DE102011017491A1

DE102011017491A1 - Wasseraufbereitung für Wasserelektrolyse

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Publication number: DE102011017491A1
Application number: DE102011017491A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2012142996A2; DE112012001785A5; WO2012142996A3

Abstract

Die Wasserelektrolyse dient heute hauptsächlich der Herstellung von reinem Wasserstoff. In Zukunft wird jedoch durch Wasserelektrolyse hergestellter Wasserstoff als Sekundärenergieträger für erneuerbare Energien eine steigende Bedeutung erlangen. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Wasserelektrolyse möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Nach dem heutigen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei ca. 80% Wasserstoffausbeute. 20% der elektrischen Energie gehen als Wärmeenergie verloren. Hinzu kommt, dass für einen störungsfreien Betrieb fortlaufend salzfreies, bzw. destilliertes Wasser zugegeben werden muss, das aus Süßwasser mittels Ionenaustauscher aufbereitet wird. Will man in „off shore” Windparks die elektrische Energie direkt in Wasserstoff verwandeln so muss, will man nicht Süßwasser herbeischaffen, Meerwasser entsalzt werden. Gleiches gilt für Solarkraftwerke in Wüstegegenden, welche sich in Küstennähe befinden. Es wurde nun festgestellt, dass zur elektrolytischen Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 4,4–4,6 KW. benötigt werden, wovon 0,8 bis 0,9 KW als Wärmeenergie durch Kühlung des Elektrolysegerätes abgeführt werden muss. Andererseits muss für die Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 0.8 l (802 g) aufbereitetes (destilliertes) Wasser in das Elektrolysegerät eingeleitet werden, für dessen Erwärmung und Destillation 0,8 bis 0,9 KW „Abfallwärme” ausreichen dürften. Durch die Zusammenfassung von Elektrolyse und Wasseraufbereitung bietet es sieh an, die Wasserelektrolyse in räumliche Nähe zur Gewinnung von Wind- oder Solarstrom zu bringen, welcher dann direkt als Gleichstrom mit der zum Elektrolysegerät passenden Spannung hergestellt werden kann. Das bedeutet eine wesentliche Vereinfachung der Gesamtanlage, sowohl bei der Elektrolyse, als auch bei Gewinnung und Transport von Wind- oder Solarstrom.

Description

Die Wasserelektrolyse dient heute hauptsächlich der Herstellung von reinem Wasserstoff. In Zukunft wird jedoch durch Wasserelektrolyse hergestellter Wasserstoff als Sekundärenergieträger für erneuerbare Energien eine steigende Bedeutung erlangen.
Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Wasserelektrolyse möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Nach dem heutigen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei ca. 80% Wasserstoffausbeute. 20% der elektrischen Energie gehen als Wärmeenergie verloren. Hinzu kommt, dass für einen störungsfreien Betrieb fortlaufend salzfreies, bzw. destilliertes Wasser zugegeben werden muss, das aus Süßwasser mittels Ionenaustauscher aufbereitet wird.
Will man in „off shore” Windparks die elektrische Energie direkt in Wasserstoff verwandeln so muss, will man nicht Süßwasser herbeischaffen, Meerwasser entsalzt werden. Gleiches gilt für Solarkraftwerke in Wüstegegenden, welche sich in Küstennähe befinden.
Es wurde nun festgestellt, dass zur elektrolytischen Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 4,4–4,6 KW. benötigt werden, wovon 0,8 bis 0,9 KW als Wärmeenergie durch Kühlung des Elektrolysegerätes abgeführt werden muss. Andererseits muss für die Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 0.8 l (802 g) aufbereitetes (destilliertes) Wasser in das Elektrolysegerät eingeleitet werden, für dessen Erwärmung und Destillation 0,8 bis 0,9 KW „Abfallwärme” ausreichen dürften.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird.
Nach diesem Verfahren wird es möglich, z. B. in einem „off shore” Windpark die Herstellung von Windstrom direkt mit der Elektrolyse zu koppeln und dabei Meerwasser zu verwenden. Da die elektrische Energie dann nicht mehr transportiert werden muss, kann man direkt am Windrad Gleichstrom niedriger Spannung gewinnen und ihn vor Ort durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Elektrische Energie muss dann nicht mehr umgespannt, gleichgerichtet, als hochgespannter Gleichstrom in Unterwasserkabeln transportiert und dann wechselgerichtet und erneut umgespannt zu werden. Stattdessen wird die Energie am Windrad in Wasserstoff umgewandelt und dieser wird als Energiegas in Gasleitungen zur Sammelstelle und dann zum Verbraucher geleitet.
Gleiches gilt bei Anlagen für Solarstrom, wobei in Photovoltaik-Anlagen der dort zwangsläufig entstehende Gleichstrom direkt dem Elektrolysegerät zugeleitet werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit weiterhin die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zur Destillation von Meer- und Brackwasser verwendet wird.
Koppelt man die Wasserkühlung eines Elektrolysegerätes derart mit einer Vorrichtung zur Verdampfung von Wasser, dass das bei der Kühlung erwärmte Wasser verdampft und der Wasserdampf kondensiert wird, so erhält man direkt das Speisewasser für die Elektrolyse.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass das bei er Kühlung des Elektrolysegerätes erwärmte Kühlwasser verdampft, dann kondensiert und als Speisewasser zur Elektrolyse verwendet wird, wobei vorzugsweise Meer- oder Brackwasser erfindungsgemäß als Kühlwasser verwendet werden.
Die Verwendung von Meerwasser als Kühl- und Speisewasser (destilliertes Wasser) für das Elektrolysegerät erlaubt den Aufbau des Elektrolysegerätes z. B. direkt in einem „off shore” Windpark. Da hierbei jedem Windrad ein eigenes Elektrolysegerät mit erfindungsgemäßer Wasseraufbereitung in unmittelbarer Nähe zur Verfügung steht, kann vom Windrad direkt niedrig gespannter Gleichstrom, geeignet für die Wasserelektrolyse, bereitgestellt werden. Diese Technik kann sinngemäß auch auf die Nutzung elektrischer Energie aus Solaranlagen übertragen werden. Das Umspannen, Gleich- und Wechselrichten, wie es bei Transport und Nutzung erneuerbarer Energien sonst meist notwendig ist, entfällt. Stattdessen wird Wasserstoff „in situ” als erneuerbare Energie gewonnen und wird wie andere Brenngase (z. B. Erdgas) transportiert und gespeichert. Wichtig ist hierbei nur, dass die elektrische Energie (Gleichstrom, niedrige Spannung, hohe Stromdichte) nur über eine kurze Strecke zum Elektrolysegerät transportiert werden muss.
Somit liegt der eigentliche Vorteil dieser recht einfachen Technik der Wassersaufbereitung in der Möglichkeit der dezentralen Erzeugung des Wasserstoffes unmittelbar neben der Quelle der erneuerbaren elektrischen Energie. Augenfällig wird der Vorteil dieses Verfahrens, wenn man den Bedarf an destilliertem Wasser bei der Wasserelektrolyse in der hier zu berücksichtigenden Größenordnung betrachtet. Wie bereits erwähnt, benötigt man für 1 Nm3 Wasserstoff 802 g oder 0,8 l Wasser. In einer fiktiven Gegenüberstellung soll nun der Erdgasbedarf in Deutschland mit Ca. 100 Mrd. cbm/Jahr durch Wasserstoff ersetzt werden. Zu berücksichtigen ist dabei noch, dass Erdgas den annähernd dreifachen Energieinhalt von Wasserstoff hat. Die Rechnung lautet also: 0.8 × 100 Mrd. × 3 = 240 Mrd.
D. h., um eine Wasserstoffmenge, die dem deutschen Erdgasbedarf entspräche, durch Wasserelektrolyse herzustellen, benötigt man 240 Mrd. Liter destilliertes Wasser. Überträgt man diese Rechnung auf Erdgas-Förderländer wie Qatar oder Algier, wo wegen der dort verfügbaren Sonnenenergie eines Tages Wasserstoff das Erdgas ersetzen könnte und wo als Speisewasser für die Elektrolyse nur Meerwasser zur Verfügung steht, so wird die Bedeutung des vorliegenden Verfahrens für die Substitution fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien deutlich.
Eine derartige Menge an destilliertem Wasser auf anderem Wege in Wüstengegenden bereitzustellen würde die Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien dort in Frage stellen. Als Alternative zum Sekundärenergieträger Wasserstoff die elektrischer Energie z. B. vom persischen Golf zu den Verbrauchern in Europa und Fernost zu transportieren ist ebenfalls wenig erfolgversprechend.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ferner ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärme zum Verdampfen von Wasser benutzt wird, aus dem Wasserdampf nach Kondensation destilliertes Wasser als Speisewasser für ein Elektrolysegerät gewonnen wird und sowohl die Wasseraufbereitung als auch die Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage verbunden wird, wobei vorzugsweise Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit auf das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird.
In vielen handelsüblichen Geräten für Wasserelektrolyse läuft die Zerlegung des Wassers bei normalem oder geringem Überdruck und 70°C bis 90°C ab. Diese Temperatur entspräche dann auch der Kühlwassertemperatur des Elektrolysegerätes. Der Dampfdruck des Wassers liegt dann bei 308 bis 698 mbar. Bei diesen Bedingungen könnte man das Kühlwasser z. B. durch Erniedrigen des Druckes zum Sieden (Vakuumdestillation) und durch Kühlen des Wasserdampfes das (destillierte) Wasser zur Kondensation bringen. Bei der technischen Durchführung kann man sich der üblichen Entspannungsverdampfungsanlagen bedienen. Hierbei muss das destillierte Wasser, das als Speisewasser der Elektrolyse dient und vom Kühlwasser abgezweigt wird, laufend durch frisches Wasser (z. B. Meerwasser) von außen ersetzt werden. Darüber hinaus muss bei der Verwendung von Meerwasser oder stark mineralhaltigen Wässern als Kühlwasser stets ein Teil des Kühlwassers ausgetauscht werden, um eine Übersalzung und Kristallisation der Kühlflüssigkeit zu vermeiden. So ausgestattet kann ein Gespann aus Solaranlage oder Windrad und Elektrolysegerät mit integrierter Meerwasserentsalzung längere Zeit wartungsfrei arbeiten.
Mit der eingangs überschlägig berechneten Wärmeenergie, wie sie bei der Wasserelektrolyse frei wird, kann durch ausgefeilte Entsalzungstechniken auch ein Überschuss an entsalztem Wasser hergestellt werden, welcher z. B. für die Landwirtschaft verwendet werden kann. Dies setzt allerdings die Verwendung von Großanlagen wie z. B. eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage voraus, was möglicherweise eine zentrale Wasseraufbereitung erfordert. Dies bedeutet aber, dass entweder Elektrolyse und Wasseraufbereitung oder Elektrolyse und Stromerzeugung voneinander getrennt werden müssen. Im ersten Fall muss das erwärmte Wasser, im zweiten Fall die elektrische Energie (Gleichstrom niedriger Spannung!) über eine größere Strecke geleitet werden. Beides wäre mit Energieverlusten und einem erhöhten technischen Aufwand verbunden.
Bei der Qualität des Speisewassers ist streng darauf zu achten, dass für einen störungsfreien Dauerbetrieb bei der Elektrolyse nur voll entsalztes oder destilliertes Wasser, das rückstandsfrei zerlegt werden kann, verwendet werden darf.
Bei einem Wasserdampfdruck von 300 bis 700 mbar ist es auch möglich, das erwärmte Kühlwasser über eine Verdunstungsfläche zu leiten und dieser eine gekühlte Fläche zur Kondensation des Wasserdampfes gegenüberzustellen. In der Praxis sind dies zwei aufrecht stehende konzentrisch angeordnete Rohre. An der Innenwand des äußeren Rohres läuft das erwärmte Kühlwasser herab. Der dabei sich bildende Wasserdampf kondensiert auf der Außenwand des inneren Rohren, welches von einem Kühlmedium durchflossen ist.
Bei Anlagen zur Wasserelektrolyse, welche bei höheren Temperaturen arbeiten, müssen gegebenenfalls Wärmetauscher eingesetzt werden, um die Wärmeenergie auf die Anlage zur Wasseraufbereitung zu übertragen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der sonst bei der Wasserelektrolyse üblichen Wasseraufbereitung mit Ionenaustauschern kommt besonders bei der Entsalzung von Meer- oder Brackwasser zur Geltung. Bei der Verwendung von Ionenaustauschern wäre beim Durchlauf von Meerwasser die Kapazität mit durchschnittlich 33 g Salz pro Liter Meerwasser sehr schnell erschöpft.
Aber auch bei Verwendung von Süßwasser mit ca. 1,5 g Mineralien pro Liter Wasser muss der Ionenaustauscher regelmäßig regeneriert werden Dies entfällt bei dem vorliegenden Verfahren zur Wasseraufbereitung, sodass sich auch bei landseitigen Windkraftanlagen, die meist abgelegen in der Landschaft stehen und die selbst weitgehend wartungsfrei sind (ebenso wie das Elektrolysegerät), der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens lohnt.
Der dezentral aus erneuerbaren Energien hergestellte Wasserstoff wird zu einer Sammelstelle geleitet und kann dann als Energieträger wie Erdgas transportiert und gespeichert werden. Es ist auch möglich, den Wasserstoff als ebenfalls brennbares Gas in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte oder ein Erdgaslager einzuleiten und zusammen mit dem Erdgas zu transportieren oder zu speichern. Reichlich Sonnenergie in der Nähe von Erdgasleitungen und Erdgaslagerstätten z. B. in Nordafrika und am persischen Golf laden dazu ein, dort das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und das Erdgas als Träger für den Wasserstoff zu benutzen.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Meer- oder Brackwasser entsalzt wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Kühlung des Elektrolysegerätes verwendete Wasser durch die Erwärmung verdampft und dann wieder kondensiert wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse mit der Wasseraufbereitung gekoppelt wird, indem der verdampfte und wieder kondensierte Anteil des Kühlwassers als Speisewasser für die Elektrolyse verwendet wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasseraufbereitung und Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage derart verbunden sind, dass Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit für das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser nach Erwärmen und nach Eindampfen wieder zum Kühler des Elektrolysegerätes zurückgeführt wird und dieser Vorgang mehrmals wiederholt wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasseraufbereitung eine Entspannungsverdampfungsanlage verwendet wird.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff, welcher an mehreren Elektrolysegeräten gewonnen wird, zu einer Sammelstelle geleitet wird und von dort zu den Bedarfsstellen.
Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte eingeleitet wird und zusammen mit dem Erdgas transportiert oder gespeichert wird.