DE102007037672A1 - Unterstützung einer nachhaltigen Energieversorgung mit einem Kohlenstoff-Kreislauf unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung soll Wege aufzeigen, welche es erlauben, die saisonalen und meteorologischen Einflüsse der regenerativen Energie mit den menschlich vorgeprägten Verbrauchsverläufen aus dem Energienetz zu harmonisieren und diese Harmonisierung durch Zwischenspeicher und Einbeziehung einer CO2-Verwertung in eine langfristig nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, die auch den bestehenden Netzen weiterhin Stabilität verleiht. Vorgeschlagen wird dazu ein Energieverteilungsverfahren, bei dem ein Strom oder Lasten verteilendes Stromnetz (20) eine Vielzahl von Verbraucherstellen (21) versorgt. Regenerativ erzeugte Energie (30, 31) über Windkraft- oder Solarzellen wird nicht vollständig in das Netz (20) eingespeist, sondern zumindest in wesentlichen Anteilen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet (40). Der Wasserstoff wird in zumindest einer Hydrieranlage (10) zusammen mit Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken (81, 82) oder einem Endlager (83) hydriert, wobei zumindest ein gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt (11) wird. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird erneut in einem Kraftwerk (81, 82) zur Bildung von elektrischem Strom verwertet, wobei Kohlenstoff in einem Kreislauf (100) bewegt, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie (30, 31, 35) und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.

Description

  • Die Klimadiskussion, angeregt insbesondere durch Berichte des IPCC (Intergovernmental Panel an Climate Change) zeigt die Notwendigkeit, die anthropogenen CO2-Emissionen in den kommenden Jahren drastisch zu reduzieren. Da ein großer Teil der Emissionen in den Industrieländern bei der Energieversorgung und beim Verkehr entsteht, konzentrieren sich die bereits getroffenen und noch zu treffenden Maßnahmen auf diese Sektoren, vgl. Leonhard, Wer eine nachhaltige und zuverlässige Energieversorgung will, braucht Energiespeicher, Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007), derzeit unveröffentlicht, hier einbezogen per expliziter Referenz.
  • Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schema der heutigen elektrischen Energieversorgung mit den ungefähren Anteilen der verschiedenen Primärenergien.
  • Etwa die Hälfte der Elektrizität von über 500 TWh/a in Deutschland wird aus fossiler Primärenergie gewonnen, sie hat damit einen nennenswerten Anteil an den klima-schädlichen CO2 Emissionen. Als Beitrag zu einer aktiven Umweltpolitik hat man in den letzten Jahren mit hohen Kosten die Windenergienutzung mit Windenergieanlagen (WEA) stark ausgebaut. Die Leistung der jetzt installierten WEA beträgt über 20.000 MW. Die ins Netz 20 eingespeiste Energie erreicht derzeit 30 TWh/a, entsprechend 1.500 Vollaststunden (von den 8760 Stunden des Jahres). Der Energieanteil des Windes entspricht damit über 5% der in Deutschland verbrauchten elektrischen Energie. Allerdings schwankt die ins Netz gespeiste regenerativ erzeugte Leistung sehr stark, da sie wind- statt bedarfsorientiert ist. Sie hat deshalb einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität des elektrischen Netzes und es gibt Hinweise, dass der Netzzusammenbruch vom 4. Nov. 2006 durch übermäßige Windleistungseinspeisung in die norddeutschen Netze ausgelöst wurde, vgl. Leonhard, Wenzel, Flauten, Orkane und eine verfehlte Energiepolitik – wie soll das elektrische Versorgungsnetz das richten?, Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007), H. 7, S. 52 bis 57.
  • Mit sog. off-shore-Anlagen in der Nord- und Ostsee soll die installierte WEA-Leistung bis 2020 mehr als verdoppelt werden. Die Leistung aus Solar-Energieanlagen (SEA) ist, verglichen mit dem Wind, derzeit noch unerheblich, sie steigt aber wegen ihrer finanziellen Förderung ebenfalls rasch an.
  • Die Eigenschaft natürlicher Energiequellen wie Wind und Sonne, dass ihre Leistung von saisonalen und meteorologischen Bedingungen abhängt, nicht steuerbar und nur ungenau prognostizierbar ist, hat zur Folge, dass sie stark von der – vom Arbeits- und Lebensrhythmus der Verbraucher bestimmten – Netzlast abweicht, vgl. Bild 2. Da im elektrischen Netz aus physikalischen Gründen (zur Aufrechthaltung einer konstanten Frequenz und der regionalen Lastflüsse) immer eine ausgeglichene Leistungsbilanz notwendig ist, müssen – bei Einspeisen regenerativer Energie – andere Kraftwerke veränderliche Regelleistung liefern, was zu schnellen Lastwechseln mit höherem spezifischen Brennstoffverbrauch und Emissionen, außerdem höheren Kosten und reduzierter Lebensdauer dieser Kraftwerke führt.
  • Diese Schwierigkeiten des schlecht prognostizierbaren Stromflusses lassen sich nur durch Energiespeicher beheben, die in der Lage sind, einen Ausgleich herbeizuführen, indem sie Spitzen der Einspeiseleistung aufnehmen und die gespeicherte Energie bei Leistungsmangel dem Netz wieder zuführen, dies bei Lastspitzen. Die im deutschen Netz verfügbaren Pumpspeicher-Kraftwerke von rd. 7.000 MW während einiger Stunden sind für diese Aufgabe schon heute viel zu klein. Beim geplanten Ausbau der WEA werden sie nicht annähernd genügen, den Ausgleich der schwankenden Einspeiseleistung durch Windkraft zu übernehmen. Deshalb werden auch chemische Speicher diskutiert, um mit technisch weiterzuentwickelnden Elektrolyseuren Wasserstoff zu erzeugen, der dann in praktisch unbegrenzten Mengen langfristig, auch untertage speicherbar ist und als Energiequelle für eine spätere Netzeinspeisung oder für mobile Anwendungen dienen kann; dabei kommt sowohl gasförmiger als auch flüssiger (kryogener) Wasserstoff in Frage.
  • Da Kohle, insbesondere Braunkohle, als heimische Energiequelle noch über Jahrhunderte verfügbar ist, besteht ein starkes Interesse, die Umweltnachteile der hohen spezifischen Schadstoff-Emissionen einzugrenzen, indem man die bei der Verbrennung unvermeidlich entstehenden CO2 Anteile abtrennt, das Gas unter Druck verflüssigt und in unterirdische Endlager verbringt; in Bild 1 ist dies gestrichelt angedeutet. Diese Verfahren, die z. Z. mit Nachdruck untersucht werden, sind eine Voraussetzung für sog. "CO2-freie Kohlekraftwerke", die ab 2020 verfügbar sein sollen. Die bestehenden Risiken dürfen aber nicht unterschätzt werden, denn die CO2-Emissionsmengen sind gewaltig; bereits ein mittelgroßes Kohlekraftwerk von 700 MW wird im Jahr etwa 4 Mio m3, entsprechend einem Würfel mit einer Kantenlänge von ca. 160 m, verflüssigtes CO2 liefern. Die Endlager müssen, entsprechend nuklearen Endlagern, ein Entweichen oder gefährliche Reaktionen im Untergrund auf unbegrenzte Zeit ausschließen. Vor einigen Jahrzehnten hat eine vulkanisch bedingte CO2 Eruption in Kamerun zu einer Katastrophe mit mehreren tausend Opfern geführt, da CO2 schwerer als Luft ist und sich in Bodennähe ausbreitete.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, zumindest im wesentlichen zu lösen und Wege aufzuzeigen, welche es erlauben, die saisonalen und meteorologischen Einflüsse der regenerativen Energie mit den menschlich vorgeprägten Verbrauchsverläufen aus dem Energienetz zu harmonisieren und diese Harmonisierung durch Zwischenspeicher und Einbeziehung einer CO2-Verwertung in eine langfristig nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, die auch den bestehenden Netzen weiterhin Stabilität verleiht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe damit gelöst, dass ein Energieverteilungsverfahren (Anspruch 1), oder eine Energieanlage (Anspruch 14), sowie Art und Weise des Verfahrens zum Betreiben der Anlage (Anspruch 14) bereitgestellt wird. Darin ist vorgesehen, dass regenerativ erzeugte Energie, beispielsweise aus Windkraft oder aus Solarenergie, als Strom nicht vollständig in das bestehende Versorgungsnetz eingespeist wird. Alternativ kann es auch ganz davon ferngehalten werden, so dass zumindest wesentliche Anteile dieser Energie zur Erzeugung eines sekundären Energieträgers, beispielsweise Wasserstoff, verwendet werden, Strom in einer Hydrolyseanlage verwertet wird, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff als erster, speicherbarer Energieträger, beispielsweise in flüssiger Form, wird in einer zweiten Anlage zum Umsetzen von CO2 in einen brennbaren zweiten Energieträger eingesetzt (Anspruch 14). Die Hydrierung ergibt sich aus einer Zufuhr von Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken oder einem Zwischenspeicher, unter Zufuhr von Wasserstoff und gemäß bekannten Verfahren nach beispielsweise Fischer-Tropsch, in modifizierter Form.
  • Dabei wird CO2 mit H2 unter Druck und Temperatur sowie beispielsweise mit Katalysatoren hydriert.
  • Zumindest zwei andere Varianten dazu sind bei Arno Behr (Universität Dortmund) nachzulesen. Kohlenstoff wird unter Einsatz von Energie aktiviert.
    • 1. Die Aktivierung durch Übergangsmetallkatalyse. Das Kohlendioxid wird aktiviert und kann mit Wasserstoff zu dem Grundstoff Ameisensäure reagieren. Die Ameisensäure kann dann in weitere Wertprodukte umgewandelt werden. Ein zweites Beispiel ist die Reaktion des Kohlendioxids mit einer hochaktiven Substanz, dem Butadien. Dabei entstehen Lactone, die z. B. als Geruchsstoffe oder als Vorstufen von Kunststoffen genutzt werden können.
    • 2. Die Aktivierung mit Mikrowellen-Strahlung: Dabei werden, ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre, Kohlendioxid-Moleküle zu einem Plasma aktiviert. Die so aktivierten Kohlendioxid-Moleküle können dann mit Erdgas reagieren. Es entsteht als neuer Grundstoff das "Synthesegas", das bereits jetzt für die Herstellung von wertvollen Alkoholen und Benzinen genutzt wird.
  • Damit wird die regenerativ erzeugte Energie bevorzugt gar nicht in das Netz eingespeist und andere Einspeiseteilnehmer gezwungen, ihre Einspeiseleistung drastisch zu reduzieren, wie es für Grundlast-Kraftwerke schwer möglich ist, vielmehr wird die fluktuierende Energie, die aus regenerativen Quellen stammt, zu einer fluktuierenden Wasserstofferzeugung genutzt, welche leichter zwischengespeichert werden kann, als elektrischer Strom. Ebenfalls fluktuierend betrieben wird dann die Hydrierung, die wiederum einen Zwischenspeicher speisen kann, aus dem die gasförmige Energie, beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, regulären und vorhandenen Grundlast-Kraftwerken zugeführt werden kann, beispielsweise einem Gaskraftwerk. Dieses Gaskraftwerk kann im Sinne eines planbaren Stroms einen Beitrag zum elektrischen Netz liefern, was seinerseits die Vielzahl von Lasten versorgt und stabil sowie nachhaltig zu betreiben ist. Die Vielzahl von Verbraucherstellen, deren Lasten kaum mit dem Aufkommen der regenerativen Energie korreliert sind, werden so über die Speicher, über die Elektrolyse und die Hydrierung miteinander harmonisiert und steuerbar sowie planbar.
  • Die Steuerung übernimmt eine Netzsteuerung, welche steuernden Einfluss auf die wesentlichen Teilnehmer des so beschriebenen Kreislaufs hat.
  • Der brennbare Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan, kann in dem Kraftwerk zur Bildung elektrischen Stroms verbrannt werden. Er kann ebenfalls zwischengespeichert werden und davor verflüssigt werden, so dass diese Speicherung nicht mehr als eine Zwischenspeicherung ist.
  • Die Zufuhr von Kohlendioxyd aus Abtrennungsanlagen, welche dem bestehenden Gaskraftwerken oder Kohlekraftwerken nachgeschaltet sind, erfolgt entweder direkt oder ebenfalls über ein Endlager, das damit kein Endlager, sondern nurmehr ein Zwischenlager wird, kurz ein CO2-Lager. Auf diese Weise kann Kohlenstoff in einem Kreislauf bewegt werden, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.
  • Verschiedene Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind möglich. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird zunächst verflüssigt, bevor er zwischengespeichert wird. (Anspruch 2). Diese Zwischenspeicherung ist sinnvoll, um eine Entkopplung von Erzeugung des Kohlenwasserstoffs und Bedarf des Kohlenwasserstoffs zu erreichen, also die Zufuhr von Kohlenwasserstoff im Gaskraftwerk nur dann zu erhöhen, wenn von diesem Grundlast-Kraftwerk auch Energie für den planbaren Strom im elektrischen Netz benötigt wird. Das Gaskraftwerk wird dabei als eine Möglichkeit eines Grundlast-Kraftwerkes angesehen (Anspruch 3). Ebenso kann der Kohlenwasserstoff aber auch andere auf Verbrennung basierenden Kraftwerken zugeführt werden, so Kohlekraftwerken und Müllverbrennungs-Kraftwerken.
  • Die stabile Betriebsweise des Netzes erfolgt gesteuert von einem Netzregler (Anspruch 5), der Einfluss auf die meisten der beteiligten Einsgeiser des Netzes besitzt, und erfindungsgemäß auch Einfluss auf die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zu den Kraftwerken, insbesondere auch Einfluss auf die Speicherung von Wasserstoff als Ausgangsgröße der Elektrolyse hat, also die Menge und den Zeitpunkt der durch Hydrierung entstehenden Kohlenwasserstoffe steuern kann. Kaum Einfluss hat der Netzregler auf die Erzeugung der regenerativen Energie in Form von Strom aus solarthermischen und Windenergie-Anlagen, diese können vielmehr nur über die Elektrolyse verbraucht werden oder aber Reste davon dem Netz als geringer Anteil einer regenerativen Einspeisung zugeführt werden. Bevorzugt wird keiner oder kaum ein Anteil dieser Energie dem Netz zugeführt, und der Hauptanteil der regenerativ erzeugten Energie in einem separaten zweiten Netz geführt (Anspruch 6), um die Elektrolyse zu erhalten. Gleichwohl ist auch eine Einspeisung dieser regenerativen Energie als Strom in das elektrische Netz möglich, und eine Zuspeisung von Energie aus diesem Netz zur Elektrolyse (Anspruch 7). Damit werden Energieverluste reduziert. Die Anteile und Lastverteilung steuert der Netzregler (Anspruch 5). Der Netzregler erhöht die Speichermenge in dem einen oder anderen Speicher für Wasserstoff bzw. durch Hydrierung erzeugten Kohlenwasserstoff, wenn deren Energiezulieferung aktuell nicht für das Netz benötigt wird. Der Netzregler gibt die Speichergrößen frei und speist aus diesen Zwischenspeichern zu, wenn die Energien vom Bedarf der vielen Verbraucher am elektrischen Netz benötigt werden (Anspruch 8).
  • Die Verwendung von Zwischenspeichern im Sinne von wirklichen Zwischenspeichern und keinen Endlagern hilft es, die Größe dieser Lagerstellen zu reduzieren und sie als Pufferspeicher zu verwenden, die langfristig nicht akkumulieren, sondern durch Zufuhr und Abfuhr innerhalb eines vorgegebenen maximalen Grenzvolumens verbleiben.
  • Bevorzugt erfolgt die Hydrierung nach einem Verfahren gemäß Fischer-Tropsch, modifiziert, welches hier nicht näher erläutert wird, sondern als allgemein bekannt angenommen werden kann.
  • Die beiden genannten Energieträger sind als erster, speicherbarer Energieträger Wasserstoff, und als zweiter speicherbarer Energieträger Kohlenwasserstoff (Ansprüche 10, 11). Die Führung der regenerativen Energie über das zweite Netz muß nicht zwingend ein Stromnetz sein, kann ebenfalls ein Wasserstoffnetz durch Rohrleitungen sein, wobei der Begriff der "Leitung" im Sinne der folgenden Beschreibung auf das eine oder andere, je nach Anwendungsfall und den örtlichen Gegebenheiten angepasst wird (Anspruch 12).
  • Dem Netzregler ist es so möglich, einen planbaren Strom und den fluktuierenden Strom so zu steuern, dass ein Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung möglich ist (Anspruch 5, 15). Erwähnt werden sollte, dass Netzregler in der Regel zentralisiert arbeiten, aber über Datenleitungen mit allen Bereichen des Netzes gekoppelt sind, sowohl hinsichtlich Messgrößen, wie auch hinsichtlich Stellgrößen. Der Netzregler sorgt für eine konstante Netzfrequenz, die maximal in einem geringen Bereich von wenigen Hundertsteln von Hertz (Hz) schwanken darf, so dass die Frequenz des elektrischen Netzes im Wesentlichen konstant bleibt (Anspruch 5).
  • Erfindungsgemäß wird ein heutiges Netz nach Bild 1 umgestaltet, insbesondere durch Elektrolyseure ergänzt, die den fluktuierenden und wegen seines irregulären Verlaufs dem Netzbetrieb unzuträglichen Strom aus WEA und SEA aufnehmen und in Wasserstoff umwandeln. Dieser dient erfindungsgemäß dazu, das abgetrennte CO2 durch Hydrierung mit einem Fischer-Tropsch Verfahren zu neuen Kohlenwasserstoffen aufzuarbeiten, die mittelbar oder unmittelbar den Kohle- und Gaskraftwerken oder anderen Verbrauchern wieder als Brennstoffe zugeführt werden.
  • Prinzipielle Techniken von Hydrierverfahren sind seit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt; während des Krieges war die Kohleverflüssigung in Hydrierwerken wichtigste Energiebasis, doch wurden diese Verfahren später wegen der niedrigen Preise für fossile Energieträger unrentabel; in Südafrika, USA und China sollen Anlagen noch in Betrieb sein. Wenn aber nun wegen der Unverträglichkeit der aus WEA erzeugten elektrischen Leistung mit dem Bedarf im Versorgungsnetz regenerativ gewonnener Wasserstoff als Energiequelle für den Hydriervorgang dient und ohnehin zur Verfügung steht, könnte ein integriertes Verfahren wieder wirtschaftlich werden. Es löst gleichzeitig mehrere Aufgaben:
    • – Bereitstellung eines chemischen Energiespeichers, um bei weiterer Steigerung der Windenergieeinspeisung eine direkte und dem elektrischen Netzbetrieb unzuträgliche Einspeisung zu vermeiden und gleichwohl zu nutzen. Wegen der verschiedenen im System enthaltenen materiellen Speicher können Windleistung und das Netz dynamisch entkoppelt werden, zumindest so weit, dass die Netzkontrolle erhalten bleibt, bevorzugt aber auch im Sinne einer vollständigen Entkopplung (Anspruch 12).
    • – Aufbereitung des bei der Verbrennung von Kohle oder Erdgas unvermeidlichen CO2 zu neuen vielseitig wieder-verwendbaren Energieträgern.
    • – Rückhaltung des Kohlenstoffs in einem Kreislauf.
    • – Wenn die Wasserstoffproduktion für die Hydrierung nur eines Teils des anfallenden CO2 ausreicht, kann mit fossilen Brennstoffen "zugefeuert" und das entstehende CO2 deponiert werden, bei steigender Wasserstoffproduktion ist aber auch eine Aufarbeitung aus dem CO2-(End)lager denkbar. Das Endlager wird zu einem Zwischenlager mit Zu- und Abfluss.
    • – Die für die Hydrierung eingesetzte Energie wird der fluktuierenden regenerativen Energie, aber auch verfügbarer Überschüsse der planbaren Energie, beispielsweise aus thermischen Kraftwerken entnommen.
    • – Alle Teilanlagen sind modular und könnten an passenden Standorten errichtet werden. Es gibt erprobte Technologien für den Transport der flüssigen und gasförmigen Arbeitsmedien.
    • – Natürlich kann verfügbare Biomasse in Heizkraftwerken auch in elektrische Energie umgewandelt und dem Netz zugeführt werden, oder aber nach Vergasung dem brennbaren Gas aus der Hydrierung.
    • – Das Ziel einer völligen Nachhaltigkeit der Energieversorgung ist langfristig erst erreichbar, wenn die natürlichen Energiequellen Wasser, Wind und Sonne den gesamten Energiebedarf einschließlich aller Verluste decken. Das umschriebene Verfahren weist einen Weg in diese Richtung. Dabei muß nicht auf Ressourcen in entfernten, zum Teil politisch labilen Regionen zurückgegriffen werden, wie das manchmal durch den Hinweis auf mögliche große Solarfelder in der Sahara geschieht.
    • – Die nukleare Stromerzeugung ist nicht Gegenstand dieser Darstellung. Sie kann, wie z. B. in Frankreich geplant, durch Aufarbeitung der Rückstände ebenfalls in einem anderen geschlossenen Kreislauf erfolgen.
  • Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung anhand von zwei Beispielen nach Bildern 3 und 4. "Bilder" sind gleich "Figuren".
  • Bild 1 zeigt eine heutige elektrische Energieversorgung in Deutschland in schematischer Darstellung (1).
  • Bild 2 zeigt Leistungen im deutschen Hochspannungsnetz während einer näher bezeichneten Woche im Januar 2007, zur Verdeutlichung der nicht-korrelierten regenerativen Energien mit der von Verbrauchern geforderten Netzlast aus dem elektrischen Netz 20 (2).
  • Bild 3, Bild 4 zeigen zwei Beispiele der Erfindung (3, 4).
  • Die Bilder oder 1 und 2 waren bereits kurz erläutert worden. Zu Bild 1 soll neben seiner selbsterklärenden schematischen Struktur einer bestehenden Netzstruktur nur Grobes ergänzt werden. Verständlich ist, dass Bild 1 eine schematische Darstellung des Netzes 20 ist, das von planbarem und von fluktuierendem Strom gespeist wird, wobei derzeit der Anteil des fluktuierenden Stromes nur 5% beträgt, künftig aber wesentlich steigen kann. Die Grundlast bereitstellenden Kraftwerke sind Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke. Die Gaskraftwerke und die Wasserkraftwerke können aufgrund ihrer leichten Regelbarkeit als Regelkraftwerke herangezogen werden. Zusätzlich werden auch die Pumpspeicher-Kraftwerke mit etwa 7% der installierten Leistung als entweder Lieferant oder Verbraucher zum elektrischen Netz 20 angesehen. Hier wird ein Teil des fluktuierenden Stroms der regenerativen Energien aufgefangen, aber aufgrund der Größenunterschiede bei ca. 7.000 MW installierter Pumpspeicherleistung gegenüber ca. 20.000 MW installierter Windenergie zeigt, dass diese beiden Größenordnungen nicht zusammenpassen. Auch von ihrem möglichen Standort in gebirgigem Gelände passen sie nicht zum Ausgleich von Leistungsspitzen, die Offshore entstehen. Deshalb werden vermehrt auch andere Kraftwerke zu Regelkraftwerken, so auch das Kohlekraftwerk und früher oder später auch die Kernkraftwerke, die eigentlich reine Grundlast-Kraftwerke sind.
  • Die gemäß Beispielen der Erfindung umgestalteten Netzwerke finden sich in Bild 3 und Bild 4, bzw. 3 und 4.
  • Bild 3 zeigt eine Energieverteilung, als Anlage oder als Betriebsverfahren, bei dem sehr stark strukturiert vorgegangen wurde und auf die lokalen Platzierungen und die örtlichen Gegebenheiten keine Rücksicht genommen wurde, vielmehr nur der Fluss der Energie symbolisch dargestellt ist. Ein Hochspannungsnetz 20 wird von planbarem Strom gespeist. An diesem Netz sind mehrere Verbraucher beteiligt, die nicht nur Endverbraucher, sondern dezentral verteilt viele Verbraucher 21 sind, Haushalte, Industrie und andere. Zu den Primärenergien Wasser, Erdgas, Kohle und Uran ergibt sich der planbare Strom auf der Leitung 19. die Zufuhr von Strom aus Kernenergie erfolgt auf Leitungsabschnitt 18, die Zufuhr von Strom aus Kohlekraftwerken 82 erfolgt auf Leitungsabschnitt 17, die Zufuhr von Strom aus Gaskraftwerken 81 erfolgt auf Leitungsabschnitt 16 und die Zufuhr von Strom aus Wasserkraftwerken 80 erfolgt auf Leitungsabschnitt 15. Entweder direkt am Netz 20, oder schon im Hochspannungsnetz sind die Pumpspeicherwerke vorgesehen, die Last aufnehmen und Strom abgeben können.
  • Die regenerative Energie, welche von Fotovoltaik oder solarthermischen Anlagen stammt, wird bei 31 erzeugt und im Leitungsabschnitt 13 einem eigenständigen Netz 35 zugeführt. Ebenfalls diesem Netz 35 zugeführt wird über den Leitungsabschnitt 14 der Strom aus Windenergieanlagen 30.
  • Ein elektrisches Netz 20 ist so zu betreiben, dass die Stromverteilung oder die Lastverteilung ein stabiles Netz bildet, und eine Vielzahl von Verbraucherstellen 21, ggf. auch andere Verbraucher 61 bedient werden können. Die Energieverteilung und das Netz haben nachhaltig zu erfolgen, was ein Fachbegriff in diesem Gebiet der Technik ist. Die Nachhaltigkeit einer Energieversorgung beinhaltet eine Vielzahl von Komponenten, auf die hier nicht einzeln eingegangen werden soll.
  • Die regenerativ erzeugte Energie im Netz 35 wird nicht, respektive nicht vollständig in das Netz 20 eingespeist. Stattdessen erfolgt die Einspeisung in eine oder mehrere Elektrolyseanlagen 40, die an geeigneten örtlichen Stellen platziert werden können. Beispiele sind eingangs angegeben. Die Elektrolyseeinrichtung 40 erzeugt Wasserstoff. Der Wasserstoff wird in einer Hydrierungsanlage 10 zusammen mit zugeführtem Kohlendioxid zu einem Kohlenwasserstoff umgewandelt, wobei die regenerative Energie durch die Bildung des Wasserstoffes Verwendung findet.
  • Der Kohlenstoff kann entweder direkt aus Treibhausgasen abgebenden Kraftwerken stammen, nach einer CO2-Abtrennung, hier die Gaskraftwerke 81 und die Kohlekraftwerke 82, entlang einer Rohrleitung, bei beispielsweise verflüssigtem Kohlendioxid, und der einen oder mehreren verteilten Hydrieranlagen 10 zugeführt werden. Zwischengeschaltet werden kann ein Lager 85, welches entweder CO2 aufnimmt, oder CO2 für die Hydrieranlage 10 abgibt, oder beides, aber nicht zeitgleich an gleicher Stelle. An geologisch verschiedenen Stellen dagegen schon. Auch eine direkte Vorbeileitung entlang des Weges A für das Kohlendioxid zur Hydrierung ist möglich. Die Wege a, b sind Zufuhr und Abfuhr zum und vom Lager 85, wobei die tatsächlichen Wege A, B und C möglich sind. Die Leitung 100 führt zur Hydrieranlage 10, respektive mehrere entsprechende Leitungen führen zu mehreren Verteilhydrieranlagen 10, die hier blockweise und schematisch dargestellt sind.
  • Das Ausgangsprodukt als zweiter speicherbarer Energieträger ist über eine Leitung 11 geführt und ggf. wird hier vergaste Biomasse über eine oder mehrere Vergasungseinrichtungen 50 per Leitung 12 noch zugeführt. Die Leitung 11 führt mittelbar oder unmittelbar zu den Kohlekraftwerken und den Gaskraftwerken, wo der Kohlenwasserstoff als brennbarer Energieträger zur Bildung von elektrischem Strom verwertet wird. Dadurch ergibt sich ein Kreislauf von Kohlenstoff entlang des Pfades 100, der im folgenden Bild noch deutlicher wird. Das folgende Bild geht, soweit nichts anderes beschrieben wird, auf die Bezugszeichen von Bild 3 ein und übernimmt sie, wobei dort der Netzregler 21 gesondert eingezeichnet ist, der auch in dem Bild 3 zur Verfügung steht und seine Einflüsse entsprechend den Referenznummern 21a bis 21f auch in Bild 3 hat.
  • Bild 4 veranschaulicht eine Variante von Bild 3.
  • Ein Teil der mit WEA 30 oder SEA 31 erzeugten fluktuierenden elektrischen Leistung wird wie bisher direkt dem elektrischen Netz zugeführt 35a. Ein anderer Teil fließt über Leitung 35 den Elektrolyseuren 40 zu, die sich entweder am Ort der WEA (bspw. auf einer Offshore-Plattform) befinden oder an Land über Leitungen mit den WEA oder SEA verbunden sind. Die Verbindung kann mit Gleichstrom oder Drehstrom erfolgen.
  • Wegen der hohen Ströme im Elektrolyseur 40 wird ein Elektrolysegleichrichter nahe beim Elektrolyseur angeordnet.
  • Falls leistungsfähige und nicht voll ausgelastete Leitungen des Versorgungsnetzes verfügbar sind, bei denen keine Überlastungsgefahr besteht, kann der Strom des Elektrolyseurs auch unter Nutzung von Anteilen des Drehstrom-Versorgungsnetzes zu den Elektrolyseuren übertragen werden (nicht dargestellt).
  • Am Ausgang der Elektrolyseure sind Zwischenspeicher 45 angeordnet, die den entstehenden fluktuierenden Wasserstoffstrom bis zur weiteren Verarbeitung aufnehmen. Eine Verflüssigung kann vorgesehen sein.
  • Das in fossilen Kohle- oder Gaskraftwerken 81, 82 abgetrennte CO2 (Anlagen 84 nach Bild 4) wird unter Druck verflüssigt und einem untertage befindlichen (End)lager 85 oder gleich der Hydrieranlage 10 zugeführt. Falls genügend Wasserstoff verfügbar ist, kann CO2 auch dem (End)lager entnommen werden. Diese Wege A oder C sind ebenso möglich, wie die zeitweise vollständige Speicherung im Weg B.
  • Die in der Hydrieranlage 10 gewonnenen gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffe werden über Leitung 11 in Speicher 15 zwischengespeichert und fossilen Kraftwerken als Brennstoff zugeführt. Sie können aber auch für andere Zwecke, z. B. bei mobilen Anwendungen dienen.
  • Die geographische Anordnung der Einzelkomponenten hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab; dabei sind vor allem die Entfernungen und die Kosten der Verbindungen (elektrisch oder Rohrleitung) von Bedeutung.
  • Alle Teile sind modular ausführbar. Beim schrittweisen Ausbau der verschiedenen Komponenten wird sich die Betriebsweise ändern. Ausgehend vom gegenwärtigen Zustand, wo die gesamte fluktuierende WEA- und SEA-Leistung über Leitungen 35a in das elektrische Netz eingespeist wird, können parallel zum Ausbau der Abtrennungs-, Elektrolyse-, und Hydriertechnologie zunehmende Anteile der fluktuierenden Leistung den Elektrolyseuren zufließen, über Leitung 35 nach Bild 4.
  • Um Verluste zu reduzieren, kann ein Teil der Windleistung direkt in das elektrische Netz eingespeist werden, Leitung 35a, doch sind aus Stabilitätsgründen starke Schwankungen vom Netz fernzuhalten.
  • Dies gilt vor allem bei einem wachsenden Ausbau der WEA und steigenden Einspeiseleistungen.
  • In Bild 4 wird der Einfluss der übergeordneten Steuerung 22 des Netzreglers 21 deutlicher. Steuerung 22 beeinflusst über Kommunikationskanäle, die nicht im einzelnen dargestellt sind, den Zwischenspeicher 15, den Zwischenspeicher 45. Der Netzregler 21 beeinflusst über andere Kommunikationskanäle die Kraftwerke, welche Grundlast-Kraftwerke 81 und 82 hier nur dargestellt sind, aber auch die übrigen aus Bild 3 einsetzbaren Kraftwerke. Ebenfalls beeinflusst werden kann von der Steuerung 22 die Elektrolyseeinrichtung 40, die lokal oder räumlich verteilt an mehreren Stellen Wasserstoff erzeugt, gespeist aus dem regenerativ gewonnenen, fluktuierenden Strom im Netz 35.
  • Das Netz 35 ist in Bild 4 nicht mehr eigenständig und alleinig für die fluktuierenden Stromlasten vorgesehen, sondern hat einen Ableger 35a, der in das elektrische Netz 20 einspeist. Nach Bild 1 war die Einspeisung entlang des Pfades 35a ausschließlicher Natur, der gesamte fluktuierende Strom führte in das elektrische Netz. Nach Bild 2 war der gesamte fluktuierende Strom der Elektrolyse 40 zugeführt. Nach Bild 4 ist ein wesentlicher Anteil des fluktuierenden Stromes zur Erzeugung von Wasserstoff in der Elektrolyseeinrichtung 40 verwendet, wobei die Leitung 35 als Stromleitung dargestellt ist, aber ebenso bei einer direkten Speisung der regenerativ gewonnenen Energie in ein naheliegendes Elektrolysegerät 40 als Rohrleitung für den Wasserstoff ausgebildet sein kann. Ein Anteil der regenerativen Energie wird direkt dem elektrischen Netz 20 über der Pfad 35a zugeführt, aber dieser Anteil ist vergleichsweise gering, so dass die Schwankungen des fluktuierenden Stromes das Netz nicht über die Leistungsfähigkeiten und Regelfähigkeiten des Netzreglers 21 überbeanspruchen.
  • Die Zwischenspeicher 45 und 15 waren in Bild 3 noch nicht vorgesehen. Sie sollen hier eingehender erläutert werden.
  • Der Wasserstoff aus der Elektrolyseeinrichtung 40 kann zwischengespeichert werden, wobei die Steuerung der Zwischenspeicherung auch von einem übergeordneten Regler 22 übernommen werden kann. Ebenso kann die Menge des durch Hydrierung erzeugten Kohlenwasserstoffs in einem Zwischenspeicher 15 zwischengepuffert werden, der ebenfalls von dem übergeordneten Regler gesteuert werden kann. Damit muß nicht zwingend die augenblicklich erzeugte Menge von Wasserstoff und/oder die augeblicklicht erzeugte Menge von Kohlenwasserstoff einer weiteren Verwendung zugeführt werden, vielmehr ergibt sich Puffermöglichkeit für einen Sturm, der viel Energie für beide Speicher 45 und 15 zwischenzuspeichern erlaubt, oder andererseits können diese beiden Speicher Energie den Kraftwerken 81, 82 zuführen, auch wenn keine regenerative Energie zur Erzeugung von Wasserstoff in der Elektrolyseeinrichtung 40 verfügbar ist.
  • Sowohl die Lastschwankungen der Verbraucher, wie auch die Windkraftschwankungen und die Solarkraftschwankungen können durch die Puffer und den Netzregler 21 ausgeglichen werden.
  • Deutlicher als in Bild 3 wird der schematisch eingezeichnete Kreislauf 100 für den Kohlenstoff, der sich aus dieser Anordnung eines Netzes und Betriebsweise eines Netzes ergibt. Der fluktuierende Strom wird in die Elektrolyse im wesentlichen eingeleitet, und der erzeugte erste Energieträger, der speicherbar ist, wandelt nach bevorzugt dem modifizierten Fischer-Tropsch Verfahren den Kohlenstoff in einen Kohlenwasserstoff um, der als zweiter Energieträger ebenfalls speicherbar ist.
  • Erläutert werden kann auch das CO2-Endlager, das entsprechend der Erklärung zum Lager 85 von Bild 3 kein Endlager mehr ist, sondern ebenfalls ein Zwischenlager, so dass auf die Ausführungen zu Bild 3 hier verwiesen werden soll.
  • Der Kreislauf 100 ergibt sich über die Hydrierung und die Rückführung der brennbaren Kohlenwasserstoffe in Form von Gasen oder Flüssiggasen zu den Kraftwerken 81, 82, und von dort über die CO2-Abtrennung 84 und das CO2-Zwischenlager im zuvor beschriebenen Sinn zurück zur Hydrierung 10.
  • Der Netzregler 21 und die übergeordnete Steuerung 22 sind mit Einflüssen eingezeichnet, die auf das elektrische Netz mit 21a wirken, über Informationsübermittlung auf den Zwischenspeicher 15 mit Kanal 22e, mit Netzübermittlung 22f zum Zwischenspeicher 45, und vom Netzregler 21 mit Kanälen 21b, 21c zum Gaskraftwerk 81 und zum Kohlekraftwerk 82.
  • Dieses sind nur herausgegriffen einige der Kommunikationskanäle des Netzreglers und der übergeordneten Steuerung 22, deren Eingangsgrößen nicht gesondert dargestellt sind, die aber beim Netzregler aus konventionellen Netzen bekannt sind. Auch andere Einflüsse am Ausgang des Netzreglers 21 können vorgesehen werden, wie auch weniger der dargestellten Einflüsse, insbesondere ist aber ein Einfluss der übergeordneten Steuerung 22 auf den Elektrolyseur über den Kanal 22d ebenso sinnvoll, wie eine Rückmeldung aus der Elektrolyse 40 und der Hydrieranlage 10 zur Steuerung 22, so dass die Stabilität des Netzes weiter verbessert wird.
  • Die übergeordnete Steuerung 22 wird beispielsweise angesteuert von Signalen aus der WEA 30 oder der SEA 31, also aus dem Bereich der fluktuierenden Energie, wie auch beispielsweise aus dem daraus generierten Strom auf Leitung 35 oder 35a. Die übergeordnete Steuerung spricht dabei auf das Anwachsen der fluktuierenden Energie an, also starke Sonneneinstrahlung, plötzliche Windböen oder unerwarteter Sturm. Naturgemäß kann diese Messgröße des Entstehens eines solchen Energieschubs an vielen Stellen angekoppelt werden, bis zurück zur Messung des Windes, oder bis vor zum Anwachsen der Stromstärke des Einspeisestroms.
  • Wir dieses Ansteigen erfasst, kann von der Steuerung 22 die Elektrolyse und/oder die Hydrierung aufgesteuert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • - Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007), H. 7, S. 52 bis 57 [0003]

Claims (15)

  1. Energieverteilungsverfahren, bei dem ein Strom oder Lasten verteilendes Stromnetz (20) stabil betrieben wird, und eine Vielzahl von Verbraucherstellen (21) versorgt, (i) wobei regenerativ erzeugte Energie (30, 31), insbesondere über Windkraft- oder Solarzellen, nicht im Wesentlichen ausschließlich bzw. nicht vollständig in das Netz (20) eingespeist wird, sondern zumindest in wesentlichen Anteilen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird (40); (ii) der Wasserstoff in zumindest einer Hydrieranlage (10) zusammen mit Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken (81, 82) oder einem Endlager (83) hydriert wird; wobei zumindest ein gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt wird (11); (iii) der brennbare Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan, erneut in einem Kraftwerk (81, 82) zur Bildung von elektrischem Strom verwertet wird; wobei Kohlenstoff in einem Kreislauf (100) bewegt wird, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie (30, 31, 35) und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der brennbare Kohlenwasserstoff in Schritt (iii) verflüssigt wird, um ihn zumindest eine Zeitlang zwischenzuspeichern (45, 15), bevor er in einem Kraftwerk (81, 82) zur Bildung von Strom verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kraftwerk ein Gaskraftwerk ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stabile Betriebsweise des Netzes nachhaltig erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Netzregler (21) die Frequenz des elektrischen Netzes durch Lastverteilung steuert, insbesondere nahezu konstant hält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die regenerativ erzeugte Energie (30, 31) in ein separates zweites Netz (35) eingespeist wird, welches eine Elektrolysestation (40) speist, welche Wasserstoff erzeugt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei ein Anteil der regenerativ erzeugten Energie in das elektrische Netz (20) eingespeist wird (35a), insbesondere aus diesem Netz (20) nach Maßgabe einer übergeordneten Steuerung (22; 22d) die Intensität der Elektrolyse gesteuert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, Anspruch 1 oder Anspruch 5, wobei die übergeordnete Steuerung (22; 22e, 22f) die Speichermenge erhöht oder reduziert (21e, 21f), oder solches veranlasst, welche in einem der Speicher (15, 45) für Wasserstoff oder brennbarem Gas zwischengespeichert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hydrieren (10) in der Hydrieranlage mit dem Verfahren nach Fischer-Tropsch, modifiziert, erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit regenerativer Energie gewonnene Strom (30, 31) zu regenerativ gewonnenem (40) Wasserstoff, als Beispiel eines ersten speicherbaren Energieträgers, umgesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der regenerative Wasserstoff zur Aufrechterhaltung eines Hydriervorgangs (10) dient, mit dem ein zweiter, speicherbarer Energieträger, beispielsweise ein verflüssigbarer Kohlenwasserstoff entsteht (11).
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei die regenerative Energie als Strom vollständig dem ersten Netz (20) vorenthalten und dem zweiten Netz zugeführt wird (35).
  13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren nach Fischer-Tropsch so modifiziert ist, dass CO2 durch zugeführte Energie aktiviert wird.
  14. Verfahren oder Anlage zur Verteilung elektrischen Stroms in einem großflächigen Netz aus mehreren Einsgeisern, mehreren Verbrauchern und zumindest einem Einsgeiser (31, 30) mit regenerativem Aufkommen an Energie, insbesondere einer umweltabhängigen, stark fluktuierenden Stromeinspeisung, wobei zumindest ein wesentlicher Anteil der regenerativen Energie als Hauptanteil der fluktuierenden Einspeisung nicht dem großflächigen Netz, sondern einem Verbraucher (40) zugeführt wird, der einen ersten, speicherbaren Energieträger, beispielsweise Wasserstoff erzeugt, und der erste speicherbare Energieträger einer Anlage (10) zum Umsetzen von Treibhausgasen (CO2) in einen brennbaren zweiten Energieträger (CxHy) zugeführt wird (11, 15), welche Anlage (10) einen Grundlast-Energieerzeuger (81) speist, bevorzugt aus einem Zwischenspeicher (15).
  15. Verfahren oder Anlage nach Anspruch 14, wobei ein Netzregler (21) die Erzeugung von Strom aus dem Grundlast-Energieerzeuger steuert (21c), abhängig vom Bedarf im Netz, zur Schaffung eines Beitrags zum planbaren Strom im Netz (20).
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