DE102010024465A1 - Verfahren zur Nutzung überschüssiger elektrischer Energie und Anlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Nutzung überschüssiger elektrischer Energie, wobei mithilfe der elektrischen Energie ein Gas verflüssigt wird, wobei das flüssige Gas zwischengespeichert wird, und wobei mithilfe einer Verdampfung des flüssigen Gases ein Medium eines Prozesses gekühlt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung überschüssiger elektrischer Energie gemäß Patentanspruch 1 und eine Anlage zum Abtrennen eines Gases aus einem Mischgas gemäß Patentanspruch 8.
  • Die elektrische Leistung, die von einem Stromnetz bereitgestellt werden kann, ist beispielsweise durch die Verwendung regenerativer Energiequellen, wie z. B. Windkraft oder Photovoltaikanlagen, zeitlichen Schwankungen unterworfen. Die zeitlichen Schwankungen können durch eine Speicherung der elektrischen Energie ausgeglichen werden. Energiespeicher zur Speicherung von überschüssiger Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie z. B. Schwungräder, Druckluftspeicher, elektrochemische Energiespeicher, oder elektrolytische Wasserstofferzeugung. Zudem werden beispielsweise bei kohlebefeuerten Kraftwerken Prozesse durchgeführt, die einen hohen Energieverbrauch aufweisen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Ausnutzen überschüssiger elektrischer Energie und eine verbesserte Anlage zur Ausnutzung überschüssiger elektrischer Energie bereitzustellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Anlage gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 weist den Vorteil auf, dass überschüssige elektrische Energie in Form eines gespeicherten flüssigen Gases gespeichert wird und als Kühlmittel für einen Prozess eines Kraftwerkes verwendet wird. Auf diese Weise wird ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes erreicht.
  • Die erfindungsgemäße Anlage weist den Vorteil auf, dass eine Kälteanlage mit einem Wärmetauscher vorgesehen ist, der mit Hilfe eines flüssigen Gases zur Abkühlung eines Mediums gekühlt werden kann. Auf diese Weise ist eine effiziente Ausnutzung der Kälteenergie des flüssigen Gases möglich.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird als Gas Sauerstoff verwendet, wobei der Sauerstoff aus der Luft extrahiert wird. Die Verwendung von flüssigem Sauerstoff zur Speicherung von Energie bietet einen hohen Wirkungsgrad.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das flüssige Gas zur Kühlung des Prozesses des Kraftwerks verdampft, wobei die Verdampfungskälte den Prozess des Kraftwerks abkühlt. Somit ist eine einfache und sichere Umsetzung der in dem flüssigen Gas gespeicherten Kälteenergie möglich.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird eine Abtrennung eines Prozessgases abgekühlt. Die Abtrennung eines Prozessgases, wie z. B. das Abtrennen von Kohlendioxid, erfordert eine große Energiemenge und eignet sich deshalb besonders zur Ausnutzung überschüssiger elektrischer Energie.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein Waschmedium mit Hilfe des flüssigen Gases gekühlt, wobei das Waschmedium verwendet wird, um das Prozessgas abzutrennen. Als Waschmedium kann beispielsweise Methanol verwendet werden.
  • Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für die Absorption von Kohlendioxid aus einer Gasmischung, beispielsweise bei einer physikalischen Sauergaswäsche.
  • Eine weitere Verbesserung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass ein Wärmetauscher verwendet wird, um die Verdampfungskälte des flüssigen Gases auf ein Medium des Prozesses zu übertragen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Anlage ist eine Luftzerlegungsanlage vorgesehen, die elektrisch betrieben wird und flüssigen Sauerstoff herstellt. Zudem ist ein Speicher vorgesehen, der den flüssigen Sauerstoff zwischenspeichert. Weiterhin ist der Speicher mit einem Wärmetauscher verbunden, um durch die Verdampfungskälte des flüssigen Sauerstoffs den Wärmetauscher und damit ein Medium des Prozesses der Anlage zum Trennen eines Gases zu kühlen. Beispielsweise kann Kohlendioxid mit Hilfe eines Waschmediums wie z. B. Methanol aus einem Mischgas absorbiert werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Programmablauf zur Durchführung des Verfahrens; und
  • 2 einen schematischen Aufbau einer Anlage zum Abtrennen eines Gases aus einem Mischgas.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei Programmschritt 100 wird mit Hilfe überschüssiger elektrischer Energie ein Gas verflüssigt. Dabei kann beispielsweise Sauerstoff mit Hilfe einer Luftzerlegungsanlage verflüssigt werden. Anstelle von Sauerstoff können jedoch auch andere Arten von Gasen verflüssigt werden. Bei einem folgenden Programmpunkt 105 wird das flüssige Gas in einem thermisch isolierten Speicher zwischengespeichert. Bei einem folgenden Programmpunkt 110 wird Kälteleistung bei einem Prozess eines Kraftwerkes benötigt. Die Kälteleistung wird mit Hilfe der Verdampfungskälte des flüssigen Gases bereitgestellt.
  • Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise bei Grundlastkraftwerken wie z. B. kohlebefeuerten Kraftwerken eingesetzt werden. Bei Grundlastkraftwerken ist die abgegebene elektrische Leistung zeitlich annähernd konstant. Dies hat zur Folge, dass in bestimmten Zeiten, wie z. B. in der Nacht ein Überangebot an elektrischer Energie vorliegt. Fossil befeuerte Kraftwerke beeinflussen durch ihren CO2-Ausstoß das Klima negativ. Deshalb ist es wünschenswert, das Kohlendioxid nicht entweichen zu lassen, sondern abzutrennen und anderweitig zu verwenden.
  • Die Abtrennung des Kohlendioxids erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand. Zur Abtrennung des Kohlendioxids kann beispielsweise eine tiefgekühlte Waschflüssigkeit verwendet werden. Als Waschflüssigkeit kann Methanol verwendet werden, das auf eine Temperatur von typischerweise –40°C abgekühlt wird. Da die tiefgekühlte Waschflüssigkeit eine hohe Kontaktfläche zum zu reinigenden Gasstrom haben sollte, muss ein erheblicher Energieaufwand für die Kühlung des Methanols bereitgestellt werden. Zudem entsteht bei der absorptiven Reinigung Wärme, die den energetischen Aufwand für die Kühlung erhöht. Aus diesen Gründen fällt ein großer Anteil der zusätzlich aufzubringenden Energie zur Entfernung von Kohlendioxid auf die Kühlung der Waschlösung.
  • Die Kühlung der Waschlösung kann somit vorteilhaft durch den flüssigen Sauerstoff erreicht werden. Der flüssige Sauerstoff wird in dem Speicher in der Nähe des Siedepunkts bei –183°C und Umgebungsdruck gespeichert. Der flüssige Sauerstoff wird mit Hilfe des Wärmetauschers dazu verwendet, die Waschflüssigkeit durch die Verdampfungskälte zu kühlen. Die Speicherung des flüssigen Sauerstoffs bei tiefen Temperaturen ermöglicht eine hohe Energiedichte, da zur Speicherung signifikanter Mengen relativ kleine Volumina ausreichend sind. In vorteilhafter Weise kann der flüssige Sauerstoff von einer Luftzerlegungsanlage verwendet werden, die in vielen Kraftwerken ohnehin vorhanden ist. Somit ist kein Mehraufwand für das Abkühlen des Sauerstoffs erforderlich.
  • Die Verwendung des flüssigen Sauerstoffs weist zudem den Vorteil auf, dass die Gewinnung der Kälteenergie schnell und einfach mit Hilfe des Wärmetauschers erfolgen kann.
  • Das beschriebene Verfahren weist den Vorteil auf, dass überschüssige elektrische Energie für die Erzeugung von Sauerstoff, insbesondere flüssigem Sauerstoff, verwendet wird. Der Sauerstoff kann hochrein oder verunreinigt sein. Jedenfalls sollte der Sauerstoffgehalt größer sein als in atmosphärischer Luft. Die Nutzung der Verdampfungskälte des flüssigen Sauerstoffs wird zur Entlastung oder anstelle einer elektrisch betriebenen Kälteanlage benutzt. Zudem kann der flüssige Sauerstoff oder der verdampfte gasförmige Sauerstoff stofflich wenigstens teilweise für den weiteren Prozess des Kraftwerks verwendet werden.
  • Abhängig von der verwendeten Luftzerlegungsanlage kann elektrische Leistung von bis zu 20% der elektrischen Leistung des Kraftwerkes in Form von flüssigem Sauerstoff gespeichert werden.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftwerk 5, das elektrische Energie erzeugt und über ein Stromnetz 9 abgibt. Weiterhin ist eine Luftzerlegungsanlage 6 vorgesehen, mit der aus Luft flüssiger Sauerstoff erzeugt werden kann. Der flüssige Sauerstoff wird über eine Rohrleitung 10 in einem thermischen Speicher 7 zwischengelagert. Die zum Betrieb der Luftzerlegungsanlage 6 erforderliche Energiemenge kann über eine elektrische Versorgungsleitung 12 direkt von der Ausgangsleistung des Kraftwerks abgezogen werden. Dabei kann in Zeiten, in denen die Nachfrage nach elektrischer Leistung gering ist, die überschüssige elektrische Leistung zur Erzeugung von flüssigem Sauerstoff verwendet werden. Der flüssige Sauerstoff stellt einen Energieträger dar. Zudem kann eine dritte Rohrleitung 8 vorgesehen sein, über die die von der Luftzerlegungsanlage 6 erzeugten Fluide dem Kraftwerk 5 zugeführt werden.
  • In Spitzenlastzeiten wird bevorzugt der Betrieb der Luftzerlegungsanlage 6 gedrosselt bzw. ganz abgeschaltet. Der flüssige Sauerstoff wird von dem Speicher 7 über eine zweite Rohrleitung 11 zu einem Wärmetauscher 12 geführt. Am Wärmetauscher 12 verdampft der flüssige Sauerstoff und gibt über den Wärmetauscher 12 an ein Medium 13, das am Wärmetauscher 12 vorbei streicht, Verdampfungskälte ab. Auf diese Weise wird das Medium 13 abgekühlt. Typische Temperaturen liegen bei –40°C. Als Medium 13 kann beispielsweise Methanol verwendet werden. Das Methanol wird im Kraftwerk 5 beispielsweise dazu verwendet, um als Waschlösung Kohlendioxid aus einem Mischgas zu trennen. Das Medium 13 wird in einer physikalischen Sauergaswäsche eingesetzt, die Methanol als organisches Lösungsmittel bei tiefen Temperaturen verwendet. Mit der Sauergaswäsche kann ein Mischgas (Synthesegas) bis auf einen Restgehalt von 0,1 ppm Gesamtschwefel (H2S + COS) und CO2 in ppm Größenordnung gereinigt werden. Das Verfahren eignet sich zur Reinigung von Wasserstoff, Ammoniak-Synthesegas, Methanol-Synthesegas und zur Produktion von CO und Oxogasen.
  • Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der nach dem Verdampfen gasförmig vorliegende Sauerstoff stofflich für weitere Prozesse im Kraftwerk verwendet werden.
  • Der flüssige Sauerstoff kann auch zur Kühlung anderer Arten von Medien des Kraftwerks verwendet werden. Insbesondere kann beispielsweise Kohlendioxidgas abgekühlt werden, um die in einem flüssigen Kohlendioxid enthaltenen Verunreinigungen durch Strippen mit in einem Gegenstrom geführtem gasförmigem Kohlendioxid zu entfernen. Somit ist eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für die Ausnutzung der im flüssigen Gas, insbesondere im flüssigen Sauerstoff, gespeicherten Energie denkbar.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Nutzung überschüssiger elektrischer Energie, wobei mithilfe der elektrischen Energie ein Gas verflüssigt wird, wobei das flüssige Gas zwischengespeichert wird, und wobei mithilfe einer Verdampfung des flüssigen Gases ein Medium eines Prozesses eines Kraftwerkes gekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Gas Sauerstoff verwendet wird, und der Sauerstoff aus Umgebungsluft extrahiert wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das flüssige Gas zur Kühlung eines Mediums des Prozesses verdampft wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Prozess eine Abtrennung eines Prozessgases verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Waschmedium mithilfe des flüssigen Gases gekühlt wird, wobei das Waschmedium verwendet wird, um das Prozessgas aus einem Gasgemisch abzutrennen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei als Prozess eine Sauergaswäsche durchgeführt wird, bei dem Kohlendioxid aus einer Gasmischung absorbiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Kühlung ein Wärmetauscher verwendet wird, über den das flüssige Gas strömt und den Wärmetauscher abkühlt, wobei der Wärmetauscher zum Kühlen des Mediums des Prozesses verwendet wird.
  8. Anlage (5) zum Abtrennen eines Gases aus einem Mischgas, wobei eine Kälteanlage vorgesehen ist, um ein Medium (13) des Prozesses abzukühlen, wobei die Kälteanlage einen Wärmetauscher (14) aufweist, über den flüssiges Gas zu Abkühlung des Mediums (13) geführt werden kann.
  9. Anlage nach Anspruch 8, wobei das Medium ein Waschmedium (13) zum Abtrennen eines Gases aus einem Gasgemisch darstellt, wobei als Gas Kohlendioxid abgetrennt wird.
  10. Anlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei eine Luftzerlegungsanlage (6) vorgesehen ist, wobei die Luftzerlegungsanlage (6) elektrisch betrieben wird, wobei die Luftzerlegungsanlage (6) flüssigen Sauerstoff herstellt, wobei ein Speicher (7) zum Speichern des flüssigen Sauerstoffes vorgesehen ist, und wobei der Speicher (7) mit dem Wärmetauscher (14) verbunden ist, um den flüssigen Sauerstoff zum Kühlen des Wärmetauschers (14) bereitzustellen.
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