennt werden können.

[0067] An welcher Stelle die Einspeisung der Permeate aus den beiden Trennstufen 7a und 7b in die Verbindungsleitung(en) zwischen der Biogasanlage 3 und der Methanisierungsanlage 4 erfolgt, ist nicht entscheidend. Der Fachmann ist jedoch problemlos in der Lage, die Mündungs punkte sowie die dort vorgesehenen Bauteile (Mischer, einfache Y-Stücke oder dergleichen) samt gegebenenfalls erforderlichen zusätzlichen Kompressoren usw. zu definieren.

[0068] Zur besseren Übersicht werden mögliche Betriebsmodi der Anlage aus Fig. 1 für unterschiedliche Randbedingungen (erneut) kurz zusammengefasst. A) Stromüberschuss: in Anlage 2 wird ausreichend H2 erzeugt [0069] Das Permeat aus 7a, das hauptsächlich H2 und C02 enthält, wird zumindest teilweise im Speicher 5 zwischengespeichert. Solange die Biogasanlage 3 ausreichend C02 für die Methanisierung in Anlage 4 produziert, kann es zur Gänze gespeichert werden. Ist die C02-Produktion der Biogasanlage 3 unzureichend, kann das Permeat aus 7a im Speicher 5 mittels Verflüssigung des C02 aufgetrennt und im Wesentlichen nur das H2 an 5 zwischengespeichert werden, während das zuvor gespeicherte C02 aus dem Gasspeicher 5 kontinuierlich der Methanisierung zugeführt wird.

[0070] Das Permeat aus 7b, das hauptsächlich CH4 und C02 umfasst, wird zur Gänze rezyk-liert. B) Stromknappheit: in Anlage 2 wird zu wenig (B1) oder gar kein (B2) H2 erzeugt [0071] B1: Das in Speicher 5 zwischengespeicherte H2 wird zusammen mit dem an 2 erzeugten H2 zur Methanisierung des C02 aus der Biogasanlage 3 genutzt.

Das hauptsächlich CH4 und C02 umfassende Permeat aus 7b - oder zumindest dessen vom CH4 weitestgehend abgetrennter Anteil an C02 - wird zwischengespeichert.

[0072] B2: Die Elektrolyseanlage 2 und die Methanisierungsanlage 4 werden deaktiviert (bzw. Letztere mittels Bypass überbrückt), und das Gastrennsystem 7 wird ausschließlich zur Reinigung des Biogases aus 3 verwendet.

[0073] Das Permeat aus 7a, das überwiegend C02 enthält, wird hierzu zwischengespeichert, bis die Stromknappheit beendet ist.

[0074] Das Permeat aus 7b wird bei Vorliegen sehr hoher C02-Anteile zwischengespeichert, bei sehr hohen CH4-Anteilen kann es auch rezykliert werden. Besonders bevorzugt wird in beiden Fällen im Wesentlichen nur der CH4-Anteil rezykliert und der C02-Anteil in flüssiger Form zwischengespeichert.

[0075] In den Fig. 2 und 3 sind lediglich zu Illustrationszwecken zwei Varianten des Verfahrens bzw. der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In beiden Zeichnungen wird der H2-reiche Permeatstrom aus Trennstufe 7a geteilt, wovon ein Teil wiederum im Speicher 5 zwischengespeichert, der andere Teil jedoch direkt zum rohen Biogas rezykliert wird. Eine solche Ausführungsform hat beispielsweise Vorteile, wenn nicht ausreichend Strom zur Verfügung steht, um laufend neuen Wasserstoff zu produzieren, oder es kann am Gabelpunkt der Ströme eine (nicht dargestellte) Kryoanlage zur Trennung der Gase mittels Verflüssigung des C02 vorgesehen sein, so dass im Wesentlichen nur das H2 rezykliert und das verflüssigte C02 in Speicher 5 zwischengespeichert wird.

[0076] In Fig. 2 erfolgt die Vermischung mit dem Biogas vor dem Kompressor 6, während das zwischengspeicherte Gas wie in Fig. 1 erst danach in den Gasstrom zur Methanisierungsanlage 4 eingespeist wird. Dies ist speziell im Falle der Zwischenspeicherung des C02-Anteils in verflüssigter Form vorteilhaft, da das C02 dann nicht mehr komprimiert zu werden braucht. In Fig. 3 werden hingegen sämtliche rezyklierten Permeatströme bereits vor dem Kompressor 6 mit dem rohen Biogas vermischt, was bei der Zwischenspeicherung des Permeats aus 7a unter (nahezu) Atmosphärendruck dient, also wenn z.B. keine Trennung des C02-Anteils vom H2-Anteil erfolgt, sondern einfach ein Teil des Permeats aus 7a in Speicher 5 zwischengespeichert wird.

[0077] Wie bereits erwähnt, sind zahlreiche Modifikationen und Variationen an den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung möglich, für den Fachmann leicht ersichtlich und auf Basis seines allgemeinen Fachwissens auf dem Gebiet der Anlagentechnik vorsehbar.

[0078] Die Erfindung stellt jedenfalls eine Möglichkeit bereit, wie mittels nur eines einzigen Gasmembrantrennsystems in einem Verfahren bzw. einer Anlage zum Speichern von Energie Gasströme der gewünschten Reinheit, insbesondere ein im Wesentlichen reiner Strom an CH4, erhältlich sind und Schwankungen im Output einer Stromquelle, wie z.B. einer Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie, auf wirtschaftliche Weise ausgeglichen werden können.

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Speichern von Energie, in dem elektrischer Strom dazu genutzt wird, durch Wasserelektrolyse H2 zu erzeugen, weiters C02 erzeugt wird, aus dem erzeugten H2 und C02 durch Methanisierung CH4 erzeugt wird; und i) manche oder alle der erzeugten Gase zwischengespeichert werden; und/oder ii) das erzeugte CH4 zur Erzeugung von elektrischem Strom verströmt wird; und/oder iii) das erzeugte CH4 in ein Erdgasnetz eingespeist wird; dadurch gekennzeichnet, dass: a) das C02 in einer Biogasanlage zur Erzeugung von C02 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung erzeugt wird; b) die im erzeugten Biogas enthaltenen Gase C02 und CH4 mittels eines Membrantrennsystems unter Verwendung einer oder mehrerer selektiver Gastrennmembranen in einen an CH4 reichen Gasstrom und einen an C02 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird und der an C02 reiche Gasstrom der Methanisierung zugeführt und mit dem mittels Wasserelektrolyse erzeugten H2 vermischt und umgesetzt wird, um ein CH4, C02 und H2 umfassendes Produktgas zu erhalten; c) zumindest ein Teil des Produktgases der Methanisierung in einem Membrantrennsystem aufgetrennt wird, um C02 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und d) dass sowohl die Auftrennung des Biogases als auch die Auftrennung des Produktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von C02 und H2 von CH4 in der Lage sind.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an C02 und H2 reichen Gasstrom und einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt wird, wobei der an C02 und H2 reiche Gasstrom erneut der Methanisierung zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an C02 reichen Gasstrom, einen an H2 reichen Gasstrom sowie einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Wasserelektrolyse genutzte elektrische Strom aus Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie stammt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rohe Biogas vor der Zufuhr zum Membrantrennsystem einer Entschwefelung unterzogen wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem relativen Überschuss an elektrischem Strom hauptsächlich H2 und CH4 gespeichert werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer relativen Knappheit an elektrischem Strom hauptsächlich C02 gespeichert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Gastrennmembranen eingesetzt werden, die in der Lage sind, neben C02 und H2 auch H20 von CH4 abzutrennen.
9. 9. Energiespeichersystem, das unter Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 betreibbar ist und Folgendes umfasst: - zumindest eine Stromquelle (1); - zumindest eine Wasserstofferzeugungsanlage (2) zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse; - zumindest eine Anlage (3) zur Erzeugung von C02; - zumindest eine Methanisierungsanlage (4) zur Erzeugung von CH4 aus C02 unter Verwendung des erzeugten H2; - gegebenenfalls Gasspeicher (5) für die erzeugten Gase; - gegebenenfalls eine Verstromungsanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Verbrennung des erzeugten CH4; und - Mittel (6) zum Leiten von elektrischem Strom und entsprechenden Gasströmen von einer Anlage zur anderen bzw. zu und von den Gasspeichern bzw. zum Einleiten in ein Erdgasnetz; dadurch gekennzeichnet, dass: a) die Anlage (3) zur Erzeugung von C02 eine Anlage zur Erzeugung von C02 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder Vergasung ist; b) der Anlage (3) zur Erzeugung von C02 ein Membrantrennsystem (7) nachgeschaltet ist, das eine oder mehrere Gastrennmembranen umfasst, die zu einer selektiven Abtrennung von C02 und H2 von dem erzeugten CH4 in der Lage sind; c) Mittel (6a) zum Leiten zumindest eines Teils des Produktgases aus der Methanisierungsanlage (4) zum Membrantrennsystem (7) vorgesehen sind; und d) Mittel (6b) zum Rezyklieren des im Membrantrennsystem (7) abgetrennten C02 und/oder H2 zur Methanisierungsanlage (4) vorgesehen sind.
10. 10. Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (1) ein Wind- oder Solarkraftwerk ist.
11. 11. Energiespeichersystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlage (3) zur Erzeugung von C02 eine Entschwefelungseinrichtung nachgeschaltet ist.
12. 12. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrantrennsystem (7) eine einzige Membrantrennstufe (7a) zur gleichzeitigen Abtrennung von C02 und H2 von CH4 umfasst.
13. 13. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrantrennsystem (7) zwei oder mehrere Membrantrennstufen (7a, 7b) zur aufeinander folgenden Abtrennung von C02 und H2 von CH4 umfasst.
14. 14. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass manche oder alle der Gastrennmembranen in der Lage sind, neben C02 und H2 auch H20 von CH4 abzutrennen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen