DE102010009543A1

DE102010009543A1 - Hocheffiziente Energiespeicher- und Energietransportsysteme für solare Strahlungsenergie auf Basis von Erdalkalimetalloxiden und Erdalkalimetallcarbonaten

Info

Publication number: DE102010009543A1
Application number: DE102010009543A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Wasserscheid Peter; Prof. Dr.-Ing. Arlt Wolfgang
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiespeicherung und zum Energietransport basierend auf einem Stoffsystem der Stoffe A und B, bei dem A eine energiearme Substanz darstellt, die geeignet ist, an Orten hoher Sonneneinstrahlung solare Strahlungsenergie aufzunehmen und sich dabei unter Abspaltung von CO2 in die energiereiche Substanz B umzuwoßen Einheiten, wie Schiffen, transportiert werden und am Ort des Energiebedarfs durch Reaktion mit CO2 unter Energiefreisetzung wieder in A zurück verwandelt werden. Die so freigesetzte Energie kann zur Dampferzeugung und zum Antrieb einer Dampfturbine genutzt werden. Die Rückbildung von A lässt sich in besonders geeigneter Weise mit der technischen Aufgabe der CO2-Abtrennung aus dem Abgas fossiler Kraftwerken verbinden. A wird in großen Transporteinheiten zum Ort der intensiven Sonneneinstrahlung zurück gebracht. B ist unbegrenzt lagerfähig und stellt daher auch eine geeignete Energiespeicherform dar. Als Stoff A kommt ein Erdalkalimetallcarbonat und als Stoff B ein Erdalkalimetalloxid zum Einsatz. Besonders geeignete Beispiele für Stoffpaare A-B sind CaCO3-CaO und MgCO3-MgO.

Description

Problemstellung und Stand der Technik
Von allen Energieformen steht die Sonnenstrahlung dem Menschen am reichlichsten und am nachhaltigsten zur Verfügung. Die Wüsten der Erde empfangen in 6 Stunden mehr Energie von der Sonne, als die Menschheit zur Zeit in einem ganzen Jahr verbraucht. Um den heutigen globalen Strombedarf von 18.000 TWh/Jahr zu decken, würde es reichen, drei Tausendstel der weltweit ca. 40 Mio. km² an Wüstenflächen zur Energieerzeugung zu nutzen, wenn man die Wirkungsgrade der solarthermischen Kraftwerke nach dem Stand der Technik für diese Berechnung zu Grunde legt. Pro Mensch würden bei dieser Berechnung somit etwa 20 m² Wüste genügen, um den eigenen Strombedarf Tag und Nacht CO₂-frei decken zu können [Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/].
Zu beantworten bleibt die technologische Aufgabe, wie die Strahlungsenergie der Sonne, die auf die Erde in den sonnenreichen Wüstengegenden der Welt trifft, wirtschaftlich zu nutzbarer Energie umgewandelt werden kann und wie diese möglichst effizient zu den Verbrauchern gelangt. Diese Frage stellt sich, da aus naheliegenden Gründen die Mehrzahl der Energieverbraucher nicht bevorzugt in den Wüstenregionen der Welt zu Hause sind.
Überzeugende Argumente für die Nutzung von solarer Strahlungsenergie oder solarer Strahlungswärme in den sonnenreichen Wüstengegenden der Welt mit anschließendem Energietransport zum Verbraucher an Stelle von Solaranlagen am Ort des bevorzugten Energieverbrauchs sind die zwei- bis dreifach höhere Sonneneinstrahlung zum Beispiel in der Ostsahara gegenüber Standorten in zum Beispiel Deutschland. Während die jährliche Strahlungsenergie der Sonne in der Ostsahara bei 2.550 kWh/m² liegt, beträgt sie in Berlin nur 1.000 kWh/m² [Energie für die Zukunft, Umschau Verlag, 1974, S. 69]. Außerdem weist die solare Strahlungsenergie in den Wüstengegenden der Welt im Mittel eine deutlich geringere saisonale Schwankung auf als in den gemäßigten klimatischen Zonen der Welt wie Mitteleuropa, Nordamerika und Japan. Schliesßlich ändert sich das Verhältnis „Tag zu Nacht” übers Jahr in Äquatornähe weniger als in nördlichen Breiten, so dass die Auslegung von Speichern für den Nachtbetrieb einfacher erfolgen kann.
Aktuelle Konzepte, die zur Lösung dieser technischen Aufgabe vorgeschlagen werden, sehen eine Konzentration der solaren Strahlungsenergie und Strahlungswärme in Kollektorfeldern vor, bei der die Strahlungsenergie und Strahlungswärme der Sonne auf ein Sammelrohr gebündelt wird, in dem eine organische Wärmeträgerflüssigkeit strömt. Die heiße Wärmeträgerflüssigkeit überträgt ihren Wärmeinhalt mittels eines Wärmeübertragers auf Wasser. Der dabei produzierte Heißdampf wird über eine Dampfturbine entspannt, die einen Generator antreibt. Alternativ kann die heiße Wärmeträgerflüssigkeit auch einen Salztank erwärmen, dessen Wärmeinhalt die Stromerzeugung über Nacht sicher stellt. Der Wirkungsgrad der verwendeten Dampfturbine in einem solarthermischen Kraftwerk gemäß diesem Stand der Technik ist von der Temperatur des heißen Dampfs und von der Kondensationstemperatur des entspannten Wasserdampfs abhängig, wobei besonders hohe Wirkungsgrade erreicht werden, wenn die Temperatur der Heißdampfs besonders hoch und die Kondensationstemperatur besonders niedrig gewählt werden.
Für den Transport der auf diese Weise in den sonnenreichen Wüstengegenden produzierten Energie zum Verbraucher sieht der aktuelle Stand der Technik Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ) vor, deren Leitungsverluste rund drei Prozent pro 1.000 km betragen [Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/].
Diese, dem Stand der Technik bekannte Lösung der technischen Aufgabe, die Strahlungsenergie der Sonne in den sonnenreichen Wüstengegenden der Welt in elektrische Energie umzuwandeln und möglichst wirtschaftlich über große Distanzen – typischerweise 3000 km und weiter – zu transportieren, weist jedoch gravierende Nachteile auf.
Trotz vielfältiger Forschungsbemühungen ist die thermische Stabilität der heute nach dem Stand der Technik bekannten organischen Wärmeträgerflüssigkeiten auf 350°C im Dauerbetrieb limitiert. Die Temperatur des Heißdampfs des solarthermischen Kraftwerks muss daher unter 350°C liegen, mit den damit einhergehenden Wirkungsgradverlusten im Dampfprozess des Kraftwerkteils der solarthermischen Anlage im Vergleich zu einer fossil befeuerten Anlage. Eine Verwendung der thermisch deutlich stabileren Salzgemische, die heute im Salztank einer solarthermischen Anlage als Wärmespeicher zum Einsatz kommen auch im Kollektorfeld verbietet sich aufgrund des zu hohen Erstarrungspunkts der dem Stand der Technik bekannten Salzgemische [U. Baudis, M. Kreutz, „Technologie der Salzschmelzen", Die Bibliothek der Technik, verlag moderne industrie, Landsberg, 2001]. Der Einsatz niedrig schmelzender Salze mit organischen Kationen, sogenannter ionischer Flüssigkeiten, verbietet sich auf Grund der zu geringen thermischen Stabilität dieser organischen Kationen [P. Wasserscheid, T. Welton (eds), Ionic Liquids in Synthesis, 2nd edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2007].
In den sonnenreichen Wüstengegenden der Erde ist die Bereitstellung von Kühlwasser in ausreichender Menge, von ausreichender Reinheit und von ausreichend geringer Temperatur in der Regel problematisch. Daher sieht der Stand der Technik Kühlkonzepte für solarthermische Kraftwerke vor, bei denen die Kondensation des Dampfes mit Hilfe von luftdurchströmten Kühlern durchgeführt wird. Dies begrenzt den unteren Druck der Entspannung des Dampfes in der Turbine durch erhöhte Temperaturunterschiede am Wärmeübertrager und führt zu einer zusätzlichen Reduktion des Wirkungsgrads der Dampfturbine.
Auf Grund der oben genannten speziellen Randbedingungen von solarthermischen Kraftwerken mit Standort in den sonnenreichen Wüstengegenden der Erde beträgt der Wirkungsgrad eines dort betriebenen Dampfturbinenprozesses rund 20–25%. Dies stellt gegenüber dem üblichen Wirkungsgrad von Dampfturbinen nach dem Stand der Technik in fossil-befeuerten Kraftwerken in Mitteleuropa von rund 45% eine sehr deutliche Reduktion der Effizienz dar.
Solarthermische Kraftwerkskonzepte nach dem Stand der Technik sind daher durch eine übermäßige Abwärmeproduktion gekennzeichnet. Dieser Punkt wiegt umso schwerer, da in entlegenen Wüstengegenden in der Regel keine sinnvolle Verwendung für die produzierte Abwärme besteht. Vorschläge des Stands der Technik [Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/] die produzierte Abwärme solarthermischer Anlagen zur Meerwasserentsalzung zu nutzen, setzen die unmittelbare Meernähe des Kraftwerks und einen enormen Bedarf an entsalztem Wasser in den betreffenden Regionen voraus. Außerdem werden bei der Nutzung der großen Abwärmemengen zur Meerwasserentsalzung zusätzliche Investitionen in die entsprechenden Anlagen fällig, das erzeugte Süsswasser muss vor Ort einen attraktiven Marktpreis erzielen, um diese Zusatzinvestitionen zu rechtfertigen. Da Meerwasserentsalzungsanlagen nach dem Stand der Technik in diesem Falle nach dem Verdampfungsverfahren arbeiten, ist der untere Entspannungsdruck erneut zu erhöhen mit entsprechend negativer Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Dampfprozesses.
Insgesamt ergibt sich daher für die Konzepte nach dem Stand der Technik eine bisher unbefriedigende Lösung der technischen Aufgabe, die Strahlungsenergie der Sonne in den sonnenreichen Wüstengegenden der Welt in nutzbare Energie umzuwandeln und diese möglichst wirtschaftlich über große Distanzen – typischerweise 3000 km und weiter – zu transportieren. Von 100 kWh in der Ostsahara eingefangener Strahlungsenergie, würden nach dem Stand der Technik nur rund 20 kWh elektrischer Strom in Mitteleuropa ankommen.
Kraftwerksanlagen, die mit Erdöl, Gas, Kohle oder Biomasse befeuert werden, stoßen ein CO₂-haltiges Abgas aus. Mit der massiven Verbrennung fossiler Rohstoffe weltweit ist ein Anstieg des CO₂-Gehalts der Atmosphäre verbunden, der mit hoher Wahrscheinlichkeit für klimatische Veränderungen verantwortlich ist. Als eine Maßnahme dieses Problem zu lösen, wird in den letzten Jahren die Abtrennung von CO₂ aus dem Verbrennungsgas von Kraftwerksanlagen, die mit Erdöl, Gas, Kohle oder Biomasse befeuert werden, diskutiert. Als wirtschaftliche Motivation für die Entwicklung solcher Technologie wurden CO₂-Zertifikate eingeführt, die am Markt gehandelt werden, so dass die Abtrennung von CO₂ aus dem Abgas von Kraftwerksanlagen auch eine ökonomische Wertschöpfung darstellt. Das abgetrennte CO₂ soll chemisch umgesetzt oder zum beschleunigten Wachstum von Kulturpflanzen genutzt werden.
Nach dem Stand der Technik kann CO₂ aus Kraftwerksabgasen durch Wäsche des Rauchgases entfernt werden. Der Stand der Technik zur Rauchgaswäsche ist von den Autoren Sattler sowie Gmehling und Brehm zusammengefasst [Sattler, K., Thermische Trennverfahren, ISBN 3-527-28636-5, Kapitel 3 sowie Gmehling J., Brehm A., Grundoperationen, Lehrbuch der Technischen Chemie – Band 2, ISBN 3-13-687401-3]. Typische Anlagen zur Rauchgaswäsche bestehen aus einer Absorber- und einer Desorbereinheit. Das Rauchgas tritt in den Absorber ein und wird mit Hilfe des regenerierten Waschmittels gereinigt und im anschließenden Flüssigkeitsabscheider von mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen befreit. Im Desorberteil wird das beladene Waschmittel wieder von CO₂ befreit. In der Regel wird dazu Wärme in den Desorber eingeführt, mit Inertgasen gespült oder Vakuum an die Desorbereinheit angelegt. Eine Regeneration des Waschmittels in mehreren aufeinanderfolgenden Teilschritten wird beispielsweise in US 4336233 offenbart.
Die Wirtschaftlichkeit eines Absorptionsprozesses hängt wesentlich von den Eigenschaften des eingesetzten Waschmittels ab. So sollen Selektivität, Kapazität, Flammpunkt, thermische sowie chemische Stabilität des Absorbens möglichst hoch und Dampfdruck, Viskosität und Korrosivität möglichst gering sein [Gmehling J., Brehm A., Grundoperationen, Lehrbuch der Technischen Chemie – Band 2, ISBN 3-13-687401-3]. Der Trennaufwand eines Absorptionsprozesses spiegelt sich im sogenannten Lösungsmittelverhältnis, dem Quotienten aus unbeladener Absorbensmenge und inerter Trägergasmenge, wider. Mit steigendem Lösungsmittelverhältnis wachsen die lösungsmittelbedingten Betriebskosten, während Absorberstufenzahl und Investitionskosten für den Absorber sinken [Sattler, K., Thermische Trennverfahren, ISBN 3-527-28636-5, Kapitel 3]. Das Lösungsmittelverhältnis ist umso kleiner, je besser die Aufnahmefähigkeit eines Absorbens für die zu absorbierende Gaskomponente ist.
Es werden sowohl physikalische als auch chemische Waschmittel eingesetzt. Die Wirkungsweise chemischer Waschmittel beruht auf einer chemischen Reaktion des Waschmittels mit dem CO₂ im Rauchgas unter Bildung einer neuen chemischen Verbindung.
Nach dem Stand der Technik werden zum Entfernen von CO₂ aus Kraftwerksabgasen insbesondere wässrige Alkanolamin-Lösungen eingesetzt. Als Alkanole werden Monoethanolamin (MEA, 2-Aminoethanol), Diethanolamin (DEA), Triethanol-amin (TEA), Diethylethanolamin (DEEA), Diisopropylamin (DIPA), Aminoethoxyethanol (AEE), Methyldiethanolamin (MDEA), 2-(Aminoethyl) Ethanolamin (AEEA) oder 2-Amino-2-Methyl-1-Propanol (AMP) verwendet. Bei deren Einsatz werden im Absorptionsprozess wasserlösliche Carbamate gebildet.
Die Regeneration der wässrigen Carbamat-Lösungen erfolgt im industriellen Einsatz häufig in mehrstufiger Prozessführung, wobei wobei die Carbamat-Lösung zunächst in Flash-Kolonnen entspannt wird, so dass ein Teil des absorbierten CO₂ aus der Lösung verdampft. Restliches Kohlendioxid und gegebenenfalls weitere absorbierte Sauergase werden anschliessend durch Strippen mit Dampf in einem zweiten Apparat entfernt. Sollen Anteile der Aminlösung in dem desorbierten CO₂ nicht enthalten sein, ist ein dritter Apparat nötig.
Auf Grund des apparativ sehr aufwändigen Regenerationsverfahrens für chemische Waschflüssigkeiten bei der CO₂-Entfernung aus Kraftwerksabgasen wurde alternativ unter dem Begriff „chemical looping” ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem durch die Umwandlung eines Metalloxids in ein Metallcarbonat CO₂ aus dem Rauchgas entfernt wird. Nach diesem Vorschlag wird das Metallcarbonat anschließend thermisch am gleichen Ort zu Metalloxid und zu relativ reinem CO₂ regeneriert. Bei diesem Verfahren müssen große Mengen an Feststoffen im Kraftwerk vom Absorber zum Regenerator geführt werden, ohne dass die mechanische Konsistenz (Korngrößenverteilung, Oberfläche) der Feststoffe verändert werden darf.
Problemlösung
Die Erfindung beschreibt einen neuen und vom Stand der Technik abweichenden Weg, die Strahlungsenergie und Strahlungswärme der Sonne in den entlegenen Wüstengebieten der Erde in nutzbare Energie umzuwandeln und effizient über weite Strecken zu transportieren. Sie beruht auf der überraschenden Feststellung, dass die Umwandlung der solaren Strahlungsenergie zu elektrischem Strom zweckmäßiger am Ort des Energieverbrauchs stattfindet. Dort steht zum Einen Kühlwasser in ausreichender Menge und geeigneter Temperatur zur Verfügung. Zum Anderen ermöglicht die lokale Nähe zu industriellen und privaten Nutzern der produzierten Abwärme mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und Fernwärmeeinspeisung eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads.
Die technische Aufgabe kann daher überraschenderweise wesentlich effizienter gelöst werden, in dem die Strahlungsenergie und Strahlungswärme der Sonne in den entlegenen Wüstengegenden der Erde genutzt wird, um eine energiearme Substanz A durch Abspaltung von CO₂ in eine energiereiche Substanz B zu überführen. Die energiereiche Substanz B kann dann in großen Transporteinheiten, besonders geeignet in Schiffen, zum Ort des Energieverbrauchs transportiert werden.
Ein besonderes Merkmal der hocheffiziente Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ist es, dass der energiereiche Stoff B nicht verbrannt wird, sondern unter Aufnahme von CO₂ und unter Freisetzung von Energie zu A zurückverwandelt wird, wobei die so freigesetzte Energie am Ort des Energieverbrauchs dazu genutzt wird, um Heißdampf zur Stromerzeugung in einem Dampfturbinenprozess bereit zu stellen. Die entladene energiearme Substanz A wird erneut zum Ort der maximalen Strahlungsenergie und Strahlungswärme der Sonne in den entlegenen Wüstengebieten der Erde transportiert.
Gegenüber dem heutigen Stand der Technik, der die Erzeugung von Solarstrom bereits in der Wüste und einen elektrischen Energietransport zum Ort des Verbrauchers vorsieht ergeben sich durch die hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung folgende bedeutsamen Vorteile:

– Die Investition in die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ), für die nach Stand der Technik alleine für das Desertec-Projekt eines industriellen Konsortiums aus 12 Firmen – ABB, ABENGOA Solar, Cevital, Deutsche Bank, E.ON, HSH Nordbank, MAN Solar Millennium, Münchener Rück, M+W Zander, RWE, SCHOTT Solar und Siemens – insgesamt 45 Milliarden Euro Investition erforderlich wären [Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/], entfällt. Stattdessen können bestehende Schiffskapazitäten genutzt werden, um die Stoffe A und B gemäß dieser Erfindung vom solarenergiereichen Wüstenort zum Verbraucher zu bringen.
– Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung, die wegen optischer Aspekte, Gesundheitsgefährdungsaspekte oder Störfallängsten absehbar mit der Installation von HGÜ-Leitungen im großen Maßstab einhergehen, entfallen.
– Genehmigungsrechtliche Probleme, die mit der Installation von HGÜ-Leitungen im großen Maßstab einhergehen, entfallen. Dies betrifft insbesondere die Erteilung und dauerhafte Durchsetzung von Durchleitungsrechten in Staaten, die weder selbst von der solaren Energieerzeugung noch von der Nutzung des solaren Stroms profitieren würden.
– HGÜ-Leitungen stellen ein attraktives Ziel für terroristische Anschläge dar, was eine deutliche Einschränkung der Versorgungssicherheit mit sich bringt. Solche Probleme treten beim Energietransport mit dem Schiff nach heutiger Erfahrung mit Öltankern und Kohletransportern nicht nennenswert auf.
– Bei geeigneter Auswahl der Stoffpaarung A und B für die hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ergeben sich geringere Transportverluste als die nach dem heutigen Stand der Technik für HGÜ-Leitungen veranschlagten Verluste von 3% des Energieinhalts pro 1000 km Transportweg.
– Die Speicherung der solaren Energie in Form der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung erlaubt als zusätzlichen Vorteil die zeitlich unbegrenzte und verlustfreie Speicherung der Energie in Form des energiereichen Stoffs B. Die Speicherung von elektrischer Energie über Batterien ist demgegenüber nicht zeitlich unbegrenzt verlustfrei möglich. Die indirekte Speicherung von elektrischer Energie in Pumpspeicherwerken ist durch die geographische Begrenzung der Anzahl geeigneter Standorte für Pumpspeicherkraftwerke limitiert.
– Bei der Umwandlung der energiereichen Substanz B – unter Aufnahme von CO₂, Rückbildung zu A und Freisetzung von Energie – entsteht Dampf, der in einer Dampfturbine zu Strom umgesetzt werden kann. Anders als beim heutigen Stand der Technik entsteht nun die dabei zwangsläufig anfallende Abwärme am dichtbevölkerten und hochindustrialisierten Ort des Energieverbrauchs, wo sie unmittelbar im Sinne eine Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden kann und angesichts zahlungskräftiger Energiekunden einen wesentlich höheren Deckungsbeitrag erbringt. Unter der Annahme eines dadurch auf 90% erhöhten Gesamtwirkungsgrad im Kraftwerksteil erhöht sich die Gesamtbilanz der nutzbaren Energie im Vergleich zur eingefangenen Strahlungsenergie auf rund 80% gegen über rund 20% im Fall der Stromerzeugung in der Wüste gemäß dem heutigen Stand der Technik.

Als Stoffe A und B kommen in den hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ein Erdalkalimetallcarbonat als Stoff A und ein Erdalkalimetalloxid als Stoff B zum Einsatz.
Als Stoffe A und B kommen in einer besonders geeigneten Ausführungsform der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung CaCO₃ als Stoff A und CaO als Stoff B zum Einsatz.
Als Stoffe A und B kommen in einer weiteren geeigneten Ausführungsform der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung MgCO₃ als Stoff A und MgO als Stoff B zum Einsatz.
Als Stoffe A und B kommen in einer weiteren geeigneten Ausführungsform der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung SrCO₃ als Stoff A und SrO als Stoff B zum Einsatz.
Die Umsetzung der jeweiligen energiearmen Stoffe A in die jeweiligen energiereichen Stoffe B unter Abspaltung von CO₂ erfolgt nach dieser Erfindung im Wesentlichen durch solare Strahlungsenergie, die geeignet durch Kollektoren gebündelt wird.
Die Umsetzung erfolgt in einem solaren Ofen, der als Schachtofen, Ringofen oder Drehrohrofen ausgeführt sein kann. Der solare Ofen ist in besonders geeigneter Weise so konstruiert, dass das heiß ausströmende CO₂ dazu genutzt wird, den noch nicht umgesetzten, energiearmen Stoff A vorzuwärmen.
Die Umsetzung von CaCO₃ zu CaO im solaren Ofen erfolgt bei Temperaturen zwischen 500°C und 1300°C, geeigneter zwischen 800°C und 1100°C, am geeignetsten zwischen 900°C und 1000°C.
Die Umsetzung von MgCO₃ zu MgO im solaren Ofen erfolgt bei Temperaturen zwischen 300°C und 1000°C, geeigneter zwischen 350°C und 900°C, am geeignetsten zwischen 450°C und 850°C.
Die Umsetzung von SrCO₃ zu SrO im solaren Ofen erfolgt bei Temperaturen zwischen 800°C und 1500°C, geeigneter zwischen 1000°C und 1300°C, am geeignetsten zwischen 1200°C und 1300°C.
Alle energiereichen Stoffe B gemäß dieser Erfindung reagieren mit Wasser. Lagerung und Transport finden daher unter Feuchtigkeitsausschluss statt. Der effiziente Transport von Feststoffen wie MgO oder CaO in Frachtschiffen ist dem Stand der Technik wohlbekannt. Auch die Verladungslogistik und der Transport dieser Stoffe, zum Beispiel mit Hilfe von auf Förderbändern oder Gebläsen, wird – zum Beispiel im Zusammenhang mit der Zementherstellung – umfangreich technisch praktiziert.
Die energiereichen Stoffe B der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung werden am Ort des Energieverbrauchs unter Aufnahme von CO₂, Rückbildung von A und Freisetzung der gespeicherten Energie wieder in den energiearmen Stoff A umgewandelt. Dabei wird die in B gespeicherte Energie wieder vollständig abgegeben.
Ein besonders attraktives Merkmal der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ist es, dass bei der Rückumwandlung von B nach A Energie auf einem hohem Temperaturniveau freigesetzt wird, das in besonderer Weise geeignet ist Heißdampf für Dampfturbinenprozessen mit hohem Wirkungsgrad bereit zu stellen. Für die Umsetzung von CaO mit CO₂ zu CaCO₃ beispielsweise liegt das thermodynamische Gleichgewicht [Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, de Gruyter, 1985, S. 917] bei 540°C ganz auf der Produktseite, so dass bei einer vollständigen Umwandlung von CaO in CaCO₃ Heißdampf auf diesem Temperaturniveau erzeugt werden kann.
Die Bereitstellung von CO₂ für die Umwandlung von B nach A erfolgt durch Einleiten von CO₂ in ein Bett des Stoffes B, wobei der Stoff B als Festbettschüttung, in Form einer Wirbelschicht, eines Fließbetts oder eines Flugstroms angeboten werden kann. Das bei diesem Schritt verwendete CO₂ kann beispielsweise aus dem Abgas eines fossil befeuerten Kraftwerks entstammen. Durch die örtliche Nähe der Energiefreisetzung aus den hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung zu konventionellen Kraftwerken kann so ein zusätzlicher Vorteil gezogen werden.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Energiefreisetzung aus den hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ergibt sich, wenn CO₂-haltige Abgase aus konventionellen Kohle-, Gas- oder Schwerölkraftwerken direkt mit dem Stoff B kontaktiert werden. Dabei kann ausgenutzt werden, dass der Stoff B eine sehr hohe Selektivität zur Reaktion mit CO₂ besitzt und CO₂ auf diese Weise effizient aus dem Kraftwerksabgas entfernt werden kann. Damit können die hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung einen Beitrag leisten, die CO₂-Emissionen von konventionellen Kraftwerken am Ort des Energieverbrauchs stark zu reduzieren.
Eine weitere besonders vorteilhafte Variante der Energiefreisetzung aus den hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ergibt sich, wenn der energiereiche B direkt fossilen Brennstoffen beigemischt wird und mit diesen direkt in der Brennkammer eines konventionellen Kraftwerks zum energiearmen Stoff A entladen wird. Auf diese Weise wird A als Rückstand der Verbrennung in der Brennkammer zurück erhalten und die gesamte Kraftwerksinfrastruktur zur Stromerzeugung kann direkt für die Entladung von B genutzt werden. Wie beim direkten Einleitung von Kraftwerksabgasen bindet die Umsetzung von B nach A erhebliche Mengen an CO₂ und senkt damit den CO₂ Ausstoss des konventionellen Kraftwerks am Ort des Energieverbrauchs.
Die hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung sind vollständig CO₂-neutral, da genauso so viel CO₂ bei der Bildung des energiereichen Stoffes B aufgenommen wird, wie bei der Entladung wieder freigesetzt wird. Die Systeme gemäß dieser Erfindung zeichnen sich jedoch dadurch aus, dass CO₂ – quasi als Nebeneffekt der technischen Umsetzung dieser Erfindung – in großen Mengen in gebundener Form vom Ort des Energieverbrauchs zum Ort der Energieerzeugung transportiert wird. Dort ergeben sich wesentlich attraktivere Formen der Nutzung dieses CO₂ als am Ort des Energieverbrauchs, etwa im Zusammenhang mit fortgeschrittenen Konzepten zur Entölung von Rohöllagerstätten oder auch zum beschleunigten Wachstum von Kulturpflanzen oder Algen, deren Wachstum ebenfalls von der hohen Sonneneinstrahlung am Ort der Energieerzeugung profitieren.
Ein weiteres und sehr wichtiges charakteristisches Merkmal der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ist, dass die Umwandlungsschritte A zu B und B zu A chemisch sehr robust und ohne merkliche Nebenproduktbildung ablaufen. Alle Stoffe sind auch bei hohen Temperaturen stabil und die Bildung von problematischen Zersetzungsprodukten ist nicht beobachtet worden.
Ein weiteres und sehr wichtiges charakteristisches Merkmal der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ist, dass es sich bei den Stoffen A – insbesondere im Fall des CaCO₃ und MgCO₃- um hervorragend, in nahezu unbegrenzten Mengen und sehr günstigen Preisen verfügbare Stoffe handelt, die zudem in ihrer Funktion als Teil der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung nicht verbraucht werden, sondern immer wieder erneut eingesetzt werden können.
Ein weiteres und sehr wichtiges charakteristisches Merkmal der hocheffizienten Energiespeichersysteme und Energietransportsysteme gemäß dieser Erfindung ist, dass die Stoffe A und B toxikologisch und ökotoxikologisch unbedenklich sind und daher selbst im Falle einer Havarie des solaren Ofens, des Transportschiffes oder des Kraftwerks kein problematisches Umweltgefährdungspotential von den hocheffizienten Energiespeichersystemen und Energietransportsystemen gemäß dieser Erfindung ausgeht.
Beispiele
Beispiel 1: Energiespeicherung und Energietransport unter Verwendung von CaCO₃ als Stoff A und CaO als Stoff B
In einem solaren Ofen werden 1000 kg CaCO₃ solange konzentrierter solarer Strahlung bei einer Temperatur von 950°C ausgesetzt, bis 470 kg CO₂ dem System entwichen sind (90% Umsatz zu MgO). Der Rückstand wird unter Feuchtigkeitsausschluss gelagert und transportiert. Insgesamt wird bei diesem Prozess eine solar erzeugte Energiemenge von 1.600.000 KJ gespeichert.
Zur Energiefreisetzung wird der Rückstand in einer Reaktionskammer mit einem 200°C heißen Gasgemisch kontaktiert, das 10% CO₂ in Luft enthält. Dabei reagiert das CO₂ mit CaO exotherm zu CaCO₃, die übrigen Gasbestandteile erwärmen sich. Das heiße Gas wird dazu genutzt, um Wasser zu Hochdruckdampf zu erhitzen. Letzterer wird über eine Dampfturbine entspannt.
Ein Kubikmeter CaO (Schüttgewicht: 1900 kg) enthält rund 19,2% der Energiemenge eines Kubikmeters Hexan.
Pro 1000 km Transportweg verbraucht ein Schüttgutfrachter, der 250.000 Tonnen CaO geladen hat rund 1,3% des Energieinhalts des geladenen CaO an Treibstoff.
Beispiel 2: Energiespeicherung und Energietransport unter Verwendung von MgCO₃ als Stoff A und MgO als Stoff B
In einem solaren Ofen werden 1000 kg MgCO₃ solange konzentrierter solarer Strahlung bei einer Temperatur von 750°C ausgesetzt, bis 470 kg CO₂ dem System entwichen sind (90% Umsatz zu MgO). Der Rückstand wird unter Feuchtigkeitsausschluss gelagert und transportiert. Insgesamt wird bei diesem Prozess eine solar erzeugte Energiemenge von 1.250.000 KJ gespeichert.
Zur Energiefreisetzung wird der Rückstand in einer Reaktionskammer mit einem 200°C heißen Gasgemisch kontaktiert, das 10% CO₂ in Luft enthält. Dabei reagiert das CO₂ mit MgO exotherm zu MgCO₃, die übrigen Gasbestandteile erwärmen sich. Das heiße Gas wird dazu genutzt, um Wasser zu Hochdruckdampf zu erhitzen. Letzterer wird über eine Gasturbine entspannt.
Ein Kubikmeter MgO (Schüttgewicht: 800 kg) enthält rund 7,4% der Energiemenge eines Kubikmeters Hexan.
Pro 1000 km Transportweg verbraucht ein Schüttgutfrachter, der 250.000 Tonnen CaO geladen hat rund 1,5% des Energieinhalts des geladenen MgO an Treibstoff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4336233 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/ [0001]
Energie für die Zukunft, Umschau Verlag, 1974, S. 69 [0003]
Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/ [0005]
U. Baudis, M. Kreutz, „Technologie der Salzschmelzen”, Die Bibliothek der Technik, verlag moderne industrie, Landsberg, 2001 [0007]
P. Wasserscheid, T. Welton (eds), Ionic Liquids in Synthesis, 2nd edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2007 [0007]
Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/ [0010]
Sattler, K., Thermische Trennverfahren, ISBN 3-527-28636-5, Kapitel 3 [0013]
Gmehling J., Brehm A., Grundoperationen, Lehrbuch der Technischen Chemie – Band 2, ISBN 3-13-687401-3 [0013]
Gmehling J., Brehm A., Grundoperationen, Lehrbuch der Technischen Chemie – Band 2, ISBN 3-13-687401-3 [0014]
Sattler, K., Thermische Trennverfahren, ISBN 3-527-28636-5, Kapitel 3 [0014]
Red book, Desertec Foundation 2009, www.desertec.org/de/konzept/redpaper/ [0022]
Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, de Gruyter, 1985, S. 917 [0034]

Claims

Verfahren zur Speicherung und zum Transport von Energie, 1) dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoffsystem der Stoffe A und B genutzt wird, bei dem A eine energiearme Substanz darstellt, die in einer chemischen Reaktion unter Wärmeaufnahme und Abspaltung von CO₂ die energiereiche Substanz B bildet, welche gelagert und transportiert werden kann, um am gleichen oder an einem anderen Ort, zu einer anderen Zeit in einer chemischen Reaktion unter Aufnahme von CO₂ die gespeicherte Wärme wieder abzugeben. 2) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Stoffes B aus A durch Nutzung solarer Strahlungsenergie erfolgt. 3) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung des Stoffes B aus A benötigte Strahlungsenergie in Form von Wärme bereit gestellt wird und dadurch erzeugt wird, dass die solare Strahlung, die auf eine große Fläche auftrifft durch geeignete Kollektoren gebündelt wird. 4) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Stoffes B aus A in einem solaren Schachtofen, solaren Ringofen oder solaren Drehrohrofen erfolgt, der geeignet so ausgeführt ist, dass das aus dem gebildeten Stoff B ausströmende heiße CO₂ den noch nicht umgesetzten Anteil des Stoffes A vorwärmt. 5) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff B in einer chemischen Reaktion durch Kontakt mit einem Gasgemisch, das CO₂ enthält, wieder in den Stoff A überführt wird und bei dieser Umsetzung Wärme freigesetzt wird. 6) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem CO₂-haltigen Gasgemisch, das zur chemischen Reaktion von B unter Wärmefreisetzung genutzt wird, um ein Gasgemisch handelt, das zwischen 0,01 und 98% CO₂, enthält, geeigneter zwischen 2 und 75% CO₂, am geeignetsten jedoch zwischen 8 und 50% CO₂. 7) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem CO₂-haltigen Gasgemisch, das zur chemischen Reaktion von B unter Wärmefreisetzung genutzt wird, um ein Gasgemisch handelt, wie es bei der Abtrennung von CO₂ aus mit Kohle, Gas, flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Biomasse befeuerten Kraftwerken oder bei der Verbrennung von Kohle, Gas, Schweröl oder Biomasse als Abgas anfällt. 8) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff B in einem Kraftwerk, in dem Kohle, Gas, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Biomasse verfeuert wird, dem Brennstoff beigemischt wird und bei der Verbrennung unter CO₂-Aufnahme und Wärmeabgabe zum Stoff A umgewandelt wird. 9) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme, die bei der chemischen Reaktion des Stoffes B unter Aufnahme von CO₂ freigesetzt wird, das vorliegende Gasgemisch erwärmt, diese Wärme über einen Wärmeübertrager zur Erzeugung von Heißdampf genutzt und der Heißdampf über eine Dampfturbine entspannt wird, um mit einem Generator Strom zu erzeugen. 10) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff A um CaCO₃ und bei dem Stoff B um CaO handelt. 11) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff A um MgCO₃ und bei dem Stoff B um MgO handelt. 12) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff A um SrCO₃ und bei dem Stoff B um SrO handelt. 13) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Stoffes A in den Stoff B unter CO₂ Abspaltung und Wärmeaufnahme für den Fall, dass es sich bei dem Stoff A um CaCO₃ und bei dem Stoff B um CaO handelt, bei Temperaturen zwischen 500°C und 1300°C, geeigneter zwischen 650°C und 1100°C, am geeignetsten zwischen 800°C und 1000°C erfolgt. 14) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9 sowie 10 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Stoffes B in den Stoff A unter CO₂ Aufnahme und Wärmefreisetzung für den Fall, dass es sich bei dem Stoff B um CaO und bei dem Stoff A um CaCO₃ handelt, bei Temperaturen zwischen 10°C und 800°C, geeigneter zwischen 250°C und 600°C, am geeignetsten zwischen 380°C und 580°C erfolgt. 15) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Stoffes A in den Stoff B unter CO₂ Abspaltung und Wärmeaufnahme für den Fall, dass es sich bei dem Stoff A um MgCO₃ und bei dem Stoff B um MgO handelt, bei Temperaturen zwischen 300°C und 1000°C, geeigneter zwischen 350°C und 900°C, am geeignetsten zwischen 450°C und 850°C erfolgt. 16) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9 sowie 11 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Stoffes B in den Stoff A unter CO₂ Aufnahme und Wärmefreisetzung für den Fall, dass es sich bei dem Stoff B um MgO und bei dem Stoff A um MgCO₃ handelt, bei Temperaturen zwischen 10°C und 900°C, geeigneter zwischen 250°C und 750°C, am geeignetsten zwischen 350°C und 550°C erfolgt. 17) Energiespeicher- und Energietransportsystem gemäß Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stoff A um ein Gemisch aus Erdalkalicarbonaten und bei dem Stoff B um ein Gemisch aus Erdalkalimetalloxiden handelt.