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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.
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Bild
1 zeigt ein vereinfachtes Schema der heutigen elektrischen Energieversorgung
mit den ungefähren Anteilen der verschiedenen Primärenergien.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dabei
wird CO2 mit H2 unter
Druck und Temperatur sowie beispielsweise mit Katalysatoren hydriert.
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Zumindest
zwei andere Varianten dazu sind bei Arno Behr (Universität
Dortmund) nachzulesen. Kohlenstoff wird unter Einsatz von Energie
aktiviert.
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- 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.
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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.
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Die
Steuerung übernimmt eine Netzsteuerung, welche steuernden
Einfluss auf die wesentlichen Teilnehmer des so beschriebenen Kreislaufs hat.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Bevorzugt
erfolgt die Hydrierung nach einem Verfahren gemäß Fischer-Tropsch,
modifiziert, welches hier nicht näher erläutert
wird, sondern als allgemein bekannt angenommen werden kann.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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).
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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).
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Bild
3, Bild 4 zeigen zwei Beispiele der Erfindung (3, 4).
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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.
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Die
gemäß Beispielen der Erfindung umgestalteten Netzwerke
finden sich in Bild 3 und Bild 4, bzw. 3 und 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bild
4 veranschaulicht eine Variante von Bild 3.
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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.
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Wegen
der hohen Ströme im Elektrolyseur 40 wird ein
Elektrolysegleichrichter nahe beim Elektrolyseur angeordnet.
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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).
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Am
Ausgang der Elektrolyseure sind Zwischenspeicher 45 angeordnet,
die den entstehenden fluktuierenden Wasserstoffstrom bis zur weiteren Verarbeitung
aufnehmen. Eine Verflüssigung kann vorgesehen sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies
gilt vor allem bei einem wachsenden Ausbau der WEA und steigenden
Einspeiseleistungen.
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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.
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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.
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Die
Zwischenspeicher 45 und 15 waren in Bild 3 noch
nicht vorgesehen. Sie sollen hier eingehender erläutert
werden.
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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.
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Sowohl
die Lastschwankungen der Verbraucher, wie auch die Windkraftschwankungen
und die Solarkraftschwankungen können durch die Puffer und
den Netzregler 21 ausgeglichen werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wir
dieses Ansteigen erfasst, kann von der Steuerung 22 die
Elektrolyse und/oder die Hydrierung aufgesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Zeitschrift
für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007) [0001]
- - Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007),
H. 7, S. 52 bis 57 [0003]