DE102010020762A1

DE102010020762A1 - Transport und Verstetigung erneuerbarer Energien

Info

Publication number: DE102010020762A1
Application number: DE102010020762A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Karl Werner Dietrich
Current assignee: SHIFTPOWER UG, DE
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Erneuerbare Energien werden als elektrische Energie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff als Sekundärenergieträger überführt. Der Wasserstoff wird in das (bestehende) Erdgasnetz eingeleitet, wo er in wechselnden Mengen, je nach Anfall, das Erdgas teilweise ersetzt. Hierdurch werden erneuerbare Energien verstetigt, da schwankende Wasserstoffmengen durch das beigemischte Erdgas ausgeglichen werden. Außerdem dient das vorhandene Erdgasnetz zum Transport der in Wasserstoff überführten neuen Energien. Das Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas wird an der Verbrauchsstelle auf seine Zusammensetzung untersucht und entsprechend dem Ergebnis der Untersuchung der Brennstelle zudosiert. Da sich Erdgas, bzw. sein maßgeblicher Bestandteil Methan, und Wasserstoff in Energieinhalt, Gasdichte und Sauerstoffverbrauch bei der Verbrennung deutlich unterscheiden, muss sowohl Brenngas als auch Verbrennungsluft in der Mengendosierung den Veränderungen der Wasserstoffkonzentration angepasst werden.

Description

Eines der Probleme bei dem Einsatz erneuerbarer Energien ist die witterungsbedingt unzuverlässige und schwankende Erzeugung von Sonnen- oder Windenergie. Hinzu kommt, dass in Ländern wie Deutschland das größte Potential an Windenergie in Küstenregionen vorhanden ist und Hochspannungsleitungen ins Landesinnere, die noch dazu für Leistungsspitzen zu dimensionieren sind, erst noch aufgestellt werden müssen.
Es wurde nun ein Weg gefunden, die in Küstennähe, insbesondere im „off-shore”-Bereich, (auch im benachbarten Ausland in Nordsee und Ostsee) gewonnene Windenergie zu verstetigen und gleichzeitig auf vorhandenen Transportwegen ins Landesinnere zu bringen.
Hierbei bedient man sich des Wasserstoffes als Sekundärenergieträger. Der Wasserstoff wird durch Wasserelektrolyse aus verstromter Windenergie gewonnen und in bereits vorhandene Erdgasleitungen eingeleitet. Erdgasleitungen gibt es von der deutschen, dänischen und holländischen Nordseeküste bis in die süddeutschen Länder und weiter. In der Ostsee wird zusätzlich die Erdgasleitung aus Russland im Osten der Küste auf das Land treffen und von dort verzweigt in das Landesinnere geführt. In der Erdgasleitung ersetzt der Wasserstoff dann teilweise das Erdgas.
Das heißt: Der an heimischen Küsten aus Windenergie gewonnene Wasserstoff ersetzt in unserem Leitungssystem teilweise das Erdgas, dessen Entnahme entsprechend dem jeweiligen Wasserstoffzusatz verringert wird: Bei starkem Wind wird viel Wasserstoff zugeleitet, bei Flaute wenig. Zu den Bedarfsstellen im Landesinneren kommt dann das (wechselnde) Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff als Energiemix mit nahezu konstanter Leistung. Durch die Einleitung des Wasserstoffes als Sekundärenergieträger in die Erdgasleitung bzw. das Erdgasnetz wird so die Windenergie transportiert und verstetigt.
Klingt einfach – ist es aber nicht.
Das Wasserstoffgas unterscheidet sich nämlich in folgenden, für die Verbrennung wichtigen Kriterien vom Erdgas:

– Wasserstoffgas hat nur 1/8 der Gasdichte des Erdgases (Methan) (Wasserstoff: 0,090/Methan: 0,718)
– Wasserstoffgas hat bei gleichem Gasvolumen etwa 1/3 des Energieinhaltes (Heizwert) von Erdgas (Wasserstoff: 10,8 kJ/l/Methan: 35,8 kJ/l)
– Methan (CH4), Hauptbestandteil von Erdgas, verbraucht, wie die folgenden Reaktionsgleichungen zeigen, bei der Verbrennung viermal mehr Sauerstoff als Wasserstoff (112): 2 H2 + O2 = 2 H2O CH4 + 2 O2 = 2 H2O + 1 CO2

Das Problem bei diesem Ansatz ist: Ab Einleitung des Wasserstoffes in das Erdgas kann die Zusammensetzung des Gasgemisches im Leitungssystem nicht mehr nachgehalten werden. D. h. an jeder Entnahmestelle kann zu jedem Zeitpunkt ein anderes Gasgemisch ankommen.
Schwankt nun an der Verbrauchstelle der Wasserstoffgehalt, so kann, bei bezüglich des Gasvolumens konstanter Gaszufuhr, die Brennerleistung beträchtlich schwanken und die Luftzufuhr ist falsch geregelt.
Diese Probleme können durch folgende Maßnahmen gelöst werden:

1. Das Wasserstoffgas wird an der Zugabestelle mit dem Erdgas vermischt, sodass beim Weitertransport in der Pipeline ein homogenes Gasgemisch vorliegt.
2. Direkt an der Verbrauchsstelle wird das Gasgemisch analysiert und so vor Allem der Wasserstoffanteil und damit der Heizwert der Mischung vor der Verbrennung berechnet.
3. Entsprechend dem Wasserstoffanteil wird die Zufuhr an Gasgemisch so dosiert, dass die Brennerleistung unter Kontrolle oder konstant bleibt.
4. Bei Brennern mit geregelter Luftzufuhr wird neben dem Gasgemisch die gemäß Punkt 2. errechnete und aus den obigen Reaktionsgleichungen sich ergebende Luftmenge zugesetzt.

Punkt 2. ist auch für die für die Rechnungsstellung des gelieferten Gasgemisches zu berücksichtigen, da die Rechnung über kWh, d. h. über Leistung erfolgt, die heute üblichen Gaszähler aber nur verbrauchtes Volumen anzeigen. D. h.: die gelieferte Leistung errechnet sich aus dem gelieferten Volumen und dem durchschnittlichen Brennwert (Wasserstoffanteil) der Ableseperiode gemäß Punkt 2.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zum Transport und zur Verstetigung erneuerbarer Energien, dadurch gekennzeichnet, dass erneuerbare Energie – als elektrische Energie vorliegend – bei oder nahe ihrem Entstehungsort durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff als Sekundärenergieträger überführt wird, der so erzeugte Wasserstoff einer Erdgaspipeline zugeführt wird, vorzugsweise mit dem Erdgas vermischt und so das Erdgas verdrängt, bzw. ersetzt und in Mischung mit dem Erdgas in einer (vorhandenen) Erdgaspipeline bzw. im bestehenden Erdgasnetz zur Verbrauchsstelle transportiert wird, wo dann direkt vor oder nach der Verbrennung die aktuelle Gaszusammensetzung ermittelt wird und entsprechend dem Verhältnis Erdgas/Wasserstoff die Gasdosierung sowie gegebenenfalls auch die Luftdosierung so geregelt wird, dass bei wechselnder Gaszusammensetzung eine kontrollierte Brennerfunktion gesichert ist.
Bei dem großen Dichteunterschied zwischen Wasserstoff und Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases, ist die Vereinigung von Wasserstoff und Erdgas durch eine aktive Vermischung gegenüber dem einfachen Einleiten einer Gaskomponente in die andere bevorzugt. Zur aktiven Vermischung können z. B. die in der Chemieindustrie verwendeten Gasmischer, welche zur Vermischung gasförmiger Reaktanten dienen, eingesetzt werden. Geeignet sind generell Vorrichtungen, die zur Vermischung von Gasen dienen.
Das erfindungsgemäße Gasgemisch wird dann bevorzugt über das vorhandene Erdgasnetz zur Verbrauchsstelle transportiert. Es können aber auch aus dem Netz bestimmte Linien, die zu ausgewählten Verbrauchsstellen führen, dem erfindungsgemäßen Wasserstoff/Erdgasgemisch vorbehalten werden. Dies können Verbrauchstellen, wie z. B. Gaskraftwerke, sein, die in der Einführungsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den im Folgenden beschriebenen Analyse- und Steuerungsgeräten ausgestattet werden.
Bei dem sich verändernden Zusatz von Wasserstoff ist, wie erwähnt, nicht nachzuhalten, an welcher Stelle in der Pipeline welches Gasmischungsverhältnis vorliegt. An der Entnahmestelle muss daher in dem Wasserstoff/Erdgasgemisch zeitnah zur Verbrennung der Wasserstoffgehalt bestimmt werden, um dann im Brenner die Gas- und gegebenenfalls die Luftzufuhr (Verbrennungsluft) stets auf den sich verändernden Wasserstoffgehalt im Gasgemisch abzustimmen.
Die Wasserstoff- oder Methanbestimmung muss hierbei kontinuierlich und nach Möglichkeit im Gasstrom erfolgen, damit stets der Brennvorgang auf die aktuelle Gaszusammensetzung abgestimmt werden kann. Hierbei bietet sich z. B. an, die folgenden physikalischen und chemischen Unterschiede des Wasserstoffes zum Erdgas (Methan) zu nutzen.
Dies ist zum Ersten seine bedeutend niedrigere Gasdichte (1/8 des Erdgases); d. h. durch kontinuierliche Dichte- bzw. Gewichtsbestimmung des Gasgemisches kann der Wasserstoffgehalt laufend bestimmt werden.
Außerdem besitzen leichtere Gase eine bedeutend höhere Fließgeschwindigkeit (Fluidität). Bei dem großen Dichtunterschied zwischen Wasserstoff und Methan kann der Wasserstoffgehalt durch ein „Effusiometer” (die Gasdichte wird bestimmt durch die Zeit, in der eine bestimmte Menge Gas unter einem bestimmten Überdruck durch eine kleine Öffnung austritt) gemessen werden. Die Fluidität der Gasmischung hat auch einen messbaren Einfluss auf den Strömungswiderstand.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Zusammensetzung ergibt sich aus der etwa dreimal größeren Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff im Vergleich zu Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases.
Geeignet ist auch eine Kontinuierliche Messung der Wärmeleitzahl des Gasgemisches. Die Wärmeleitzahl (W/m·K) von Wasserstoff ist etwa mit den Faktor 5 höher als die von Methan.
Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des an der Verbrauchsstelle ankommenden Gasgemisches können aber auch aus der quantitativen Analyse der gasförmigen Verbrennungsprodukte (Brandgase) gezogen werden. Wie die Reaktionsgleichungen auf S.1 zeigen, entsteht z. B. CO2 nur aus Methan und CO2 lasst sich durch seine Infrarot-Absorption nachweisen. Da die Brandgase aber nicht nur die Verbrennungsprodukte von Erdgas und Wasserstoff enthalten, sondern auch den unverbrauchten Sauerstoff sowie den in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoff, muss das dem Brenner zugeführte Methan/Wasserstoffgasgemisch und die zugeführte Luft volumetrisch erfasst werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Wasserstoff bei der Einleitung in das Erdgas einen Botenstoff beizumischen, der in seiner Konzentration niedrig und der Wasserstoffmenge proportional ist, und mit dessen Hilfe die Wasserstoffkonzentration dann an der Verbrauchsstelle z. B. spektroskopisch bestimmt werden kann.
Möglich ist auch die Anwendung von mehreren Analyseverfahren, wie z. B. die Dichtemessung des zugeführten Gasgemisches in Kombination mit der CO2-Bestimmung im Verbrennungsgas.
Das erfindungsgemäße Gasgemisch eignet sich für die meisten Einsatzgebiete von Erdgas, vor Allem aber zur Verbrennung. Als Brennstellen sind besonders zu nennen: Brenner von Heizungs- oder Dampferzeugungsanlagen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen.
Zusammengefasst sind für das erfindungsgemäße Verfahren folgende Teilgeräte erforderlich:

1. Ein Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff aus elektrischer Energie.
2. Ein Gerät zur Vereinigung des Wasserstoffes mit dem Erdgas, vorzugsweise einem Gasmischer.
3. Eine Gasleitung vom Ort der Vermischung zur Verbrauchsstelle, wobei vorzugsweise das bestehende Erdgasnetz verwendet wird.
4. An der Verbrauchsstelle ein Analysegerät zur Bestimmung des aktuellen Wasserstoffgehaltes im Wasserstoff/Erdgasgemisch und
5. ein Gasdosiergerät, das den Brennstoffzusatz zum Brenner der im Analysegerät ermittelten Gaszusammensetzung anpasst, sowie gegebenenfalls
6. ein Regler für die Verbrennungsluft, um dem aktuell zu verbrennenden Gasgemisch die stöchiometrisch richtige Sauerstoffmenge zuzuführen.

Erfindungsgemäß beansprucht wird daher auch eine Gerätekombination, bestehend aus den Gerätekomponenten 1 bis 5, und bei Anlagen mit geregelter Luftzufuhr bestehend aus den Gerätekomponenten 1 bis 6. Zu berücksichtigen ist, dass die einzelnen Geräteteile dieses Gesamtgerätes an geographisch voneinander entfernten Orten eingebaut sein können.
Zusätzlich wird ein Verbrauchszähler beansprucht, bei dem neben der volumetrischen Gasmengenbestimmung (Gaszähler) auch die nach 4. im Ablesezeitraum gemessene Gaszusammensetzung in die Berechnung der gelieferten Leistung (kWh) eingeht.
Bei dem Transport des erfindungsgemäßen Gasgemisches im bestehenden Gasnetz muss beachtet werden, dass an Knotenpunkten, wo zwei Gasströme zusammenkommen, diese vor dem gemeinsamen Weitertransport erneut gemischt werden müssen; es ist nämlich nicht zu erwarten, dass beide Ströme das gleiche Erdgas/Wasserstoff-Mischungsverhältnis haben. Daher muss auch die Menge und Zusammensetzung jedes der beiden Gasströme vor der Vereinigung, wie oben beschrieben, laufend bestimmt und so deren Energieinhalt und damit auch ihr Wert ermittelt werden. Die Wertermittlung ist besonders dann wichtig, wenn die beiden Gasströme von unterschiedlichen Kostenstellen angeliefert werden.
Bei dem Betrieb des Leitungsnetzes mit dem erfindungsgemäßen Gasgemisch ist weiterhin zu beachten, dass mit steigendem Wasserstoffanteil durch den dann abnehmenden Brennwert der Mischung zur Aufrecherhaltung der Leistung das zu transportierende Gasvolumen zunimmt. Dies kann zwar durch die bei niedrigerer Gasdichte erhöhte Fluidität der Gasmischung zum Teil ausgeglichen werden, in jedem Falle ist aber der Druck im Netz so zu steuern, dass eine erhöhte Wasserstoffkonzentration nicht zu einem störenden Druckabfall an der/den betroffenen Verbrauchsstelle(n) führt.
Ein Nachteil der beschriebenen Verfahrensweise sei noch erwähnt: Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff als Sekundärenergieträger tritt nach dem heutigen Stand der Elektrolysetechnik ein Verlust von (noch) ca. 30% auf.
Andererseits bringt mm das Erdgas die erneuerbaren Energien in Form des Wasserstoffes im „Huckepack” zum Verbraucher. Die erneuerbaren Energien, insbesondere die im Küstenbereich ergiebige Windkraft, werden so transportiert und verstetigt. Verstetigen heißt hier: Der Erdgaszusatz zum Wasserstoff gleicht sowohl Bedarfsspitzen beim Verbraucher als auch Produktionsengpässe beim Gewinnen der erneuerbaren Energien aus. Fällt viel Wasserstoff an, so gibt das Erdgas den Raum im Gasnetz dafür frei, fällt wenig Wasserstoff an, so fällt das Erdgas die Lücke aus.
Das beschriebene Verfahren kann über Jahrzehnte hinweg in versiegenden Gasfeldern nach und nach das Erdgas durch den in Windparks gewonnenen Wasserstoff ersetzen. Die Windparks an deutschen Küsten verwandeln sich so in der Zukunft in heimische Gasfelder, in denen gefördert wird, solange er Wind weht.
Und: Die für das Erdgas geschaffene Infrastruktur kann weiterhin benutzt werden. Das schließt die ursprünglich aus politischen Gründen angelegten Erdgasspeicher ein. Sie können am Ende der Erdgasförderung dann Überschussproduktionen von Wasserstoff speichern.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet sich nicht nur in Mitteleuropa an, sondern in allen Regionen der Welt, wo Erdgas in Küstennähe gefördert und ins Landesinnere geleitet wird (z. B. im Golf von Mexiko). Natürlich kann es, wo die strukturellen Voraussetzungen vorliegen, auch zum Transport und zur Verstetigung von Sonnenenergie verwendet werden.
Vor Allem aber wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die an Küsten gewonnene Windenergie durch die erfindungsgemäße Einbindung in den Erdgastransport grundlastfähig.

Claims

Verfahren zur Verstetigung und Transport erneuerbarer Energien, dadurch gekennzeichnet, dass die erneuerbare Energie in der Nähe ihres Entstehungsortes als elektrische Energie durch Elektrolyse in Wasserstoff als Sekundärenergieträger überführt wird, der so erzeugte Wasserstoff einer Erdgaspipeline zugeführt, mit dem Erdgas vermischt und als Gasgemisch zur Verbrauchsstelle transportiert wird, wo dann vor der Verbrennung die aktuelle Gaszusammensetzung ermittelt wird und entsprechend dem Verhältnis Erdgas/Wasserstoff die Gasdosierung sowie gegebenenfalls auch die Luftdosierung zur Brennstelle so gesteuert wird, dass bei wechselnder Gaszusammensetzung eine kontrollierte Brennerfunktion oder konstante Brennerleistung gesichert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels eines Gasmischers dem Erdgas zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des erfindungsgemäßen Gasgemisches das bestehende Gasnetz oder Teile des bestehenden Gasnetzes, vorzugsweise bestimmte Gasleitungen, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszusammensetzung an der Verbrauchsstelle durch Dichtemessung des Gasgemisches oder durch Messung der Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch oder durch Messung der Wärmeleitzahl des Gasgemisches oder durch Messung der Fluidität des Gasgemisches ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszusammensetzung an der Verbrauchsstelle ermittelt wird, indem die gasförmigen Verbrennungsprodukte, vorzugsweise das Kohlendioxid, anteilmäßig quantitativ bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an Knotenpunkten des Gasnetzes beim Zusammenfluss von zwei erfindungsgemäßen Gasmischungen diese vor dem gemeinsamen Weiterfluss vermischt werden und die Zusammensetzung der zufließenden Gasmischungen gemäß Anspruch 4 getrennt ermittelt und aufgezeichnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstelle ein Gasmotor oder eine Gasturbine oder der Brenner einer Heizungs- oder Dampferzeugungsanlage ist.
Gerät zur Verstetigung und zum Transport erneuerbarer Energien, dadurch gekennzeichnet, dass die erneuerbare Energie – als elektrische Energie vorliegend – in einem Elektrolysegerät als erstem Geräteteil in Wasserstoff umgewandelt wird, der Wasserstoff in einem Gasmischer als zweitem Geräteteil mit Erdgas vermischt wird, das Gasgemisch in einer Erdgasleitung oder im Erdgasnetz als drittem Geräteteil zur Verbrauchsstelle transportiert wird, wo im Gasgemisch vor der Verbrennung durch den vierten Geräteteil vorzugsweise gemäß Anspruch 4 und 5 der Anteil von Wasserstoff bestimmt wird und in einem fünften Geräteteil das Gasgemisch entsprechend dem im vierten Geräteteil bestimmten Wasserstoffanteil der Brennstelle so zudosiert wird, dass bei wechselnder Gaszusammensetzung eine kontrollierte Brennerfunktion erzielt wird und ferner, bei Anlagen mit geregelter Luftzuführung, der sechste Geräteteil die Luftmenge entsprechend der im vierten Geräteteil ermittelten Gaszusammensetzung der Brennstelle zudosiert.
Gerät zur Verstetigung und zum Transport erneuerbarer Energien, dadurch gekennzeichnet dass der Gasverbrauchszähler aus dem verbrauchten Gasvolumen und der gemäß Anspruch 8. durch die im vierten Geräteteil ermittelte Gaszusammensetzung den mittleren Energieinhalt der in der Ableseperiode verbrauchten Gasmischung errechnet.
Gerät zum Transport und zur Verstetigung erneuerbarer Energien nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an Knotenpunkten im Gasnetz beim Zusammenfluss zweier Gasströme oder beim Wechsel von einem Gasstrom zum anderen beide Gasströme bezüglich Volumen und Zusammensetzung gemessen werden.