DE102007042711B4

DE102007042711B4 - Anlage zur supraleitenden magnetischen Energiespeicherung, elektrolytischen Wasserzerlegung und wassersynthetisierenden Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102007042711B4
Application number: DE102007042711A
Authority: DE
Inventors: Michael Sander; Rainer Gehring
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2027-09-08
Also published as: DE102007042711A1

Abstract

Anlage zur supraleitenden magnetischen Energiespeicherung, elektrolytischen Wasserzerlegung und wassersynthetisierenden Stromerzeugung,
bestehend aus:
einem bei der Siedetemperatur des LH₂ betriebenen supraleitenden magnetischen Energiespeicher, SMES, aus mindestens einer Magnetspule in einem Kryotank;
einem Wasser-, H₂O-, Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasser-, GH₂, und Sauerstoff, GO₂;
einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels H₂O-Synthese,
wobei
der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle bezüglich der H₂-Elektrode und der O₂-Elektrode eine einzige Baugruppe bilden und wasserelektrolysierend oder wassersynthetisierend betreibbar sind,
oder
der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle zwei getrennt betreibbare Baugruppen mit jeweils einer H₂- und einer O₂-Elektrode sind,
einer elektrischen Umrichtereinheit, mit der:
der H₂O-Elektrolyseur betreibbar,
die elektrische Energie von der Brennstoffzelle einspeisbar
und
über die der SMES auf- oder abmagnetisierbar ist;
einem H₂-Verflüssiger, in dem vom H₂O-Elektrolyseur eingeleiteter GH₂ zu Flüssigwasserstoff, LH₂; verflüssigbar ist,
einer GH₂-Verrohrung von der H₂-Elektrode des Elektrolyseurs...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur supraleitenden magnetischen Energiespeicherung, elektrolytischen Wasserzerlegung und wassersynthetisierenden Stromerzeugung.
Als Anlagen und hier als Baugruppen sind Einrichtungen zur elektrolytischen Wasserzerlegung mit Speichern/Tanks für die gasförmigen oder anschließend verflüssigten Zerlegungsprodukte Wasserstoff, H₂, und Sauerstoff, O₂, bekannt. Ein solcher Elektrolyseur wird mit Gleichstrom und damit über eine Batterie oder eine Stromrichtereinrichtung betrieben. Die Gaskomponenten H₂ und O₂ werden getrennt in je einen Gastank oder über je einen Verflüssiger in je einem Behälter gespeichert und daraus nach Bedarf entnommen. Beide Gaskomponenten sind in einer Brennstoffzelle zu Wasser synthetisierbar, aus der bei diesem Synthesevorgang elektrische Energie entnommen werden kann, die direkt verbraucht oder über eine oder die obige Stromrichtereinrichtung in ein Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Die US 7 233 079 B1 offenbart ein System zur Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien, dass eine regenerierbare Brennstoffzelle/Elektrolysezelle umfasst, die zum einen Wasser in H₂ und O₂ zerlegt und zum anderen Wasser aus H₂ und O₂ unter Erzeugung elektrischer Energie synthetisiert. Die Zerlegungsprodukte werden jedoch nicht verflüssigt.
Der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle können zwei voneinander unabhängige Baugruppen sein, in denen beim Elektrolyseur die H₂O-Elektrolyse und bei der Brennstoffzelle die H₂-Oxidation jeweils für sich ablaufen kann. Elektrolyseur und Brennstoffzelle können aber auch eine bauliche Einheit sein, d. h. die beiden Elektroden werden je nach Betriebsfall zur H₂O-Elektrolyse oder H₂O-Synthese verwendet. Aus schulischer Sicht ist das beispielsweise aus Physik-Praktikum „Die Brennstoffzelle”, 13 Seiten, von M. Weiss zu entnehmen. Ein FuE-Vorhaben des FZ-Jülich an der PHOEBUS-Anlage wird: <http://www.elab-juelich.de/Kern/Kernforschungsprojekte/projekt1/JUELICH.PDF> vorgestellt. Ein Brennstoffzellensteller und ein Elektrolysesteller sind zu einem bidirektionalen Steller zusammengefasst, um das Einsparpotential desselben zu ergründen. Ein gewerblich nutzbarer Vorschlag dazu ist aus der EP 0 472 922 B1 zu entnehmen. Zusammenwirkend werden der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle mit H₂- und O₂-Zwischenspeicherung als Energiespeicher eingesetzt. Eine solche technische Einrichtung ist hinsichtlich der Verfügbarkeit an Energie trägheitsbehaftet.
Eine Energiespeicherung nur über Wasserstoff, d. h. der Einsatz von Elektrolyse und Brennstoffzelle auch für kurzzeitige Wechsel – bis unter eine Sekunde –, ist wegen der Trägheit der Gaszu- und -abführung nicht ohne weiteres möglich. Vor allem sind die mit dem Ladezyklus verbundenen Verluste des rein elektrochemischen Systems unwirtschaftlich hoch.
Die Reaktionszeit des SMES, bei dem elektrische Energie direkt im Magnetfeld gespeichert wird (sieh Presseinformation des Forschungszentrum Karlsruhe: „Europas erster Supraleitender Magnetischre Energiespeicher im Demonstrationsbetrieb” von Peter Sperling 19. Aug. 1997), ist wesentlich kürzer (siehe hierzu DE 44 40 013 C1 insbesondere Beschreibung und 2 darin). Zudem sind die Verluste des Lade-Entlade-Zyklus beim SMES erheblich niedriger. Eine Energiespeicherung nur über den Hochtemperatur-SMES ist jedoch auch nicht sehr zweckmäßig (siehe auch: „Design of a 150 kJ High-Tc SMES (HSMES) for a 20 kVA Uninterruptible Power Supply System” von Heinrich Salbert et al. in IEEE Transactions on applied superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003). Der auf das Volumen bezogene Energieinhalt des magnetischen Feldes liegt etwa um den Faktor 200 niedriger als der Brennwert des LH₂. Für Energien, die Windflauten über Stunden oder gar Tage ausgleichen sollen, wären um diesen Faktor größere Volumina erforderlich. Die mit der reinen Speicherphase verbundenen Verluste beim SMES liegen wegen der zusätzlich erforderlichen Stromzuführungen zwischen Raumtemperatur und der Temperatur des LH₂ über denen des reinen LH₂.
Die Ausweitung des Anteils von regenerativen Energiequellen an der elektrischen Energieversorgung erfordert zusätzliche Maßnahmen zum Ausgleich von Einspeiseschwankungen. Daraus entstand die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich eine Anlage zur zwischenzeitlichen Speicherung von elektrischer Energie bei wirtschaftlich akzeptablen Wirkungsgraden und Kosten bereitzustellen.
Eine solche Anlage besteht aus den folgenden Baugruppen:

– Einem bei der druckabhängigen Siedetemperatur des LH₂ betriebenen supraleitenden magnetischen Energiespeicher, SMES, aus mindestens einer Magnetspule in einem Kryotank. Der SMES ist bei Kühlung mit flüssigem Wasserstoff ein SMES, HTSMES, wobei als supraleitende Materialien BiSrCaCuO-Verbindungen, Bi-2223, die neue Supraleitergeneration 123-HTS (S₁Ba₂Cu₃O_7-x, wobei S für Y oder eine Seltene Erde steht) in der Fachsprache coated conductors genannt oder MgB₂ in Frage kommen. Mit diesen Materialien sind bei Temperaturen des LH₂ für die Energiespeicherung hinreichend hohe Magnetfelder zuverlässig erzeugbar.
– Einem Wasser-, H₂O-, Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff, GH₂, und gasförmigem Sauerstoff, GO₂.
– Einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels H₂O-Synthese, wobei einerseits der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle bezüglich der H₂-Elektrode und der O₂-Elektrode eine einzige Baugruppe bilden und wasserelektrolysierend oder wassersynthetisierend betreibbar ist, oder der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle zwei getrennt betreibbare Baugruppen mit jeweils einer H₂- und einer O₂-Elektrode sind.
– Einer elektrischen Umrichtereinheit, mit der der H₂O-Elektrolyseur betreibbar, die elektrische Energie von der Brennstoffzelle einspeisbar und über die der SMES auf- oder abmagnetisierbar ist. Die Umrichter- oder Stromrichtereinheit ist die Schnittstelle zwischen einem 50- oder 60 Hz-Versorgungsnetz und der magnetischen Speichereinrichtung des SMES und des Gasspeichers in Form von Wasserstoff- und Sauerstofftank.
– Einem H₂-Verflüssiger, in dem vom H₂O-Elektrolyseur eingeleiteter GH₂ zu Flüssigwasserstoff, LH₂; verflüssigbar ist.
– Einer GH₂-Verrohrung von der H₂-Elektrode des Elektrolyseurs zum H₂-Verflüssiger mit GH₂-Entnahme und einer GO₂-Rohrleitung von der O₂-Elektrode zur O₂-Elektrode der Brennstoffzelle mit GO₂-Entnahme.
– Einer LH₂-Verrohrung von dem H₂-Verflüssiger für den LH₂-Zulauf zu einem in dem Kryotank sitzenden, den SMES umgebenden, mindestens einkammerigen LH₂-Tank und dem LH₂-Rücklauf von dort zum H₂-Verflüssiger, wobei der LH₂-Zulauf in die erste, den SMES unmittelbar umgebende LH₂-Kammer mündet, von der aus beim einkammerigen LH₂-Tank eine Ablassleitung aus dem Kryotank herausgeführt ist oder beim mehrkammerigen LH₂-Tank eine Überlaufleitung in die folgend umgebende LH₂-Kammer verlegt ist, wobei aus der letzten LH₂-Kammer die LH₂-Ablassleitung aus dem Kryotank herausführt.

In den vom Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen sind technische Erweiterungen und Verfeinerungen beschrieben, die das Betreiben der Anlage vorteilhaft unterstützen.
Nicht nur der H₂ sondern auch der bei der Elektrolyse entstehende O₂ wird zumindest teilweise verflüssigt und gespeichert. Durch die Verwendung von reinem O₂ wird die Vergiftung der Brennstoffzelle durch das Kohlendioxid der Luft, CO₂, vermieden. Dabei kann er als Vorkühlstufe für die H₂-Verflüssigung und weiter als Kälteschild für den LH₂-Tank statt des üblicherweise verwendeten Flüssigstickstoffschildes, LN₂, dienen.
So ist nach Anspruch 2 in den GO₂-Zulauf vom Elektrolyseur zur O₂ verbrauchenden Elektrode der Brennstoffzelle ein O₂-Verflüssiger eingebaut, von dem eine LO₂-Verrohrung zu einem mindestens einkammerigen LO₂-Tank gelegt ist. Wobei dieser LO₂-Tank den LH₂-Tank umgibt und die LO₂-Verrohrung wie bei der LH₂-Verrohrung gelegt ist. Zudem durchzieht nach Anspruch 3 eine vom O₂-Verflüssiger herausführende, LO₂-durchströmbare Leitungsschlange den H₂-Verflüssiger.
In der arbeitenden Brennstoffzelle entsteht H₂O, das gespeichert werden kann, um es erneut der Elektrolyse zuzuführen. Bei einem momentanen Überangebot an Wasser ist es sinnvoll, einen Wassertank als zusätzlichen Anlagenbestandteil einzubauen. Nach Anspruch 4 ist für die Wasserentnahme als auch Wasseraufnahme zwischen dem Wassernetz und der Brennstoffzelle ein als Puffer wirkender, an ein H₂O-Netz anschließbaren H₂O-Tank eine H₂O-Versorgungsleitung zum Elektrolyseur und von der Brennstoffzelle eine H₂O-Ablassleitung zum H₂O-Tank verlegt.
Der HT-SMES besteht aus mindestens einer Magnetspule (Anspruch 5). Als zweckmäßige bauliche Anordnung kommen in Frage: bei mehr als einer Magnetspule liegen gleichartigen Magnetspulen mit ihrer jeweiligen Magnetfeldachse auf einer Achse perlenartig aufgereiht (Anspruch 6) oder nach Anspruch 7 liegen die Mittenebenen der gleichartigen Magnetspulen in einer Ebene gleichverteilt auf einem Kreis in der gemeinsamen Ebene. In beiden Anordnungsfällen der Magnetspulen liegen diese zur Erzeugung des jeweils gleichen Magnetfelds elektrisch in Reihe miteinander und sind normalleitend oder supraleitend miteinander verbunden.
Eine nach Anspruch 7 erweiterte Anordnung hat im Zentrum noch zusätzlich eine weitere Magnetspule sitzen, Anspruch 8, deren Bedeutung für die unten beschrieben magnetokalorische Ausnutzung hervorgeht.
Die Magnete können für den HT-SMES in streuarmer Version als mindestens einfach unterbrochener Toroid ausgeführt sein. Das Magnetfeld ist bei dieser Geometrie und der speziellen Wickeltechnik weitgehend parallel zur Ebene des Hochtemperatursupraleiters, HTSL, ausgerichtet. Dadurch bleiben die Wechselstromverluste, insbesondere die Hystereseverluste, im Leiter reduziert. Durch die Verwendung von Solenoiden lässt sich aber auch der HTSL-Bedarf und lassen sich damit die Kosten senken. Bei langsamen Magnetfeldänderungen, wie sie bei Großanlagen zu erwarten sind, lassen sich die Wechselstromverluste bei diesen Geometrien auf ein akzeptables Niveau begrenzen.
Der H₂-Verflüssiger hat eine im Magnetfeld des SMES betriebene magnetokalorische Kühlstufe (Anspruch 9). Diese besteht aus einem mit GH₂ durchströmbaren Wärmetauscher, der aus einem magnetischen Material besteht oder aus mehreren magnetischen Materialien besteht, deren jeweilige Curie-Temperatur vom kalten Ende zum warmen Ende des Wärmetauschers hin zunimmt. Die jeweilige Curie-Temperatur der verwendeten magnetischen Materialien muss hierzu zwischen der Siedetemperatur des LO₂ und des LH₂ liegen. Auf einem scheibenförmigen Rotor ist der Wärmetauscher montiert, so dass die magnetischen Materialien auf einer Kreisbahn von einem schwachen in einen starken Magnetfeldbereich des SMES oder umgekehrt drehbar sind. Die magnetischen Materialien durchlaufen so einen magnetokalorischen Kreisprozess um ihre jeweilige Curie-Temperatur. Eine spezielle technische Ausführungsform hierzu ist in Anspruch 10 beschrieben. Für den elektrischen Antrieb der magnetokalorischen Kühlstufe ist ein scheibenförmiger Gleichstrommotor eingesetzt. Der Rotor besteht aus einem oder mehreren radial angeordneten Leitersegmenten, von denen in jedes über einen radial außen angeordneten ersten Schleifkontakt Strom aus einer Stromquelle eingespeist und über einen radial innen angeordneten zweiten Schleifkontakt abgeführt werden kann. Der Stator besteht aus einer gleichen Anzahl von radial angeordneten Leitersegmenten, von denen in jedes über den radial innen angeordneten zweiten Schleifkontakt Strom aus dem Rotor eingespeist und an die Stromquelle zurückführbar ist. Hierzu durchsetzt das vom supraleitenden Magneten des SMES erzeugte Magnetfeld die Ebene des scheibenförmigen Rotors und des scheibenförmigen Stators weitgehend senkrecht. Dadurch wird der bestromte Rotor angetrieben.
Vorteilhafterweise steht der Elektrolyseur in der Anlage nahe des SMES's, so dass das im SMES erzeugte Magnetfeld B die beiden Elektrolyseelektroden durchsetzt. Hierdurch besteht in Wechselwirkung mit dem Transportstrom I_e im Elektrolyseur eine Kraft pro Weglänge F_e ~ I_e × B im Elektolyten, die im Elektrolyten Mikroströmungen treibt, die den Abtransport von GH₂ und GO₂ unterstützen (Anspruch 11).
Das zugängliche Magnetfeld des SMES verschafft noch einen weiteren Betriebsvorteil, wenn in der Anlage die Brennstoffzelle nahe des SMES's steht, damit das im SMES erzeugte Magnetfeld B die beiden Syntheseelektroden durchsetzt. Hierdurch kommt in Wechselwirkung mit dem Transportstrom I_b in der Brennstoffzelle eine Kraft pro Weglänge F_b ~ I_b × B im Elektrolyten zustande, die im Elektrolyten Mikroströmungen treibt, die den Transport von GH₂ und GO₂ unterstützen (Anspruch 12). Der Elektrolyt für den Elektrolyseur und für die Brennstoffzelle ist nach Anspruch 13 eine wässrige Alkali-Lösung, beispielsweise Kaliumhydroxid, KOH.
Durch Kombination beider Energiespeichersysteme, magnetische Energie sowie H₂-(und O₂-)Speicher/-Tank, kann ein kurzzeitiger, sprunghafter Bedarf, beim SMES Sekunden bis Minuten, als auch ein langzeitiger Bedarf, beim H₂-(und O₂-)Tank Stunden bis Tage, ermöglicht werden. Des Weiteren sind Zerlegungsprodukte, H₂O, H₂, O₂, der Anlage jederzeit entnehmbar.
Durch Kombination von LH₂ und dem HT-SMES ist der LH₂ nicht nur als Energieträger sondern auch gleichzeitig zur Kühlung des SMES einsetzbar. Kosten werden dadurch ebenfalls eingespart. Diese Kombination ermöglicht weiter die doppelte Ausnutzung des gleichen Speichervolumens – für den LH₂ und zugleich für den SMES. Für stationäre Anwendungen mit großem Speicherplatzbedarf werden so ganz erheblich Kosten eingespart.
Um zumindest einen Teil der elektrisch aufzuwendenden Verflüssigigungsenergie zurück zu gewinnen, wird der LH₂ und/oder der LO₂ im Gegenstrom zum Verflüssigungsprozess durch einen Regenerator geleitet, der als Kältespeicher fungiert und so beim nächsten Verflüssigungsprozess diese Kälte zumindest teilweise wieder bereitstellt.
Der Anlage können je nach Bedarf die Zerlegungsprodukte der H₂O-Elektrolyse entnommen werden. H₂ in flüssiger oder gasförmiger Form findet als regenerativ erzeugter und somit das Klima schonender Kraftstoff für mobile Anwendungen Verwendung.
Dadurch, dass ein Großteil der kühltechnischen Infrastruktur sowohl zur Speicherung des LH₂ als auch für den HT-SMES gemeinsam genutzt werden kann, reduzieren sich die Kosten für die SMES-Kühlung.
Die Kombination lässt die doppelte Ausnutzung des gleichen Speichervolumens – für LH₂ und das SMES-Magnetfeld – zu, ein kostenspürbarer Vorteil bei stationären Anwendungen mit großem Speicherplatzbedarf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Zusammenhang mit den physikalischen Phänomenen der Magnetokalorik und der Ladungsträgerdrift im Magnetfeld wird die Anlagenstruktur erläutert. Es zeigt:
1 das Blockschaltbild der Anlage zur elektrolytischen Wasserzerlegung und Energiespeicherung;
2 die erweiterte Anlage zur elektrolytischen Wasserzerlegung und Energiespeicherung;
3 die Anlage zur elektrolytischen Wasserzerlegung und Energiespeicherung mit Elektolyseur und Brennstoffzelle aus einem Block;
4 die Erläuterung zu den Transportströmen I_e und I_b;
5 die Elektrodenfläche im Streumagnetfeld des SMES;
6 den magnetokalorischen Kreisprozess;
7 die Anordnung des durchströmbaren, magnetischen Materials für den magnetokalorischen Kreisprozess;
8 die schematisch räumliche Anordnung für den magnetokalorischen Kreisprozess;
9 die Kühlmittelströmung durch die magnetokalorische Einrichtung;
10 den Scheibenrotor im Magnetfeld als magnetokalorische Maschine;
11 die magnetokalorische Maschine durch das von vier gleichartigen Magnetspulen erzeugte Magnetfeld drehend.
1 stellt die gemäß Anspruch 1 beanspruchte Anlage zur supraleitenden magnetischen Energiespeicherung, elektrolytischen Wasserzerlegung und wassersynthetisierenden Stromerzeugung in Blöcken und im Zusammenwirken der Blöcke dar. Den Kern der Anlage bilden die Blöcke: der SMES, der Elektrolyseur, die Brennstoffzelle, der H₂-Verflüssiger und die Umrichtereinheit. Der SMES ist zunächst nicht weiter spezifiziert und ist ein mit einer druckabhängigen Siedetemperatur des LH₂ (Siedetemperatur unter Normalbedingungen: –252,77°C) gekühlter supraleitender magnetischer Energiespeicher aus einer Magnetspule oder mehreren. Die Magnetspulen sind wegen des LH₂ aus Hochtemperatursupraleitern, HTSL, gewickelt. Als supraleitende Materialien kommen BiSrCaCuO-Verbindungen, Bi-2223, die neue Supraleitergeneration 123-HTS, S₁Ba₂Cu₃O_7-x, wobei S für Y oder eine Seltene Erde steht, oder MgB₂ in Frage. Zur Kühlung der Magnetspulen in den supraleitenden Bereich sind die Magnetspulen zugänglich in einem LH₂-Tank versenkt, bzw. davon umgeben. Gekoppelt ist der SMES elektrisch an den leistungselektronischen Umrichter mit elektronischer Steuer- und Regeleinrichtung zur magnetischen Beladung, der Energiespeicherung, über die Magnetspulenbestromung oder zur magnetischen Entladung durch Stromentnahme aus den Magnetspulen. Der Umrichter selbst ist nach außen mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz zur elektrischen Energieentnahme oder Einspeisung verbunden.
Der die Magnetspulen des SMES umgebende/umhüllende LH₂-Tank besteht entweder aus einem einkammerigen Tank oder aus einem mehrkammerigen Tank bezüglich der zu umfassenden Magnetspulen in zwiebelschalenartigen Bauweise, um zur Umgebung hin eine ansteigende Temperaturstufung des LH₂ zuzulassen. Die Kammern sind sukzessive durch je eine Überlaufleitung miteinander verbunden, wobei die äußere Kammer einen verschließbaren Ablass zur Entnahme oder Rückleitung zum LH₂-Verflüssiger hat, letzteres ist nicht gesondert eingezeichnet und lediglich durch den gestrichelten Hin- und Rückpfeil zwischen LH₂-Tank und H₂-Verflüssiger angedeutet. Beim einkammerigen LH₂-Tank entfallen die Überlaufleitungen zwischen den LH₂-Kammern. Der mehrkammerige LH₂-Tank ist in 1 nicht gesondert angedeutet.
Der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle sind ebenfalls elektrisch mit dem Umrichter gekoppelt. Der Elektrolyseur wird zur H₂O-Aufspaltung vom Umrichter betrieben, die Brennstoffzelle speist die durch die H₂O-Synthese aus O₂ und H₂ gewonnene elektrische Energie in diesen ein. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem SMES, dem Umrichter, dem Elektrolyseur und der Brennstoffzelle sind durch entsprechende mono- bzw. bidirektionale, durchgezogene dicke Pfeile in den 1 bis 3 angedeutet. (Der elektrische Betrieb des H₂- und O₂-Verflüssigers ist hier nicht angedeutet.)
In den 1 und 2 sind der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle als zwei Blöcke dargestellt, in 3 als einer. Der eingangs zitierte Stand der Technik, EP 0 472 922 A2 beschreibt die bifunktionelle Funktion.
Der Elektrolyseur hat als Ausgangsstoff H₂O und bezieht das durch eine Zuleitung aus der Wasserversorgung, zweckmäßigerweise unter Zwischenschaltung eines H₂O-Tanks als Speicher oder als Puffer je nach Anlagengröße bzw. Anlagenbetrieb. An den beiden Elektroden des Elektrolyseurs tritt an der einen der Wasserstoff an der andern der Sauerstoff in jeweiliger Gasform H₂ und O₂ auf, von wo er aufgefangen und über Leitungen weitergeleitet wird. Damit stehen die O₂- und vor allem die H₂-Quelle zur Verfügung. Für die Anlage ist zunächst der H₂ als primäres Kühlmittel für den SMES von vordergründiger Bedeutung. Deshalb führt eine direkte Gasleitung von der H₂-produzierenden Elektrode des Elektrolyseurs zu dem H₂-Verfüssiger (gestrichelter Pfeil), in dem über bekannte industrielle Verflüssigungstechnik LH₂ hergestellt wird. Überflüssiger H₂ wird über denn GH₂-Ablass aus dem Elektrolyseur abgelassen und aufgefangen (Pfeil in die Umgebung). Die gestrichelte Pfeilverbindung vom H₂-Verflüssiger zum LH₂-Tank deutet die Hin und Rückflussmöglichkeit für den LH₂ an. Zur Versorgung der Brennstoffzelle besteht eine Verbindung von dem H₂-Verflüssiger zu der H₂-Elektrode. In dem Anlagenaufbau nach 1 führt von der O₂-Elektrode des Elektrolyseurs direkt eine Gasleitung zu der O₂-Elektrode der Brennstoffzelle, bzw. in der baulichen Einheit sind die O₂-Elektrode des Elektrolyseurs und die der Brennstoffzelle die O₂-Elektrode. Für die H₂-Elektroden ebenso. Der Elektrolyseur hat als Prozessstoffzufuhr die H₂O-Zuleitung angedeutet, die Brennstoffzelle als Prozessabfallstoffablass die H₂O-Anlassleitung in die Umgebung.
2 zeigt die Anlage technisch erweitert. Der SMES hat zusätzlich den LO₂-Tank, der den LH₂-Tank unter Aufrechterhaltung der Zugänglichkeit zu dem LH₂-Tank und insbesondere dem SMES umfasst. Dieser LO₂-Tank kann einkammerig oder mehrkammerig, wie zu LH₂-Tank beschrieben, aufgebaut sein. Damit aber ist der O₂-Verflüssiger notwendiger Anlagenbestandteil, der wie die H₂-Verrohrung gas- und flüssigkeitsleitungsmäßig verrohrt ist. Die Siedetemperatur des O₂ ist ebenfalls druckabhängig, sie beträgt unter Normalbedingungen –182,96°C und liegt damit erheblich über der des H₂, –252,77°C bei Normalbedingungen. Somit ist die bauliche Umhüllung/Umfassung zwingend begründet.
Weiter ist die Anlage technisch um den H₂O-Tank als Puffer erweitert, die im Brennstoffzellenbetrieb elektrische Energie in den Umrichter einspeist und Wasser produziert, das in dem H₂O-Tank zur Weiterverwendung, prozessual oder anderswie, aufgefangen wird. Im Elektrolyseurbetrieb wird aus dem versorgenden H₂O-Netz indirekt über den H₂O-Tank H₂O zur Aufspaltung entnommen. Aus dem H₂O-Tank wird somit nur Leckwasser und Wasser beim Elektrolyseurbetrieb entnommen. Der gleichzeitige Betrieb der Brennstoffzelle und des Elektrolyseurs wäre einrichtbar, für getrennte Baugruppen und eine Baugruppe, üblich ist aber der komplementäre Betrieb dieser beiden Baugruppen.
3 unterscheidet sich von 2 durch den Elektrolyseur und die Brennstoffzelle als eine Baugruppe und nicht zwei verschiedene, wie in den 1 und 2 dargestellt.
Im Sinne der Wirkungsgradsteigerung können der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle den Prozess unterstützend dadurch betrieben werden, als die Elektrodenflächen der H₂- und der O₂-Elektrode derartig in einem Streu- oder zugänglichen Magnetfeldbereich des SMES liegen, dass die dortigen Feldlinien des Magnetfelds B die beiden Elektrodenplatten nicht schneiden, allenfalls unter spitzem Winkel für eine noch wirksame Kraftwirkung. Dadurch kommt auf den Transportstrom I zwischen den beiden Elektroden eine magnetohydrodynamische Kraft zustande, bzw. wirkt eine solche auf ihn, die proportional zum Betrag des Vektorprodukts I × B ist.
(Bei I × B sei hier an das vektorielle Kreuzprodukt F = ev × B erinnert, mit e als elektrischer Elementarladung, v als vektorielle Ladungsträgergeschwindigkeit und B als dem Ortsvektor des vorhandenen vektoriellen Magnetfelds.)
In 4 ist das links im Bild für den Transportstrom I_e im Elektrolyseur dargestellt, im Bild links für den Transportstrom I_b in der Brennstoffzelle. Durch diese jeweils magnetohydrodynamischen Kräfte bzw. Kraftvektoren F_e bzw. F_b werden bei Respektierung der Richtungen prozessunterstützend Mikroströmungen an den Elektrodenflächen angefacht und aufrechterhalten. Die wirksame Positionierung/Ausrichtung der Elektrodenplatten orientiert sich an der Richtung des Kreuzprodukts.
In 5 ist diese vorteilhafte Ausnutzung des zugänglichen SMES-Magnetfeldes beispielhaft für zwei gleichartige, nebeneinander stehende Solenoiden dargestellt, deren Mittenebenen auf einer gemeinsamen Ebene liegen und deren Magnetfeldachsen antiparallel zueinander stehen. So können die beiden Elektrodenplatten des Elektrolyseurs und/oder der Brennstoffzelle in einem starken zugänglichen Magnetfeldbereich zwischen den beiden unmittelbar benachbarten Solenoiden und oberhalb derselben positioniert werden, damit sich die magnetohydrodynamische Kraftwirkung maximal ausbildet. In 5 ist diese Situation in zwei Ansichten beispielhaft dargestellt: links im Bild die Magnetfeldskizzierung zwischen den beiden beteiligten Solenoiden 1 und 2, und zwar in einer Ebene, in der die beiden Magnetfeldachsen liegen. Die beiden Elektrodenplatten, angedeutet durch die Elektrodenfläche A, liegen zu dieser Ebene spiegelbildlich zueinander. Der Transportstrom I_e fließt im Betrieb zwischen den beiden Platten, der Anode und der Kathode und geht im Bild senkrecht in die Bildebene hinein. Das krafterzeugende Magnetfeld ist das Feld zwischen der Elektrode und Anode, und die magnetohydrodynamische Kraftwirkung F_e ist im Bild senkrecht nach oben gerichtet. Die Darstellung rechts zeigt diese Zwei-Solenoid-Anordnung in Seitenansicht um 90° gedreht. Die Anordnung der beiden Solenoide wurde gewählt, weil damit der magnetische Fluss sehr stark lokalisiert/kanalisiert werden kann und damit weiträumige, stärkere magnetische Streufelder vermieden werden. Das Magnetfeld zwischen zwei unmittelbar benachbarten, gleichartigen Magnetspulen, die zueinander parallele jedoch einander entgegen gesetzte Magnetfeldachsen haben, ist damit gewissermaßen ausgezeichnet kanalisiert und räumlich begrenzt.
Der magnetokalorische Kreisprozess ist in 6 zur Erläuterung dargestellt, und zwar das Entropie-Temperatur-Diagramm für diesen Prozess. Diese Kühlung ist eine auf dem magnetokalorischen Effekt basierende Kühlung, der beispielsweise in http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration nachzulesen ist. Diese Technik kann zur Erreichung extrem tiefer Temperaturen gut unter 1 K herangezogen werden als auch in Bereichen, die für gewöhnliche Kühlanlagen, die auf dieser Technologie beruhen, in Frage kommt.
Der magnetokalorische Kreisprozess ist hier durch den Verlauf der Entropie S über der Temperatur T dargestellt, und zwar hier nur qualitativ für ein magnetisches Material. Es handelt sich hier um einen Brayton-ähnlichen Prozess um die Curie-Temperatur T_cM. Das bedeutet beim Hineinfahren des magnetischen Materials in ein Gebiet starken Magnetfelds B eine Temperaturerhöhung von T_cM auf T_cM + ΔT_w, I. Schritt. Das Material wird darin durch den Wärmekontakt mit dem GH₂-Strom auf die Temperatur T_cM abgekühlt, II. Schritt. Beim Herausfahren des Materials aus dem Magnetfeld B, bzw. in das Gebiet schwachen oder nicht vorhandenen Magnetfelds B ≈ 0 senkt sich die Temperatur von T_cM auf T_cM – ΔT_k ab, III. Schritt. Im weiteren Verlauf im schwachen oder nicht vorhandenen Magnetfeld B ≈ 0 erfolgt eine Erwärmung auf die Temperatur T_cM durch den Wärmekontakt mit einem GH₂-Strom, IV. Schritt, der dadurch abgekühlt wird. Die vier durchgezogenen Pfeile zeigen den Kreisprozess für das magnetische Material, die beiden gestrichelten Pfeile den Wärmeaustausch des GH₂ mit dem magnetischen Material.
7 zeigt die schematische Struktur in die Ebene abgewickelt der in Anspruch 7 beschriebenen magnetokalorischen Kühlstufe mit der Anordnung der magnetischen Materialien. Es ist der im Gegenstrom ausgelegte Wärmekontakt des GH₂-Stroms mit dem magnetischen Material. Der dicke durchgezogene Pfeil mittig in dem Band aneinander gereihten magnetischen Materials zeigt die Gegenbewegung zwischen Kühlmittelstrom GH₂ durch GH₂-Zufuhr und GH₂-Austritt sowie starkem und schwachem Magnetfeldbereich an.
8 zeigt in weiterer Anlehnung an Anspruch 9 eine räumlich beispielhafte mögliche Situation einer Kreisscheibe, einen Scheibenrotor mit, Curie-Temperatur berücksichtigend, auf einem Kreisring, grauer Ring, montiertem magnetischen Material, die, der sich durch den dicken schwarzen ringförmigen Pfeil vom äußern schwachen Magnetfeld B in das zentrale starke Magnetfeld des SMES hinein bewegt und die auf der Scheibe, dem Scheibenrotor aufgereihten magnetischen Materialien entgegen der Scheiben-/Rotorbewegung vom GH₂ durchströmt werden. Der GH₂ tritt mit der Temperatur T_cM in den magnetokalorischen Kühler, den Wärmetauscher auf der Scheibe, dem Rotor ein und tritt mit der erhöhten Temperatur T_cM + ΔT_w im Magnetfeldbereich wieder aus. Im äußeren, schwachen oder nicht vorhandenen, bzw. nahezu nicht vorhandenen Magnetfeld findet die Abkühlung des GH₂-Gegenstromes durch die mechanische Arbeit der Rotation von der Temperatur T_cM auf T_cM – ΔT_w statt, durch das indizierte „w” ausgedrückt. Durch das Durchdrehen durch ein Gebiet möglichst großen Unterschieds ΔB des magnetischen Feldes B wird dieses Kühlprinzip wirkungsvoller. Damit ist die in den Ansprüchen 7 und 8 beschriebene Positionierung unmittelbar benachbarter Magnetspulen mit zueinander antiparaller Magnetachse begründet. Die Flussführung ist dabei wohl kanalisiert, damit ein Gebiet geschaffen wird, wie in 5 skizziert, mit sehr starkem und sehr schwachem Magnetfeldbereich und damit starkem Gradienten dort.
9 zeigt den magnetokalorischen Kühler/Wärmetauscher als Seitenansicht von 8 und hat, wie gemäß Anspruch 9 zulässig, drei übereinander angeordnete Kühlstufen nach 8. Die Curie-Temperaturen der drei magnetischen Materialien nehmen hier beispielsweise von unten nach oben zu. Das links angedeutete Gebiet, mit Magnetfeld B bezeichnet, ist ein SMES-naher, SMES-zugänglicher Bereich, durch den der gesamte Kühler Wärmetauscher dreht, bzw. sich mit einem Kreissegment stets befindet. Der Kühler dreht, wie angedeutet um die Strichpunktierte Drehachse, mit der durch den dicken Ringpfeil angedeuteten Drehrichtung beispielsweise. Der rechts oben eingespeiste GH₂-Strom wird durch den Kühler nach unten sukzessive von T_w auf T_k – ΔT_k abgekühlt und dann nach dem Austritt rechts unten zur Kühlung des nicht eingezeichneten Kältereservoirs weitergeleitet und verwendet. Links unten wird der GH₂-Strom mit der Temperatur T_k wieder zurückgespeist und durch den Kühler nach oben sukzessive auf die Temperatur T_w + ΔT_w erwärmt. Er wird dann durch den Wärmetausch mit einer Wärmesenke wieder auf T_w abgekühlt, bevor der Kreislauf erneut durchlaufen wird.
Die in Anspruch 10 beschriebene elektrotechnische bzw. maschinenelektrische Situation ist in 10 in ihrer Struktur skizziert. Oben im Bild ist die Seitenansicht, die axiale Ansicht dargestellt, drunter die Draufsicht auf die magnetokalorischen Kühler/Wärmetauscher. Im Bild links nach außen existiert ein Kreissegment, das sich im Bereich starken Magnetfelds B befindet, also in SMES-Nähe, bzw. in einem SMES-zugänglichen Bereich. Die Struktur des Gleichstrommotors ist hier der Übersicht halber nicht mehr in mehrere radiale Leitersegmente, wie in Anspruch 10 beschrieben, aufgeteilt, das wird allenfalls durch die radial nach innen verlaufenden Pfeile/elektrische Strompfade angedeutet. Links im Bild am Umfang tritt Gleichstrom über einen Schleifkontakt in das gerade vorhandene Umfangsegment ein, geht radial nach innen und tritt axial über den dortigen Schleifkontakt aus. In 10 ist im Wesentlichen nur der elektrotechnische Aufbau eines rotierbaren magnetokalorischen Kühlers/Wärmetauschers skizziert.
11 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel zu den Ansprüchen 9 und 10 für den magnetokalorischen Kreisprozess, wie er in 6 als Entropieverlauf über der Temperatur dargestellt ist. Antrieb für den Kühler ist der in 10 skizzierte Gleichstrommotor. Links im Bild liegen zwei Magnetfeldzonen B1 und rotorzentral B2 vor. Das ist durch einen SMES mit zwei Magnetspulen realisierbar. Die Drehachse des Rotorkühlers fällt mit der Magnetfeldachse des Magnetfelds B2 zusammen. Das Magnetfeld B2 ist das für den Gleichstrommotor nötige Magnetfeld. Die Scheibe des Rotors mit dem draufgebauten magnetokalorischen Kühler/Wärmetauscher aus durchströmbarem, magnetischem Material dreht durch das für den magnetokalorischen Kreisprozess notwendige Magnetfeld B1. Der zentral durchgezogene dicke Ringpfeil deute die Drehrichtung an, die geraden, gestrichelten Pfeile den jeweiligen im Sinne der Rotation GH₂-Gegenstrom.
Die Situation rechts im Bild skizziert beispielhaft schließlich den in Anspruch 8 beschriebenen, für den magnetokalorischen Kreisprozess möglichen Aufbau für mehrere, nämlich beispielhaft 4, magnetokalorische Kreisprozesse mit einem Rotor, der über das zentrale Magnetfeld B2 aus 10 bei Beströmung getrieben wird.

Claims

Anlage zur supraleitenden magnetischen Energiespeicherung, elektrolytischen Wasserzerlegung und wassersynthetisierenden Stromerzeugung, bestehend aus: einem bei der Siedetemperatur des LH₂ betriebenen supraleitenden magnetischen Energiespeicher, SMES, aus mindestens einer Magnetspule in einem Kryotank; einem Wasser-, H₂O-, Elektrolyseur zur Erzeugung von gasförmigem Wasser-, GH₂, und Sauerstoff, GO₂; einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels H₂O-Synthese, wobei der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle bezüglich der H₂-Elektrode und der O₂-Elektrode eine einzige Baugruppe bilden und wasserelektrolysierend oder wassersynthetisierend betreibbar sind, oder der H₂O-Elektrolyseur und die Brennstoffzelle zwei getrennt betreibbare Baugruppen mit jeweils einer H₂- und einer O₂-Elektrode sind, einer elektrischen Umrichtereinheit, mit der: der H₂O-Elektrolyseur betreibbar, die elektrische Energie von der Brennstoffzelle einspeisbar und über die der SMES auf- oder abmagnetisierbar ist; einem H₂-Verflüssiger, in dem vom H₂O-Elektrolyseur eingeleiteter GH₂ zu Flüssigwasserstoff, LH₂; verflüssigbar ist, einer GH₂-Verrohrung von der H₂-Elektrode des Elektrolyseurs zum H₂-Verflüssiger mit GH₂-Entnahme und einer GO₂-Rohrleitung von der O₂-Elektrode zur O₂-Elektrode der Brennstoffzelle mit GO₂-Entnahme; einer LH₂-Verrohrung von dem H₂-Verflüssiger für den LH₂-Zulauf zu einem in dem Kryotank sitzenden, den SMES umgebenden, mindestens einkammerigen LH₂-Tank und dem LH₂-Rücklauf von dort zum H₂-Verflüssiger, wobei der LH₂-Zulauf in die erste, den SMES unmittelbar umgebende LH₂-Kammer mündet, von der aus beim einkammerigen LH₂-Tank eine Ablassleitung aus dem Kryotank herausgeführt ist oder beim mehrkammerigen LH₂-Tank eine Überlaufleitung in die folgend umgebende LH₂-Kammer verlegt ist, wobei aus der letzten LH₂-Kammer die LH₂-Ablassleitung aus dem Kryotank herausführt.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: in den GO₂-Zulauf vom Elektrolyseur zur O₂ verbrauchenden Elektrode der Brennstoffzelle ein O₂-Verflüssiger eingebaut ist, von dem eine ein LO₂-Verrohrung zu einem mindestens einkammerigen LO₂-Tank gelegt ist, wobei dieser LO₂-Tank den LH₂-Tank umgibt und die LO₂-Verrohrung wie bei der LH₂-Verrohrung gelegt ist.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom O₂-Verflüssiger herausführende, LO₂-durchströmbare Leitungsschlange den H₂-Verflüssiger durchzieht.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von einem als Puffer wirkenden, an ein H₂O-Netz anschließbaren H₂O-Tank eine H₂O-Versorgungsleitung zum Elektrolyseur und von der Brennstoffzelle eine H₂O-Ablassleitung zum H₂O-Tank verlegt ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage der SMES aus mindestens einer Magnetspule besteht.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenachsen der Magnetspulen auf einer gemeinsamen Achse liegen und die Magnetspulen, die elektrisch in Reihe miteinander normal- oder supraleitend verbunden sind, gleichartig sind.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenebenen der Magnetspulen, die elektrisch in Reihe miteinander normal oder supraleitend verbunden sind, in einer Ebene liegen, die Magnetspulen gleichartig sind und Bleichverteilt auf einem Kreis in der gemeinsamen Ebene sitzen.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere solche Magnetspule mit ihrer Mittenebene in dieser Ebene liegt und im Zentrum dieses Kreises sitzt.
Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der H₂-Verflüssiger eine im Magnetfeld des SMES betriebene magnetokalorische Kühlstufe hat, die besteht aus: einem mit GH₂ durchströmbaren Wärmetauscher, der aus einem magnetischen Material besteht oder aus mehreren magnetischen Materialien besteht, deren jeweilige Curie-Temperatur vom kalten Ende zum warmen Ende des Wärmetauschers hin zunimmt, wobei die jeweilige Curie-Temperatur der verwendeten magnetischen Materialien zwischen der Siedetemperatur des LO₂ und des LH₂ liegt, mindestens einem scheibenförmigen Rotor, auf den der Wärmetauscher montiert ist, so dass die magnetischen Materialien auf einer Kreisbahn von einem schwachen in einen starken Magnetfeldbereich des SMES oder umgekehrt drehbar sind, wodurch die magnetischen Materialien einen magnetokalorischen Kreisprozess um ihre jeweilige Curie-Temperatur durchlaufen.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den elektrischen Antrieb der magnetokalorischen Kühlstufe ein scheibenförmiger Gleichstrommotor eingesetzt wird, wobei: der Rotor aus einem oder mehreren radial angeordneten Leitersegmenten besteht, von denen in jedes über einen radial außen angeordneten ersten Schleifkontakt Strom aus einer Stromquelle eingespeist und über einen radial innen angeordneten zweiten Schleifkontakt abgeführt werden kann, der Stator aus einer gleichen Anzahl von radial angeordneten Leitersegmenten besteht, von denen in jedes über den radial innen angeordneten zweiten Schleifkontakt Strom aus dem Rotor eingespeist und an die Stromquelle zurückgeführt werden kann, das vom supraleitenden Magneten des SMES erzeugte Magnetfeld die Ebene des scheibenförmigen Rotors und des scheibenförmigen Stators weitgehend senkrecht durchsetzt und dadurch der bestromte Rotor antreibbar ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage der Elektrolyseur nahe dem SMES steht, so dass das im SMES erzeugte Magnetfeld B die beiden Elektrolyseelektroden durchsetzt, wodurch in Wechselwirkung mit dem Transportstrom I_e im Elektrolyseur eine Kraft pro Weglänge F_e ~ I_e × B im Elektolyten besteht, die im Elektrolyten Mikroströmungen treibt, die den Abtransport von GH₂ und GO₂ unterstützen.
Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage die Brennstoffzelle nahe dem SMES steht, so dass das im SMES erzeugte Magnetfeld B die beiden Syntheseelektroden durchsetzt, wodurch in Wechselwirkung mit dem Transportstrom I_b in der Brennstoffzelle eine Kraft pro Weglänge F_b ~ I_b × B im Elektrolyten besteht, die im Elektrolyten Mikroströmungen treibt, die den Transport von GH₂ und GO₂ unterstützen.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt für den Elektrolyseur und für die Brennstoffzelle eine wässrige Alkali-Lösung ist.