DE102012013076A1

DE102012013076A1 - Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102012013076A1
Application number: DE201210013076
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Rerum Cognitio Produktrealisierungs GmbH
Current assignee: Rerum Cognitio Produktrealisierungs GmbH
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren, welches in einem stofflich geschlossenen Prozessverlauf bei guter Effizienz überschüssigen Strom in chemische Energie wandeln, speichern und bei Bedarf wieder rückverstromen kann. Eine derartige Lösung wird im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen unter anderem hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten der Ausgleich zwischen Energieaufkommen und Strombedarf. Überschüssigen Strom zur Elektrolyse von Wasser zu nutzen, um speicherfähigen Wasserstoff zu erhalten, entspricht dem Stand der Technik. Bei Bedarf diesen wiederum kurzfristig in Strom zu wandeln, wäre mittels Brennstoffzelle oder GUD- bzw. Dampfkraftwerke möglich. Brennstoffzellen für große Leistungseinheiten sind noch nicht Marktreif und aus den thermischen Kraftwerken lässt sich der Wasserdampf aus dem Abgas nicht wirtschaftlich zurück gewinnen, wodurch ein hoher Wasserverbrauch entsteht. Mit der Kombination Elektrolyse und WDK-Prozess bleibt der Gesamtprozess effizient und stofflich geschlossen, da das Fluid Wasser als Arbeitsmittel über beste thermodynamische und umweltverträgliche Eigenschaften verfügt, als Kühlmittel durch Oberflächenverdampfung direkten Schutz gegen hohe Temperaturen bietet und als Speichermittel mittels Redoxreaktion verbrennbaren Wasserstoff und Sauerstoff liefert, was wiederum die Rückverstromung ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren, welches in einem stofflich geschlossenen Prozessverlauf bei guter Effizienz überschüssigen Strom in chemische Energie wandeln, speichern und bei Bedarf wieder rückverstromen kann. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermie und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten der Ausgleich zwischen Energieaufkommen und Strombedarf. Überschüssigen Strom zur Elektrolyse von Wasser zu nutzen, um speicherfähigen Wasserstoff zu erhalten, entspricht dem Stand der Technik (Assuan Staudamm, 156 MW_elektrisch, 33.000 Nm³ H₂/h). Bei Bedarf diesen wiederum kurzfristig in Strom zu wandeln, wäre mittels Brennstoffzelle oder GUD-Kraftwerken möglich, hat sich aber bisher aus wirtschaftlichen Gründen kaum durchsetzen können. Brennstoffzellen für große Leistungseinheiten sind noch nicht Marktreif und aus GUD-Kraftwerken lässt sich der Wasserdampf aus dem Abgas nicht wirtschaftlich zurück gewinnen, wodurch ein hoher Wasserverbrauch entsteht. Dampfkraftprozesse drücken aufgrund des niedrigeren Wirkungsgrades zu sehr die Gesamteffizienz, weshalb sich diese Kombination nicht lohnt.
Besser wäre es, wenn der Prozessverlauf Elektrolyse, Speicherung und Wiederverstromung ohne Wasserverluste auskäme. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass die Nachteile nicht mehr bestehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 8 gelöst. In einer Elektrolyseanlage nach dem Stand der Technik, egal ob alkalische Elektrolyse AEL oder Protonen-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse PEMEL, wird überschüssiger Strom zur Redoxreaktion von Wasser aus einem Kondensatspeichergefäß genutzt, um Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Nach der separaten Verdichtung beider Gase folgt die Zwischenspeicherung in speziellen Druckbehältern. Besteht Strombedarf, werden Wasserstoff und Sauerstoff aus den Speichern direkt und druckangepasst in einem geschlossenen Gasturbinenprozess verbrannt, indem Wasserdampf als Arbeitsfluid zirkuliert. Im sogenannten Wasser-Dampf-Kombi-Prozess (WDK-Prozess) vermischen sich bei innerer Verbrennung das Abgas Wasserdampf mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf, um anschließend in der gekühlten Heißdampfturbine bis in den Unterdruckbereich entspannt zu werden. Der Abgasanteil und das notwendige Kondensat, welches Kühlungsaufgaben durch Oberflächenverdampfung übernimmt, wird im Kondensator verflüssigt und von der Kondensatpumpe auf ein erforderliches Druckniveau gebracht. Nach der Abtrennung des Abgasanteils vom Kondensat gelangt es zur Zwischenspeicherung in das Kondensatspeichergefäß. Dort wird es solange gesammelt, bis Stromüberschuss den Elektrolyseprozess aktiviert und die Wasserstoff- und Sauerstoffgewinnung von Neuem beginnt. Da die Temperatur des Kondensats aufgrund der Unterdruckentspannung sehr niedrig ist ca. 30°C, verbessert sich die Gesamteffizienz, wenn das Kondensat mit der optimalen Temperatur vorgewärmt in die Elektrolyseanlage eingespeist wird. Um den Speicheraufwand in Grenzen zu halten, sind hohe Gasdrücke bis 700bar sinnvoll. Sowohl aus der Elektrolyse kommend als auch nach der Verdichtung müssen beide Gase gekühlt werden, damit das jeweilige Gasvolumen aus Effizienzgründen klein bleibt. Die abzuführende Wärme nutzt ein regeneratives Zirkulationssystem, um das Einspeisekondensat für die Elektrolyse vorzuwärmen.
Um zu vermeiden, dass sich unverbrannter Wasserstoff in der Gasturbinenanlage ansammelt, wird die Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss betrieben. Sauerstoffanteile fallen im Kondensator an, da er bei diesen Temperaturen nicht mit kondensiert. Von dort wird er abgesaugt, aufbereitet und druckangepasst der Verbrennung wieder zugeführt. Der Sauerstoff < 1% im nichtkondensierenden Arbeitsfluidanteil passiert als Gemisch den Verdichter und steht im Erhitzer wieder zur Oxidation zur Verfügung. Insgesamt werden die Sauerstoffanteile überwacht und regelungstechnisch beeinflusst.
Mit der Kombination Elektrolyse, Speicherung und WDK-Prozess bleibt der Gesamtprozess stofflich geschlossen, womit die Aufgabenstellung gelöst ist. Somit steht bspw. für thermische Solaranlagen in heißen wasserarmen Gegenden eine technische Lösung zur Verfügung, die vergleichsweise mit wenigen Baukomponenten auskommt, dabei eine gute Effizienz erreicht und jegliche Verbesserung der Einzelprozesse für die Erhöhung der Gesamteffizienz nutzen kann. Das Fluid Wasser, das als Arbeitsmittel über beste thermodynamische und umweltverträgliche Eigenschaften verfügt, als Kühlmittel durch Oberflächenverdampfung direkten Schutz gegen hohe Temperaturen bietet und als Speichermittel mittels Redoxreaktion verbrennbaren Wasserstoff und Sauerstoff liefert, was wiederum die Rückverstromung ermöglicht.
1 ein schematisches Blockschaltbild des Verfahrens zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess
Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseprozess
2: Speicherprozess
3: WDK-Prozess
4: Kondensatspeichergefäß
5: Erhitzer
6: Heißdampfturbine
7: Kondensator
8: Sauerstoffabsaugung und Aufbereitung
9: Regenerationsleitung
10: Verdichter
11: Kondensat
12: regeneratives Zirkulationssystem
13: Elektrolyseapparat
14: Wasserstoff
15: Sauerstoff
16: Arbeitsfluid Wasserdampf

Claims

Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyseprozess (1) mit einem Speicherprozess (2) und einem WDK-Prozess (3) zu einem Gesamtverfahren verbunden ist.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist, welches im Gesamtverfahren verschiedene Aggregatzustände annimmt, in die Einzelgase zerlegt wird und wieder zu Wasserdampf reagiert.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser im Gesamtverfahren mengenbezogen erhalten bleibt, da es im geschlossenen System zirkuliert.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensatspeichergefäß (4) während der Rückverstromung des WDK-Prozesses (3) den Kondensatanteil des Abgases aufnimmt, welcher bei der Verbrennung im Erhitzer (5) von dem aus dem Speicherprozess (2) stammenden Wasserstoff (14) und Sauerstoff (15) entsteht, um die Zeitverschiebung zwischen Stromspeicherung und Stromrückspeisung zu überbrücken.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das im Erhitzer (5) entstehende Abgas Wasserdampf sich mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (16) des WDK-Prozesses (3) vermischt, dadurch den Massenstrom durch die gekühlte Heißdampfturbine (6) erhöht, was die auskoppelbare Leistung steigert.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Abgas Wasserdampf bis in den Unterdruckbereich in der Heißgasturbine (6) entspannt und abkühlt, wodurch fast der gesamte Heizwert des Wasserstoffs energetisch genutzt wird, was die Gesamteffizienz verbessert.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoffüberschuss bei der inneren Verbrennung im Erhitzer (5) dafür sorgt, das sich kein unverbrannter Wasserstoff im WDK-Prozess (3) ansammeln kann, aber dennoch der Sauerstoffüberschuss intern verlustfrei zirkuliert, indem aus dem Kondensator (7) eine Sauerstoffabsaugung und Aufbereitung (8) den nichtkondensierenden Anteil über die Regenerationsleitung (9) zurück fördert. Der Sauerstoffüberschuss im gasförmigen Anteil des Arbeitsfluids passiert den gekühlten Verdichter (10) und steht im Erhitzer (5) wieder zur Verfügung.
Verfahren zur indirekten Stromspeicherung und zur Stromrückspeisung mit nur einem Fluid als Arbeits-, Kühl- und Speichermittel im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelgase Wasserstoff und Sauerstoff im Speicherprozess (2) vor und nach der Verdichtung gekühlt werden, in dem die Abwärme das kalte gespeicherte Kondensat (11) aus dem Kondensatspeichergefäß (4) mittels regenerativen Zirkulationssystems (12) vorwärmt, um die optimale Einspeisetemperatur für den Elektrolyseapparat (13) zu erhalten.