DE102007027720A1

DE102007027720A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab

Info

Publication number: DE102007027720A1
Application number: DE102007027720A
Authority: DE
Inventors: Peter Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab, bestehend aus einem Wasser-Elektrolyseur und einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sowie Speichereinheiten für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die Wasser-Elektrolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff in einem alkalischen Druck-Elektrolyseur und die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und elektrischer Energie in einer alkalischen Brennstoffzelle durchgeführt wird, und das Gesamtsystem aus alkalischem Elektrolyt, Reaktionswasser sowie Wasserstoff und Sauerstoff hermetisch gegen die Außenluft abgedichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab, bestehend aus einem Wasser-Elektrolyseur und einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sowie Speichereinheiten für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die Wasser-Elektrolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff in einem alkalischen Druck-Elektrolyseur und die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und elektrischer Energie in einer alkalischen Brennstoffzelle durchgeführt wird, und das Gesamtsystem aus alkalischem Elektrolyt, Reaktionswasser sowie Wasserstoff und Sauerstoff hermetisch gegen die Außenluft abgedichtet ist.
Zur Speicherung elektrischer Energie im großen Maßstab werden heute praktisch ausschließlich hydraulische Pumpspeicher-Kraftwerke eingesetzt. Eine Turbinen/Pumpen-Anlage pumpt in Zeiten geringer Energie-Nachfrage Wasser aus einem tiefliegenden – meist natürlichen – Gewässer in ein hoch liegendes Speicherbecken. In Zeiten hoher Energie-Nachfrage wird Wasser aus dem hoch liegenden Speicherbecken durch die Turbinen-Anlage abgelassen. Auf diese Weise wird die potentielle Energie des hochgepumpten Wassers in Spitzenstrom umgewandelt. Pumpspeicher-Kraftwerke sind nur dort möglich, wo die natürlichen topographischen Voraussetzungen gegeben sind: ein Gewässer zu Füßen eines Berges und die Möglichkeit, auf dem Berg ein Speicher-Reservoir anzulegen. In heutigen gut ausgebauten Energieversorgungssystemen sind die Möglichkeiten zur Installation von Pumpspeicher-Kraftwerken in der Regel ausgeschöpft. Neue Vorhaben stoßen nicht nur an wirtschaftliche Grenzen, sie werden auch unter dem Gesichtspunkt des Natur- und Landschaftsschutzes abgelehnt.
Andererseits ist der Bedarf an Speichern für elektrische Energie im großen Maßstab hoch und weiter wachsend, insbesondere bei verstärkter Nutzung erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie. Daher wurden auch andere Techniken zur Speicherung elektrischer Energie wie Akkumulatoren und Schwungräder untersucht. Diese lassen sich zwar unabhängig von der Topographie des Geländes errichten, sind aber hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit für die Speicherung großer elektrischer Energiemengen ungeeignet. Aussichtsreich erscheint nur die elektrochemische Energiespeicherung durch elektrolytische Zerlegung von Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff in Schwachlast-Zeiten und die Verstromung gespeicherten Wasserstoffs mit Sauerstoff in Spitzenlast-Zeiten.
DE 100 55 973 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie mittels Wasser-Elektrolyse, Speicherung sowohl des Wasserstoffs als auch des Sauerstoffs und Rückverstromung der gespeicherten Gase (unter anderem) in einer Brennstoffzelle. Dabei soll das bei der Rückverstromung entstehende Reaktionswasser gespeichert und wieder für die Elektrolyse verwendet werden.
Die Schrift macht keine Angaben über die zu verwendenden Technologien für die Wasser-Elektrolyse und die Brennstoffzelle. Sie lässt insofern die vollständige Lehre zum technischen Handeln vermissen. Eine Wiederverwendung des Reaktionswassers, das heißt ein geschlossener Wasserkreislauf, ist nämlich nur möglich, wenn die Wasser-Elektrolyse und die Brennstoffzelle mit dem gleichen Elektrolyten arbeiten. Bei einem geschlossenen Wasserkreislauf lässt sich eine geringfügige Verschleppung des Elektrolyten von einem elektrochemischen Wandler (Elektrolyseur) zum anderen (Brennstoffzelle) und vice versa nicht verhindern. Bei einem heterogen aufgebauten System mit unterschiedlichen Elektrolyten im Elektrolyseur und in der Brennstoffzelle würde dieser Verschleppungseffekt nach kurzer Zeit zu einer Verunreinigung der beiden unterschiedlichen Elektrolyten und damit zur Funktionsunfähigkeit des Systems führen.
Für den vorliegenden Anwendungsfall – Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab – kommt ein alkalischer Elektrolyt, vorzugsweise Kalilauge (KOH), in Frage. Im bekannten Stand der Technik ermöglicht dieser Elektrolyt sowohl bei der Wasser-Elektrolyse als auch bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle die höchsten Energiedichten und die besten Wirkungsgrade, somit auch den geringste Wärmeanfall. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten werden deshalb in Anwendungen mit höchsten Anforderungen eingesetzt, zum Beispiel zur Stromversorgung der amerikanischen Raumfähre.
In herkömmlichen, der Umgebungsluft ausgesetzten Systemen wirft die Verwendung eines alkalischen Elektrolyten jedoch ein Problem auf, für das im Stand der Technik keine einfachen und praktikablen Lösungen bekannt geworden sind. Kalilauge – sie steht im Folgenden beispielhaft für alkalische Elektrolyten im allgemeinen – reagiert spontan selbst mit kleinen Mengen Kohlendioxid, das in der Umgebungsluft stets vorhanden ist. Das entstehende Kaliumcarbonat kristallisiert aus und stört die Funktion der elektrochemischen Wandler. Bei fortlaufendem Betrieb nimmt der Elektrolyt ständig mehr Kohlendioxid aus der Umgebungsluft auf. Dies führt nach relativ kurzer Betriebszeit zum Versagen des Systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie anzugeben, welche die Vorzüge elektrochemischer Energiespeicherung mittels Wasserelektrolyse und Brennstoffzelle aufweist, ohne jedoch mit den Problemen der bekannt gewordenen Methoden belastet zu sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bestehend aus einem Wasser-Elektrolyseur und einer Wasser stoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sowie Speichereinheiten für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die Wasser-Elektrolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff in einem alkalischen Druck-Elektrolyseur und die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und elektrischer Energie in einer alkalischen Brennstoffzelle durchgeführt wird und das Gesamtsystem aus alkalischem Elektrolyt, Reaktionswasser sowie Wasserstoff und Sauerstoff hermetisch gegen die Außenluft abgedichtet ist. Eine vorteilhafte Ausbildung dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Behälter zur Speicherung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff mit zur Speicherung des Reaktionswassers unter Luftabschluss herangezogen werden.
Eine derartige Vorrichtung kann unabhängig von der Topographie des Geländes praktisch überall errichtet werden, beispielsweise an Umspannwerken oder ähnlichen Knotenpunkten eines elektrischen Versorgungsnetzes. Dort bewirkt sie den Ausgleich unterschiedlicher Netzbelastungen, erhöht die Spitzenkapazität des betreffenden Teilnetzes, verbessert die Wirtschaftlichkeit durch Gewinn bringenden Verkauf von Spitzenstrom und die Energiequalität durch Ausregeln von Lastspitzen und Stabilisierung von Netzspannung und Netzfrequenz sowie durch Reduktion von Oberwellen.
Weitaus größere Anwendungsgebiete bestehen in der elektrischen Energieversorgung der Weltregionen, die nicht über eine gut ausgebaute elektrische Infrastruktur verfügen. Ein derartiger Energiespeicher ermöglicht die Realisierung autarker Inselnetze, auch unter überwiegender oder ausschließlicher Verwendung erneuerbarer Energiequellen. Die alkalische Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und ihr nachgeschalteter Inverter stellen eine äußerst flexible Energiequelle dar, die auch schnellen Lastschwankungen, wie sie für Inselnetze typisch sind, im Rahmen ihrer Leistungsbandbreite folgen kann. Der alkalische Druckelektrolyseur kann auch mit stark schwankendem Energieangebot, typisch für die Wind- und Solarenergie, betrieben werden. So sind beispielsweise standardisierte, vorgefertigte Solar-Kraftwerke, baukastenartig erweiterbar, für den Sonnengürtel der Erde denkbar.
Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Sie zeigt links unten den Hochdruck-Elektrolyseur 1 und darüber angeordnet die Speicherbehälter für Wasserstoff 2 und Sauerstoff 3. Der Zellblock des Elektrolyseurs ist (in bekannter Weise) in einem Druckgefäß untergebracht und mit Kalilauge (typische Konzentration etwa 40%) gefüllt. Der maximale Arbeitsdruck des Elektrolyseurs liegt unter Berücksichtigung der Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff vorzugsweise bei etwa 30 bar, die maximale Arbeits-Temperatur bei etwa 80°C. Die Speicherbehälter 2 und 3 können baugleiche Einheiten sein, die je nach Speicherbedarf batterieartig erweitert werden können. Das gesamte Speichervolumen für Wasserstoff muss dabei immer doppelt so groß wie das Speichervolumen für Sauerstoff sein. Die Speicherbehälter sind über Rohrleitungen 4 mit der Wasserstoff- beziehungsweise Sauerstoffseite des Elektrolyseur-Zellblocks verbunden. Die Rohrleitungen 4 treten von unten in die Speicherbehälter ein; diese können somit gleichzeitig die Funktion des Gasabscheiders übernehmen. Sie übernehmen außerdem die Funktionen von Speichertanks für das Reaktionswasser. Zu Beginn des Ladevorgangs ist der Überdruck im Elektrolyseur und in den Speicherbehältern sehr gering (typisch etwa 100 mbar), der Wasserpegel jedoch am höchsten. Während der Ladephase wird das Reaktionswasser mehr und mehr zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Es fließt über die Rohrleitungen 4 unter natürlichem Gefälle in den Zellblock des Elektrolyseurs zurück. Der Energiespeicher ist vollständig geladen, wenn das gesamte Reaktionswasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt ist und der Druck in den Speicherbehältern und im Elektrolyseur maximal ist.
Von der Oberseite der Speicherbehälter führen Rohrleitungen 5 über einen Druckregler 6 zur Wasserstoff- beziehungsweise Sauerstoffseite der Brennstoffzelle 7. Der Druckregler 6 hält den Gasdruck an den Eingängen der Brennstoffzelle konstant auf einem relativ niedrigen Wert, typisch einem Überdruck von etwa 50 mbar, auch wenn der Vordruck in den Speicherbehältern in weiten Grenzen schwankt. Die Gasräume einer alkalischen Brennstoffzelle müssen bei Betrieb mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff nicht von den Gasen durchströmt, sondern nur beaufschlagt werden. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren im Elektrolyten unter Freisetzung elektrischer Energie zu Wasser, welches vom Elektrolyten (Kalilauge) absorbiert wird. Die Gasräume der Brennstoffzelle weisen deshalb nur einen Gas-Eintritt, aber keinen Gas-Austritt auf. Die Konzentration der Gase Wasserstoff und Sauerstoff ist – im Gegensatz zu gasdurchströmten Zellen – über die gesamte Zellfläche gleich, deswegen trägt die gesamte Zellfläche gleichmäßig zur elektrischen Leistung bei, dies maximiert die Energiedichte und minimiert den Temperaturgradienten über der Zellfläche. Jede Zelle erzeugt Gleichstrom mit einer Spannung von etwa einem Volt; die gewünschte Nutzspannung entsteht durch Serienschaltung entsprechend vieler Zellen zu einem Zellblock. Die maximale Arbeitstemperatur der alkalischen Brennstoffzelle liegt bei etwa 80°C.
Der Spalt zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle ist vollständig mit Elektrolyt gefüllt, zusätzlich kann eine Membrane (Diaphragma) zwischen den Elektroden angeordnet sein. Der flüssige Elektrolyt durchströmt die Zellen von oben nach unten als so genannter Fallfilm. Eine solche Vorrichtung bezeichnet man daher als Fallfilm-Brennstoffzelle. Sie zeichnet sich durch einfachen Aufbau und hohen elektrischen Wirkungsgrad aus. Das Prinzip der Fallfilm-Zelle kann auch im Elektrolyseur anstelle einer gängigen Membran-Elektrolyse angewendet werden.
Der flüssige Elektrolyt verlässt die Brennstoffzelle unter natürlichem Gefälle nach unten. Er führt aus der Brennstoffzelle nicht nur das Reaktionsprodukt Wasser, sondern auch die in der Brennstoffzelle entstehende Reaktionswärme ab. Er durchläuft einen Wärmetauscher 8 und gelangt in den Laugentank 9. Eine Umwälzpumpe 10 hält einen ständigen Elektrolyt-Kreislauf durch die Brennstoffzelle aufrecht. Die im Wärmetauscher 8 anfallende Reaktionswärme kann entweder genützt (Kraft-Wärme-Kopplung) oder über einen Kühler an die Atmosphäre abgegeben werden.
Da sich der Elektrolyt in der Brennstoffzelle ständig mit Reaktionswasser anreichert, wird die Kalilauge ständig verdünnt und ihr Volumen ständig größer. Der Laugentank ist – wie alle anderen Bauteile der Vorrichtung – hermetisch gegen die Außenluft abgedichtet. Das Reaktionswasser muss also kontinuierlich aus dem Laugentank entfernt werden. Eine RO-Anlage (Reverse Osmosis, umgekehrte Osmose) 11 trennt das Reaktionswasser aus der Kalilauge ab und führt es über die Pumpe 12 wieder dem Elektrolyseur zu, wo es durch den Zellblock in die Speicherbehälter 2 und 3 strömt. Die Schaltzyklen der RO-Anlage und zufällige, kleine Volumenänderungen des Elektrolyten, z. B. durch Temperaturschwankungen, werden durch ein Membran-Ausgleichsgefäß 13 abgepuffert.
Eine alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, auf die RO-Anlage 11 zu verzichten und die Füllung des Laugentank 9 nur über die Pumpe 12 zu regeln. In den Speicherbehältern 2 und 3 sammelt sich dann statt des reinen Reaktionswassers eine mehr oder weniger verdünnte Kalilauge an. Wählt man den gesamten Laugenvorrat im System hinreichend groß, so lässt sich die Bandbreite der Laugenkonzentration über den gesamten Lade- und Entladezyklus in einem für den Elektrolyseur und die Brennstoffzelle akzeptablen Bereich halten. Bei dieser Lösung nimmt man eine gewisse Einbuße im Wirkungsgrad des Systems in Kauf, um die Investitionskosten für die RO-Anlage 11 einzusparen.
Der Zellblock des Elektrolyseurs und der Zellblock der Brennstoffzelle sind – über einen Umschalter – mit einer Leistung-Elektronik verbunden. Diese Elektronik arbeitet in der Entladephase als geregelter Wechselrichter, der den von der Brennstoffzelle erzeugten Gleichstrom in netzüblichen Wechselstrom umwandelt. In der Ladephase arbeitet die Elektronik als geregelter Gleichrichter, der dem Elektrolyseur in Schwachlast-Zeiten ungenutzte Energie aus dem Netz zuführt. Die Leistungsregelung der Brennstoffzelle erfolgt ausschließlich über die Stromentnahme durch die Leistungselektronik. Wird der Brennstoffzelle kein Strom entnommen, so kommt auch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zum Erliegen. Daher ist bei der Brennstoffzelle keine gasseitige Regelung erforderlich; die oben beschriebene Druckregelung genügt. Bei ausreichenden Querschnitten der Rohrleitungen 5 und der Gasräu me in der Zelle kann die Brennstoffzelle selbst schnellen Lastschwankungen folgen, da stets hinreichend Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung stehen.
In den Gasräumen der Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff in unmittelbare Nähe geführt, nur getrennt durch den Elektrolytfilm zwischen den Elektroden (gegebenenfalls zusätzlich durch eine Membrane). Um das Zustandekommen einer Knallgas-Reaktion zu unterbinden, wird die ordnungsgemäße Funktion der Elektrolyt-Umwälzpumpe 10 ständig durch einen Strömungswächter kontrolliert. Reißt die Elektrolyt-Strömung ab, wird die Gasversorgung der Brennstoffzelle sofort durch den Regler 6 unterbrochen. Außerdem wird zu Beginn jeder Entladephase vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle ein Druckhalte-Test durchgeführt. Zu diesem Zwecke beaufschlagt der Druckregler 6 die Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff, gegebenenfalls bei einem höheren als dem Betriebsdruck, und überwacht über einen gewissen Zeitraum den Druckabfall und damit die Dichtigkeit des Systems.
Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie verwendet für die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und für die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrischem Strom und Wasser getrennte Funktionseinheiten, den Hochdruck-Elektrolyseur und die Fallfilm-Brennstoffzelle. Dies hat den Vorteil, dass diese Einheiten in ihrer Technologie jeweils optimal auf ihre Aufgabe angepasst werden können. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Funktionen, Elektrolyseur und Brennstoffzelle, in einer Baueinheit zusammenzufassen. Eine solche Kombination bezeichnet man als regenerative Brennstoffzelle. Sie ist bis heute nicht ausgereift verfügbar. Sie kann das System weiter vereinfachen und die Investitionskosten weiter senken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10055973 A1 [0004]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab, bestehend aus einem Wasser-Elektrolyseur und einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sowie Speichereinheiten für Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser-Elektrolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff in einem alkalischen Druck-Elektrolyseur und die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrischer Energie und Wasser in einer alkalischen Brennstoffzelle durchgeführt wird, und dass das Gesamtsystem aus alkalischem Elektrolyt, Reaktionswasser sowie Wasserstoff und Sauerstoff hermetisch gegen die Außenluft abgedichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbehälter für Wasserstoff und/oder Sauerstoff mit zur Speicherung des Reaktionswassers benützt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbehälter oberhalb des Elektrolyseurs angeordnet sind, so dass das Wasser unter natürlichem Gefälle in den Elektrolyseur fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionswasser aus dem Elektrolyten abgetrennt wird, um eine konstante Konzentration des Elektrolyten zu erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionswasser aus dem Elektrolyten nicht abgetrennt wird und dass der Elektrolytvorrat so groß bemessen wird, dass die Schwankungen in der Konzentration des Elektrolyten durch den unterschiedlichen Wassergehalt bei verschiedenen Betriebszuständen in einem für den Elektrolyseur und die Brennstoffzelle akzeptablen Bereich bleiben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter für den Elektrolyten stets vollständig gefüllt gehalten wird und kleine Schwankungen über ein hermetisch dichtes Membran-Ausgleichsgefäß aufgefangen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle vom Elektrolyt im Kreislauf durchströmt wird, um die Reaktionswärme und das Reaktionswasser abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle oberhalb des Elektrolyt-Vorratsbehälters angeordnet ist, so dass der Elektrolyt unter natürlichem Gefälle in den Elektrolyt-Vorratsbehälter fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher zur Abfuhr der Reaktionswärme im Elektrolyt-Kreislauf und/oder im Elektrolyt-Vorratsbehälter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als Fallfilm-Brennstoffzelle ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur als Fallfilm-Elektrolyse ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle und der Elektrolyseur über eine gemeinsame Leistungs-Elektronik mit dem Wechselstrom-Netz verbunden sind, wobei die Leistungs-Elektronik im Entladebetrieb als geregelter Wechselrichter und im Ladebetrieb als geregelter Gleichrichter arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung der Brennstoffzelle nur durch Veränderung des entnommenen Gleichstroms bewirkt wird.
Verfahren zur Sicherheitsüberprüfung der Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vor dem Beginn einer Entladeperiode bei abgeschaltetem elektrischen Strom eine gasseitige Druckhalte-Prüfung durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle zu einem regenerativen elektrochemischen Wandler zusammengefasst sind.