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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, bei dem in einem Elektrolyseur Wasser mit Hilfe elektrischer Energie gespalten und dabei gewonnener Wasserstoff in einen Speicherbehälter geleitet und bei Bedarf wieder aus diesem entnommen und als Brennstoff einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei der Erzeugung elektrischer Energie für das öffentliche Stromnetz ist stets darauf zu achten, dass sich Stromangebot und -nachfrage die Waage halten, da es andernfalls zu Spannungs- und Frequenzschwankungen oder sogar zu einem Ausfall des Netzes kommt. Grundsätzlich ist die Stromnachfrage zeitlich nicht konstant. Beispielsweise ist sie während des Tages ca. dreimal so groß wie in der Nacht, aber auch während der Woche ist sie höher als am Wochenende und im Winter ist sie höher als im Sommer. Durch das Zu- und Abschalten bzw. Herunterregeln von Kraftwerken wird versucht, die Unterschiede zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen. Dies ist jedoch einerseits uneffektiv und andererseits umso schwieriger, je schneller und überraschender sich solche Unterschiede einstellen.
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Der Einsatz erneuerbarer Energien, deren Anteil an der Stromversorgung sich in den nächsten Jahren deutlich erhöhen wird, verschärft diese Problematik. Da Sonne, Wind und Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind und ihre Verfügbarkeit darüber hinaus nur schlecht vorhersagbar ist, kommt es auch auf Seiten des Stromangebotes zu schnellen und überraschenden Schwankungen, die durch schnell regelbare sog. Spitzenlastkraftwerke ausgeglichen werden müssen. Besondere Bedeutung haben hierbei Stromspeicher, wie Pump- und Druckluftspeicherkraftwerke, die besonders schnell regelbar sind und in Minuten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch umgeschaltet werden können. Kraftwerke dieser Art können jedoch nicht in beliebiger Zahl errichtet werden, da die hierfür notwendigen geografischen bzw. geologischen Voraussetzungen nur an wenigen Orten erfüllt sind. Darüber hinaus haben Druckluftspeicherkraftwerke mit ca. 42% einen relativ geringen Wirkungsgrad.
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Als Spitzenlastkraftwerke werden auch Stromspeicher vorgeschlagen, in denen Wasser durch Elektrolyse gespalten, der dabei erzeugte Wasserstoff tiefkalt oder unter Druck zwischengespeichert und bei Bedarf zur Erzeugung von elektrischer Energie in eine Brennstoffzelle geleitet wird. Derartige Anlagen besitzen gegenüber den oben beschriebenen Stromspeichern den Vorteil, dass sie an praktisch jedem beliebigen Ort und in großer Zahl errichtet werden können. Ihr großer Nachteil ist jedoch ihre geringe Wirtschaftlichkeit, da lediglich ca. 17% der eingeleiteten elektrischen Energie wieder als solche abgegeben werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die die Wirtschaftlichkeit bei der Speicherung elektrischer Energie im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird.
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Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Prozess anfallende Abwärme einer Wasserstoffquelle zur Deckung des dort bestehenden Wärmebedarfs zugeführt wird, in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz in einer endothermen Reaktion unter Produktion von Wasserstoff umgesetzt wird.
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Der geringe energetische Wirkungsgrad eines auf der elektrolytischen Zerlegung von Wasser basierenden Stromspeichers ist in erster Linie eine Folge der Abwärmeverluste seiner Komponenten. Sowohl bei der Wasserstofferzeugung im Elektrolyseur als auch bei der Umsetzung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle fällt Wärme an, die nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein weit höherer energetischer Wirkungsgrad erreicht, als beim Stand der Technik, da ein großer Teil der im Prozess anfallenden Abwärme dazu verwendet wird, zusätzlichen Wasserstoff zu erzeugen, der, wie auch der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff, in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgesetzt wird.
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Um einen möglichst großen Teil der im Prozess anfallenden Abwärme zur Wasserstofferzeugung nutzen zu können, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der Wasserstoffquelle Abwärme über ein Wärmerohr zugeführt wird. Wärmerohre sind seit vielen Jahren Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie enthalten in einem hermetisch gekapselten Volumen ein Wärmeträgermedium, das teils als Flüssigkeit, teils in Gasform vorliegt. Über einen mit einer Wärmequelle verbundenen Verdampfer kann Energie auf das flüssige Wärmeträgermedium übertragen werden. Der hierbei entstehende Dampf (Brüden) strömt zu einem an anderer Stelle des Wärmerohres angeordneten, mit einer Wärmesenke in Verbindung stehenden Kondensator, wo er kondensiert. Bei der Kondensation wird die über den Verdampfer aufgenommene Energie zu einem großen Teil wieder abgegeben und auf die Wärmesenke übertragen. Das nunmehr wieder flüssige Wärmeträgermedium wird anschließend durch Wirkung der Schwerkraft, Kapillarkraft oder mit Hilfe einer Pumpe wieder zum Verdampfer zurückgefördert. Da sich Flüssig- und Gasphase des Wärmeträgermediums im gleichen Raum befinden, arbeitet ein Wärmerohr im Nassdampfgebiet, in dem die beiden Phasen bei gleichem Druck auch die gleiche Temperatur aufweisen. Normalerweise sind die Druckunterschiede in einem Wärmerohr sehr gering, weshalb auch die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator gering ist. Wegen des nahezu isothermen Charakters der Wärmeübertragung weist ein Wärmerohr einen inneren Wärmewiderstand auf, der kleiner ist als der von klassischen, rein metallischen Wärmeübertragern.
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Eine erfindungsgemäße Nutzung von Abwärme ist nur dann sinnvoll möglich, wenn die Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau anfällt, als es in der Wasserstoffquelle benötigt wird, und somit zwischen Abwärme- und Wasserstoffquelle ein Temperaturgefälle besteht. Je größer dieses Temperaturgefälle ist, desto größer ist der zur Wasserstofferzeugung nutzbare Anteil der Abwärme. Zwar ist es auch denkbar, Abwärme zu nutzen, deren Temperaturniveau niedriger liegt als dasjenige der Wasserstoffquelle. Hierzu ist es aber erforderlich, das Temperaturniveau der Abwärme anzuheben, was beispielsweise durch Verdichten des in einem zur Wärmeübertragung verwendeten Wärmerohr zirkulierende Wärmeträgermediums erfolgen könnte. Die dafür benötigte Energie würde jedoch den Wirkungsgrad des Verfahrens mindern.
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Bei der erfindungsgemäßen Stromspeicherung fallen die größten Abwärmemengen während des Betriebes des Elektrolyseurs sowie der Brennstoffzelle an. Um diese beiden Abwärmequellen für die Wasserstoffproduktion nutzen zu können, wird daher sinnvollerweise ein Wasserstoffproduktionsverfahren gewählt, das auf einem Temperaturniveau abläuft, das niedriger ist als das Temperaturniveau der im Elektrolyseur bzw. in der Brennstoffzelle anfallenden Abwärmemengen.
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Eine Patentanmeldung, die unter dem Aktenzeichen 102009037884.7 beim Deutschen Marken und Patentamt eingereicht wurde, und deren Offenbarungsgehalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird, beschreibt ein als hydrothermale Katalyse (HTK) bezeichnetes Verfahren zur Wasserstofferzeugung, das bei niedrigen Temperaturen durchführbar ist. Der Einsatz dieses Verfahrens erlaubt es daher, auch im Prozess auf einem niedrigen Temperaturniveau anfallende Abwärme zur Wasserstofferzeugung zu nutzen. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass als Wasserstoffquelle ein HTK-Reaktor eingesetzt wird, in dem aus einem Wasserstoff enthaltenden Einsatz Wasserstoff durch hydrothermale Katalyse produziert wird.
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Im Normalfall werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Elektrolyseur und Brennstoffzelle nicht gleichzeitig in Betrieb sein und Abwärme produzieren. Wird die Abwärme der Brennstoffzelle der Wasserstoffquelle zugeführt, so kann dort Wasserstoff auch dann produziert werden, wenn im Elektrolyseur kein Wasserstoff erzeugt wird. Am wirtschaftlichsten kann das erfindungsgemäße Verfahren betrieben werden, wenn der Wasserstoffquelle kontinuierlich Abwärme, unter Umständen aus wechselnden Abwärmequellen, zugeführt und zur Wasserstofferzeugung genutzt wird.
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Der in der Wasserstoffquelle erzeugte Wasserstoff kann nicht zu jeder Zeit in der Brennstoffzelle verwertet werden. Beispielsweise ist es nicht sinnvoll, in der Brennstoffzelle elektrische Energie zu produzieren, wenn gleichzeitig elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz bezogen wird, um mit ihrer Hilfe Wasserstoff zu erzeugen. Andererseits kann für gewöhnlich während des Betriebs der Brennstoffzelle in der Wasserstoffquelle erzeugter Wasserstoff der Brennstoffszelle direkt zugeführt werden. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen daher vor, dass in der Wasserstoffquelle erzeugter Wasserstoff in einen Wasserstoffspeicher geleitet und dort gespeichert oder direkt der Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird. Aus Platz- und/oder Kostengründen kann es sinnvoll sein, im Prozess erzeugten Wasserstoff stark zu verdichten bzw. zu verflüssigen, um ihn auf kleinem Raum speichern zu können
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Für den Fall, dass nicht der gesamte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Wasserstoff in der Brennstoffzelle umgesetzt werden kann, sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass Wasserstoff als Produkt an einen externen Verbraucher abgegeben wird.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der im Elektrolyseur anfallende Sauerstoff ebenfalls der Brennstoffzelle zugeführt und dort als Oxidationsmittel bei der Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird. Im Elektrolyseur anfallender Sauerstoff, der nicht unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, wird sinnvollerweise zur Zwischenspeicherung in einen Sauerstoffspeicher geleitet, aus dem er bei Bedarf entnommen und in die Brennstoffzelle geleitet wird. Aus Platz- und/oder Kostengründen kann es sinnvoll sein, den zwischenzuspeichernden Sauerstoff stark zu verdichten bzw. zu verflüssigen, um ihn auf kleinem Raum speichern zu können.
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Um die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Stromspeicherung zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass im Elektrolyseur nur zu Zeiten Wasserstoff produziert wird, in denen Strom aus dem öffentlichen Stromnetz zu unter dem Durchschnitt liegenden Preisen bezogen werden kann und nur zu Zeiten elektrische Energie in der Brennstoffzelle erzeugt und in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird, in denen ein überdurchschnittlicher Preis für den Strom erzielt werden kann. Besonders geeignet für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist vom Verbraucher nicht benötigte Regelenergie. Dabei ist unter Regelenergie solche Energie zu verstehen, die zur Abdeckung kurzfristiger Bedarfsspitzen in gut regelbaren Kraftwerken, sog. Regelkraftwerken, zu vergleichsweise hohen Kosten erzeugt wird.
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Einem Elektrolyseur kann elektrische Energie nur mit einer Leistung zugeführt werden, die einen Minimalwert nicht unter und einen Maximalwert nicht überschreitet. Zwischen diesen beiden Werten liegt der Arbeitspunkt, an dem der Elektrolyseur mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Sinnvollerweise wird deshalb angestrebt, dem Elektrolyseur elektrische Energie stets mit einer dem Arbeitspunkt entsprechenden Leistung zuzuführen. Regelenergie wird i. Allg. mit einer stark schwankenden Leistung angeboten, die unter Umständen höher ist als die maximale elektrische Leistung, die dem Elektrolyseur zugeführt werden kann. Um zu vermeiden, dass elektrische Energie über das unvermeidliche Maß hinaus in Wärme umgewandelt werden muss, und um die zu speichernde elektrische Energie mit möglichst geringen Verlusten in Wasserstoff umzusetzen, sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens deshalb vor, dass die zu speichernde elektrische Energie in einem Akkumulator auf elektrochemischem Weg zwischengespeichert wird, aus dem elektrische Energie entnommen und dem Elektrolyseur mit einer am oder nahe dem Arbeitspunkt liegenden Leistung zugeführt wird.
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Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede Art von Brennstoffzelle verwendet werden, die als Brennstoff Wasserstoff akzeptiert. Vorzugsweise wird eine Proto-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle eingesetzt. Derartige Brennstoffzellen sind Stand der Technik und dem Fachmann auch als PEM-Brennstoffzellen bekannt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, aufweisend einen Elektrolyseur, in dem mit Hilfe elektrischer Energie aus Wasser Wasserstoff gewonnen werden kann, einen Speicherbehälter, in dem im Elektrolyseur gewinnbarer Wasserstoff zwischengespeichert werden kann, sowie eine Brennstoffzelle, der zur Erzeugung elektrischer Energie Wasserstoff als Brennstoff zuführbar ist.
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Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Wasserstoffquelle, in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz in einer endothermen Reaktion unter Produktion von Wasserstoff umgesetzt werden kann, sowie eine Einrichtung umfasst, über die während des Betriebs der Vorrichtung anfallende Abwärme der Wasserstoffquelle zugeführt werden kann.
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Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden große oder sogar die größten Abwärmemengen im Elektrolyseur bzw. in der Brennstoffzelle anfallen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen daher vor, das der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle mit der Wasserstoffquelle thermisch gekoppelt sind, so dass ihr im Elektrolyseur und/oder in der Brennstoffzelle anfallende Abwärme zur Aufrechterhaltung der endothermen Reaktion zuführbar ist.
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Um die beim Betrieb der Vorrichtung anfallenden Abwärme mit einem möglichst hohen Prozentsatz der Wasserstoffquelle zuführen zu können wird vorgeschlagen, dass eine Abwärmequelle, insbesondere der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle, mit der Wasserstoffquelle über ein Wärmerohr thermisch gekoppelt ist.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, dass die Wasserstoffquelle mit der Brennstoffzelle derart verbunden ist, dass zumindest ein Teil des in der Wasserstoffquelle erzeugten Wasserstoffs der Brennstoffzelle direkt oder nach Zwischenspeicherung der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeleitet werden kann. Zur Zwischenspeicherung des Wasserstoffs weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wasserstoffspeicher auf, aus dem Wasserstoff bei Bedarf entnommen und in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
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Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Elektrolyseur derart mit der Brennstoffzelle verbunden ist, dass im Elektrolyseur anfallender Sauerstoff der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zuführbar ist. Zur Zwischenspeicherung von im Elektrolyseur anfallendem Sauerstoff, der nicht unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung sinnvollerweise einen Sauerstoffspeicher auf, aus dem Sauerstoff bei Bedarf entnommen und in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
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Unter Umständen kann nicht der gesamte mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Wasserstoff in elektrische Energie umgesetzt werden. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass zumindest ein Teil des erzeugten Wasserstoffs als Produkt an einen externen Verbraucher abgebbar ist.
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In einem Elektrolyseur bzw. in einer Brennstoffzelle fällt Abwärme auf einem Temperaturniveau zwischen ca. 50 und 220°C an. Die meisten Wasserstoffquellen, wie beispielsweise Dampfreformer, werden bei weit höheren Temperaturen betrieben und eignen sich daher nur schlecht zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. HTK-Reaktoren sind Wasserstoffquellen, die auf einem Temperaturniveau betrieben werden können, auf dem auch die Abwärmen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle anfallen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass es sich bei der Wasserstoffquelle um einen HTK-Reaktor handelt, in dem ein Wasserstoff enthaltender Einsatz umsetzbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Akkumulator vor, in dem zu speichernde elektrische Energie auf elektrochemischem Weg zwischenspeicherbar ist und aus dem sie wieder entnommen und zur Erzeugung von Wasserstoff an den Elektrolyseur weitergeleitet werden kann.
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Zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind alle Brennstoffzellen geeignet, in denen Wasserstoff umgesetzt werden kann. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung jedoch eine sog. Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle.
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Elektrolyseur und Brennstoffzelle können als räumlich getrennte Einrichtungen oder als bauliche und funktionale Einheit (sog. Reversible Brennstoffzelle) ausgeführt sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Einrichtung, in der überschüssige elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen und, bei Bedarf, zeitversetzt wieder in dieses eingeleitet wird.
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Über die Zuführung 1 wird überschüssige elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in Form von Wechselstrom entnommen und im Gleichrichter G in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom 2 wird dem Elektrolyseur E zugeführt, um Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Während der im Elektrolyseur E anfallende Sauerstoff über Leitung 3 in den Sauerstoffspeicher O geführt wird, wird der Wasserstoff 4 verflüssigt und in den Wasserstoffspeicher S geleitet. Im Elektrolyseur E anfallende Abwärme wird über das Wärmerohr WR1 dem HTK-Reaktor H zugeführt, wo sie dazu genutzt wird, aus einem Wasserstoff enthaltenden Einsatz 5 durch hydrothermale Katalyse Wasserstoff abzuspalten. Der im HTK-Reaktor H erzeugte Wasserstoff wird ebenfalls verflüssigt und in den Speicherbehälter S geleitet.
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Kann keine überschüssige elektrische Energie mehr über Leitung 1 aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden und besteht dort ein kurzfristig zu deckender Bedarf an elektrischer Energie, so wird über Leitung 7 Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher S entnommen und verdampft. Gemeinsam mit Sauerstoff, der über Leitung 12 aus dem Sauerstoffspeicher O und/oder über Leitung 8 von jenseits der Anlagengrenzen zugeführt wird, wird der Wasserstoff 7 gasförmig in die Brennstoffzelle B geleitet und dort unter Erzeugung von Gleichstrom zu Wasser umgesetzt. Der in der Brennstoffzelle B erzeugte Gleichstrom 9 wird im Wechselrichter R in Wechselstrom 10 umgewandelt, der schließlich in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird. In der Brennstoffzelle B anfallende Abwärme wird über das Wärmerohr WR5 dem HTK-Reaktor zugeführt. Der in dieser Betriebsphase dort erzeugte Wasserstoff wird nicht in den Speicherbehälter S geleitet, sondern über Leitung 11 direkt in die Brennstoffzelle B, wo er auf die gleiche Weise wie der Wasserstoffstrom 7 umgesetzt wird.
