DE102012015788A1

DE102012015788A1 - Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid

Info

Publication number: DE102012015788A1
Application number: DE201210015788
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-13

Abstract

Speicherkraftwerk mit Seqestrierung von Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff mit Wasserdampf in eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die Mischung wird Synthesegas genannt, umgewandelt wird und das Kohlenmonoxid im Synthesegas in einer ersten Betriebsphase mit weiteren 2 Mol Wasserstoff, welche mit elektrischer Energie, die aus dem Stromnetz oder einem Kraftwerk entnommen wird, und Wasser durch Wasserelektrolyse erhalten werden, zu Methan umgesetzt wird und das Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird und in einer zweiten Betriebsphase das Methan oder Erdgas-Äquivalente davon dem Gasnetz entnommen werden, das Methan oder Erdgas-Äquvalente in einem Gaskraftwerk verstromt wird und die elektrische Energie in das Stromnetz eingeleitet wird, ferner, dass gebildetes Kohlendioxid abgetrennt und gespeichert wird.

Description

Die naturbedingten und zwangsweise anfallenden Überschüsse an Wind- und Solarstrom werden zum größten Problem auf dem Weg zur Energiewende. Jetzt schon zeichnet sich ab, dass mit elektrotechnischen Mitteln eine Lösung nicht gefunden werden kann. Als Ausweg rückt mehr und mehr die Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse aus überschüssiger elektrischer Energie in den Vordergrund.
Der Wasserstoff kann in Erdgas eingeleitet und in Mischung mit Erdgas in Verkehr gebracht werden. Und hier ergibt sich dann das nächste Problem: Wasserstoff und Erdgas unterscheiden sich nämlich grundlegend in ihren physikalischen und brandtechnischen Eigenschaften. Erdgas besitzt im Volumenvergleich die achtfache Dichte, den dreifachen Brennwert und verbraucht bei der Verbrennung viermal mehr Sauerstoff.
Ein fluktuierender Wind- oder Solarstrom ergibt dann nach der Elektrolyse auch einen fluktuierenden Wasserstoffstrom und nach Einleiten in Erdgas zwangsläufig ein fluktuierendes Gasgemisch. Die Speicherung, der Transport und die Verwendung solcher Wasserstoff-/Erdgasgemische werden in den Offenlegungsschriften DE 10 2010 020 762 A1 (Transport und Verstetigung erneuerbarer Energien) und DE 10 2010 031 777 A1 (Wasserstoffspeicherung in Erdgaslagerstätten) beschrieben. Obgleich hier ein gangbarer Weg für die Verstetigung erneuerbarer Energien gezeigt wird, gibt es für derartige fluktuierende Gasgemische noch erhebliche Marktbarrieren.
Ein anderer Weg, den Wasserstoff in Verkehr zu bringen ist die chemische Umsetzung mit Kohlendioxid zu Methan. Methan ist nahezu identisch mit Erdgas und kann so ohne Probleme in das Gasnetz eingespeist werden. Zahlreiche Projekte befassen sich mit diesem Thema. Das dabei verwendete Kohlendioxid stammt entweder aus der Rauchgasabtrennung bei Kohlekraftwerken oder aus der Kohlendioxidabtrennung an Biogasanlagen. Die Kohlendioxidabtrennung aus Biogas stellt keine ausreichende Rohstoffbasis dar und die Rauchgasabtrennung verbunden mit anschließender Speicherung des Kohlendioxid (CCS) hat wegen mangelnder Akzeptanz in der Bevölkerung eine ungewisse Zukunft.
Als wirtschaftliche Alternative zur Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energien wurden traditionelle Reaktionen aus der Kohlechemie erkannt. So reagiert Kohle mit Wasser (Kohlenstoff und Wasser im Molverhältnis 1:1/Reaktionsgleichung 1) unter Druck und Hitze zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das äquimolare Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird im folgenden ”Synthesegas” genannt. Fügt man zum Synthesegas weitere 2 Mol Wasserstoff zu, durch Wasserelektrolyse aus Wind- oder Solarstrom gewonnen (Reaktionsgleichung 3), so entsteht in einer nach dem Chemiker ”Sabatier” genannten Reaktion Methan und Wasser im Molverhältnis 1:1 (Reaktionsgleichung 2). C + H2O = CO + H2 Reaktionsgleichung 1.) (CO + H2) + 2H2 = CH4 + H2O Reaktionsgleichung 2.) 2H2O = 2H2 + O2 Reaktionsgleichung 3.)
Das beschriebene Verfahren macht aus Kohle und überschüssiger Wind- und Sonnenenergie klimafreundliches Methan. Dieses Methan ist ein Hybridmethan bei dem der Kohlenstoff fossilen Ursprungs sein kann und der Wasserstoff aus Wind- und Sonnenenergie stammt. In der Bilanz wird elektrische Energie dem Stromnetz entnommen und das daraus unter Zusatz von Kohle hergestellte Methan, das die Eigenschaften von Erdgas besitzt (im folgenden ”Hybridmethan” genannt), wird in das Gasnetz eingespeist. Kohlenstoff ist der Träger der gespeicherten Energie.
Wie noch zu zeigen ist, ergibt die Synthese des Hybridmethan (Reaktionsgleichungen 1 bis 3) in Kombination mit seiner Verstromung/Verbrennung (Reaktionsgleich 4) ein Speicherkraftwerk. Durch die Coverbrennung des Synthesegases mit Erdgas (Reaktionsgleichung 5) treten wichtige Synergien auf. CO + H2 + O2 = CO2 + H2O Reaktionsgleichung 4.) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Reaktionsgleichung 5.) Im folgenden Text wird sich mehrfach auf die oben dargestellten Reaktionsgleichungen 1. bis 5. mit den Abkürzungen Rk. 1. bis Rk. 5. bezogen (Aufstellung am Schuss der Beschreibung).
Neben Kohle können auch Kohlenstoffverbindungen, vorzugsweise pflanzlicher Herkunft zur Herstellung des Synthesegases verwendet werden. Pflanzematerialien wie z. B. Holz bestehen größtenteils aus Kohlehydraten, in denen der Kohlenstoff mit Wasser ebenfalls zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagiert.
Das Kohlenmonoxid enthaltende Synthesegas muss hierbei wegen der Giftigkeit von Kohlenmonoxid parallel zur Wasserelektrolyse durch die Reaktionsgleichung 2. vorgegebenen (stöchiometrischen) Menge erzeugt werden. Größere Ansammlungen von Kohlenmonoxid oder gar dessen Speicherung bei der Durchführung der Reaktionen 1. und 2. sind zum Schutz der Bevölkerung zu vermeiden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Methan aus überschüssiger elektrischer Energie und Kohlenstoff, wobei die elektrische Energie aus dem Stromnetz entnommen und durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff überführt wird, der Wasserstoff mit Kohlenmonoxid, das durch Umsetzung von Kohle oder Kohlenstoffverbindungen mit Wasserdampf in stöchiometrischer Menge als Synthesegas unmittelbar hergestellt wird, unter Bildung von Methan reagiert und das Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird.
Damit Kohlenmonoxid nicht in das Gasnetz gelangt, ist darauf zu achten, dass alles Kohlenmonoxid zu Hybridmethan ausreagiert hat oder Kohlenmonoxid aus dem Hybridmethan vor dem Einleiten abgetrennt ist. Empfehlenswert ist, das Hybridmethan vor dem Einleiten in das Netz auf Reste von unreagiertem Kohlenmonoxid zu prüfen.
Die vollständige Umsetzung von Kohlenmonoxid zu Hybridmethan kann auch dadurch begünstigt werden, dass ein leichter Überschuss von Wasserstoff verwendet wird. Der überschüssige Wasserstoff könnte im Hybridmethan verbleiben. Bis zu 5% (geplant sind in Zukunft 10%) Wasserstoff dürfen laut geltender Norm zusammen mit dem Methan in das Erdgasnetz eingeleitet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ferner, dass das in das Gasnetz einzuleitende Hybridmethan mit bis zu 10% Wasserstoff versetzt ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollten große Mengen an überschüssigem Wind- oder Solarstrom aus dem Stromnetz genommen, unter Zusatz von Kohle in Methan überführt und dieses in das Erdgasnetz eingeleitet werden können. Dies setzt nicht nur eine entsprechend große Anlagenkapazität, sondern auch entsprechende Anschlüsse an Strom- und Gasnetz voraus. Berücksichtigt man die erforderliche Kapazität, so wäre dies bei der Elektrizität der Anschluss an das Hochspannungsnetz und beim Gas das Hochdrucknetz (Ferngasnetz). Dies wiederum erfordert neben den entsprechenden Zuleitungen Investitionen in Stromwandler und Gaskompressoren.
Diese Zusatzinvestitionen können entfallen, wenn die Anlagen für das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Gaskraftwerk gekoppelt werden. In einem Gaskraftwerk sind sowohl Anschlüsse an das Hochspannungsnetz als auch an das Erdgasnetz vorhanden. Hinzu kommt, dass die Transformatoren zum Hochspannen der elektrischen Energie aus der Turbine in das Hochspannungsnetz, die Energie auch in die andere Richtung, vom Hochspannungsnetz zur Elektrolyse herunterspannen können.
Ein solches ”Hybridspeicherkraftwerk mit Umwandlung von Kohle (Kohlenstoff) in Methan” besteht dann aus folgenden Teilanlagen, in denen die in Klammern stehenden Reaktionen Rk. 1. bis 5. stattfinden:

1. Kraftwerk/Gaskraftwerk (wahlweise Rk. 4. und/oder Rk. 5.)
2. Anlage zur Kohlevergasung und Herstellung des Synthesegases (Rk. 1.)
3. Elektrolysegerät zur Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff (Rk. 3.)
4. Anlage zur Hydrierung von Kohlenmonoxid zu Hybridmethan (Rk. 2.)
5. Anschluss an das Hochspannungsnetz mit Transformator
6. Anschluss an das Erdgasnetz

Mit einer solchen Anlage kann wechselweise in unterschiedlichen Betriebsphasen den beiden größten Herausforderungen der Energiewende begegnet werden: Der Verwendung der Stromüberschüsse und der Stabilisierung des Stromnetzes bei unsteter Stromversorgung.

• in der einen (in der Offenbarung die erste) Betriebphase wird zur Überbrückung von naturbedingt auftretenden Versorgungslücken bei Wind- und Solarstrom oder allgemein zur Netzstabilisierung das Gaskraftwerk (1.) betrieben. Hybridmethan oder sein Äquivalent an Erdgas oder Synthesegas wird aus dem Gasnetz (6.) entnommen, verstromt und elektrische Energie (über den Transformator) in das Stromnetz (5.) eingeleitet. Die Anlageteile 2. bis 4. sind nicht in Betrieb.
• in der anderen (in der Offenbarung die zweite) Betriebphase wird (überschüssige) elektrische Energie aus dem Stromnetz (5.) entnommen und in 3. in Wasserstoff umgewandelt. Der Wasserstoff reagiert in 4. mit dem in 2. z. B. aus Kohle hergestellten Synthesegas zum erfindungsgemäßen Hybridmethan. Strom wird aus dem Stromnetz (5.) entnommen und Hybridmethan wird in des Erdgasnetz (6.) eingeleitet. Der Anlagenteil 1. (Gaskraftwerk) ist dann nicht in Betrieb.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Hybridspeicherkraftwerk, welches die vorgenannten Anlagenteile 1. bis 6. umfasst und bei dem in den Anlagenteilen 5. und 6. der Gas- und Elektrizitätsfluss abwechselnd in beide Richtungen stattfindet und das das Erdgasnetz als Speicher benutzt.
Die Anlagenteile 1. bis 4. sind je nach den Erfordernissen und der daraus sich ergebenden Betriebsphase ein- oder ausgeschaltet. Dies setzt bei den in diesen Anlagenteilen stattfindenden Umsetzungen eine hohe Flexibilität voraus. Diese Flexibilität ist bei dem Gaskraftwerk (1.) und der Wasserelektrolyse (3.) gegeben. Auch die Hydrierung von Kohlenmonoxid (4.), welche in der Gasphase an Nickelkatalysatoren verlauft, kann den Erfordernissen entsprechend an- und abgestellt werden.
Eine Flexibilität trifft erfahrungsgemäß nicht zu für die Kohlevergasung und Herstellung von Kohlenmonoxid (2.). Zwar kann dieser Anlagenteil in der Leistung gedrosselt werden, aber ein an- und abstellen, noch dazu synchron zur Elektrolyse (3.) und der Kohlenmonoxid-Hydrierung (4.) ist nicht darstellbar. Zumal eine Ansammlung des wichtigsten Zwischenproduktes, des Kohlenmonoxid wie bereits erwähnt vermieden werden muss.
Hier zeigt sich nun ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Koppelung der Anlagenteile 2. bis 4. mit einem Kraftwerk (1.): Das in 2. hergestellte Synthesegas hat nahezu den Heizwert von Leuchtgas und kann in der Betriebsphase des Gaskraftwerkes dort entweder alleine (Rk. 4.) oder zusammen mit Erdgas (Rk. 5.) verstromt werden. So kann der Anlagenteil 2., welcher der Herstellung des Synthesegases dient, in beiden oben genannten Betriebszuständen betrieben werden und sowohl zur Herstellung elektrischer Energie im Gaskraftwerk (Rk. 4.) als auch zur Herstellung des Hybridmethan (Rk. 2.) wechselweise genutzt werden.
In einer Variation der ersten Betriebsphase wird also zur Netzstabilisierung das Gaskraftwerk (1.) zusammen mit der Anlage zur Kohlevergasung und Herstellung des Synthesegases (2.) betrieben und das Synthesegas verstromt. Zusätzlich kann man Erdgas aus dem Gasnetz entnehmen, gegebenenfalls mit dem Synthesegas mischen, die Mischung verstromen und die elektrische Energie in das Stromnetz einleiten. Die Anlagenteile 3. und 4. sind nicht in Betrieb.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die alternative Nutzung des Synthesegases, einerseits als Brenngas, wahlweise zusammen mit Erdgas oder alleine zur Stromerzeugung im Gaskraftwerk in der ersten Betriebsphase, andererseits zur Herstellung von Hybridmethan zusammen mit in dem Elekrolyseur aus elektrischer Energie gewonnenem Wasserstoff in der zweiten Betriebsphase. So bleibt in beiden Betriebsphasen die Kohlevergasung laufend in Betrieb.
Ein weiterer Synergieeffekt bei der Koppelung der erfindungsgemäßen Herstellung von Hybridgas aus Überschüssiger erneuerbarer Energie und Kohle mit einem Gaskraftwerk liegt in der Bereitung des Speisewassers für die Elektrolyse: Das Kondensat aus den Verbrennungsgasen des Synthesegases ist Wasser aus der Reaktion von Wasserstoff oder Methan mit Sauerstoff (Rk. 4. oder Rk. 5.). Dieses Wasser ist von Natur aus salzfrei, so wie es für die Wasserelektrolyse benötigt wird. Aus einem Mol Wasserstoff entsteht dabei ein Mol Wasser. Das zweite Mol Wasser, das für die Bildung von 2 Mol Wasserstoff in Gleichung 3 benötigt wird, kann bei der Trocknung des Hybridmethan (Rk. 2) als ebenfalls salzfreies Kondenswasser gewonnen werden. Rein rechnerisch wird so bei dem Gesamtprozess salzfreies Speisewasser für die Elektrolyse und die erfindungsgemäße Herstellung von Methan aus Wind- und Solarstrom gewonnen. Wird Erdgas verbrannt, so können 2 Mol Wasser kondensiert werden (Rk. 5.), welche die erforderliche Wassermenge in Rk. 3 ergeben.
Bei der Wasserelektrolyse werden aus einem Megawatt elektrischer Energie je nach Wirkungsgrad 200 bis 250 Kubikmeter Wasserstoffgas erzeugt. Dabei werden 160 bis 200 Liter salzfreies (destilliertes) Wasser verbraucht. Unter der Annahme, dass ein 100 MW/h Gaskraftwerk mit einer Anlage zur Aufnahme der gleichen Menge an überschüssiger elektrischer Energie zu koppeln ist, errechnet sich ein Bedarf von 16000 bis 20000 Liter destilliertem Wasser je Stunde für die Elektrolyse. Dies zeigt, dass die Beschaffung von Speisewasser für die Elektrolyse ein beträchtlicher Kosten- und Energiefaktor ist.
Das Kondensat aus einem Gaskraftwerk ist ein geeignetes Ausgangsprodukt für eine kostengünstige Speisewasseraufbereitung für die Wasserelektrolyse. Von Natur aus ist es salzfrei, jedoch leicht sauer (pH = ca. 4.5) durch geringe Konzentrationen von Kohlensäure und wenig Schwefel- und Schwefliger-Säure. Kohlensäure kann man austreiben und die (Spuren) mineralischer Säuren können mit Anionenaustauschern abgetrennt werden.
Zusätzliches Kondensat lässt sich nach dem gleichen Prinzip aus Gasheizungsanlagen (Brennwertheizung) erhalten. Bei Heizungsanlagen mit mehr als 60 KW Leistung dürfen, je nach kommunalen Richtlinien, das Kondenswasser nur nach chemischer Neutralisation in die Kanalisation leiten. Es dürfte sich daher lohnen, das Kondensat aus Heizanlagen zu sammeln und für das erfindungsgemäße Verfahren bereitzustellen.
Eine besondere Behandlung braucht das Synthesegas, wenn es im Gaskraftwerk zusammen mit Erdgas verbrannt wird und das Kondensat in gleicher Weise als Speisewasser aufbereitet werden soll. Die Kohle, Rohstoff für das Synthesegas, enthält nämlich bis zu 4% an Schwefelverbindungen, die abgetrennt werden müssen. Verfahren zur Bindung von Schwefel aus Kohlegasen sind bekannt. Ein Beispiel ist die Kohlevergasung in Anwesenheit von Eisenoxiden. Die Reinigung des Synthesegases ist auch deshalb wichtig, weil das daraus hergestellte Hybridmethan in das Gasnetz eingespeist werden soll und das dort befindliche Erdgas hat einen hohen Reinheitsstandard. Es kann auch von Vorteil sein, Synthesegas und Erdgas im Gaskraftwerk getrennt zu verstromen und nur das Kondensat (2 Mol H2O!) des reineren Erdgases zur Elektrolyse zu verwenden (vgl. Rk. 3. und Rk. 5.)
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch die Verwendung von gesammelten und aufbereiteten Kondensaten der Erdgasverbrennung im Gaskraftwerk (1) als Speisewasser für die Wasserelektrolyse (3.). Das Kondensat (H2O) aus Rk. 2. und 4. oder aus Rk. 5. liefert genau die Wassermenge, welche für Elektrolyse (Rk. 3) und nachfolgende Hydrierung (Rk. 2.) erforderlich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Syntheseteil der Anlagenteile 2. bis 4. aus Kohle oder Kohlenstoffverbindungen mit Wind- und Sonnenenergie das Hybridmethan, das mit dem klimafreundlichen Erdgas vergleichbar ist. Mit der Integration dieses Verfahrens in die Energiewende verdrängt das Hybridgas schrittweise das Erdgas im Netz und man wird von Gasimporten unabhängig.
Die bei der Zusammenlegung von Gaskraftwerk mit der Kohlevergasung, der Wasserelektrolyse und der Kohlenmonoxid-Hydrierung auftretenden Synergieeffekte sind im einzelnen:

• Es ist produktionstechnisch von Vorteil, wenn die Kohlevergasung (Herstellung von Synthesegas. Rk. 1.) in einem kontinuierlichen Prozess durchläuft. Das heißt, dass das Synthesegas sowohl zur Herstellung des Hybridmethan in der zweiten Betriebsphase (Rk. 2.) als auch zur Verstromung im Gaskraftwerk (Rk. 4.) in der ersten Betriebsphase verwendet wird.
• Bei der Wasseelektrolyse (Rk. 3.) werden für die erforderliche Wasserstoffmenge in der Hydrierung (Rk. 2.) neben dem Wasserstoff im Synthesegas 2 Mol Wasser benötigt. Ein Mol H2O kann direkt in Rk. 2 in der zweiten Betriebsphase abgetrennt und gespeichert werden. Ein weiteres Mol kann in der ersten Betriebsphase aus den Rauchgasen des Gaskraftwerkes kondensiert und gespeichert werden. D. h. der Wasserstoff zum Aufbau des Hybridmethan stammt aus Kondenswasser der Anlagenteile beider Betriebsphasen. Indem die Anlagenteile 1 bis 4 miteinander verbunden werden, kann die für den chemischen Aufbau von Hybridmethan genau (stöchiometrisch) erforderliche Menge an Wasser gesammelt und gespeichert werden
• Sowohl der Erdgasanschluss mit Zuleitung, als auch die Hochspannungsleitung mit Anschluss an das Stromnetz, können in den verschiedenen Betriebsphasen in unterschiedlicher Richtung und damit von allen Anlagenteilen genutzt werden. Sowohl Erdgasleitung als auch Anschluss an das Hochspannungsnetz werden von den Anlageteilen gemeinsam benutzt.
• Kraftwerke besitzen eine umfangreiche Kapazität an Transformatoren, um den Strom (in der ersten Betriebsphase) von den Turbinen in das Hochspannungsnetz zu transformieren. Die gleichen Transformatoren können in der zweiten Betriebsphase dazu benutzt werden, die elektrische Energie aus dem Hochspannungsnetz für die Elektrolyse der zweiten Betriebsphase in niedrigere Spannung umzuformen.

Zur Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Hybridspeicherkraftwerkes werden z. B. 1 Mio. KW überschüssige elektrische Energie unter Hinzufügung von ca. 80 to Kohle in ca. 130000 Kubikmeter Hybridmethan überführt, welche (bei 65% Wirkungsgrad des Gaskraftwerkes mit Kondensation) zu 850000 KW Elektrischer Energie für Bedarfsspitzen mit dann entsprechendem Mehrwert rückverstromt werden (Wirkungsgrad ohne Kohle: 85%/s. u.)
Durch die Natur der erneuerbaren Energien wird mit ihrer weiteren Verbreitung fortgesetzt entweder zuviel oder zuwenig Energie im Stromnetz sein. Dann werden sich die beiden Betriebsphasen laufend abwechseln. Preiswerte und reichlich verfügbare Kohle kann die Stabilisierung des Stromnetzes übernehmen. Allerdings wird nicht Kohle, sondern klimafreundliches Erdgas (Hybridmethan) verstromt
Zur Verbesserung der Ökobilanz können nach und nach steigende Mengen an Wasserstoff, der nach der Elektrolyse (3.) abgezweigt wird, dem in das Erdgasnetz eingeleiteten Hybridgas beigemischt werden. Der Zusatz von Wasserstoff 10% im Erdgas ist nach der neuesten Norm möglich.
Mit Vorteil kann der bei der Wasserelektrolyse (Rk. 3.) gebildete Sauerstoff gesammelt, gespeichert und bei der Verbrennung des Synthesegases (Rk. 4.) oder des Erdgases/Methans (Rk. 5.) anstelle der Verbrennungsluft eingesetzt werden. In Abwesenheit von Luftstickstoff wird so die Bildung von Stickoxiden beim Verbrennungsvorgang ausgeschlossen. Stickoxide sind weitaus klimaschädlicher als Kohlendioxid. Der Sauerstoff fällt bei der Elektrolyse in reiner Form als Gas an und kann zur Speicherung z. B. verflüssigt werden.
Bei der Verwendung von reinem Sauerstoff bei der Verbrennung ergibt sich durch die höhere Energiedichte der Brenngase eine deutlich höhere Verbrennungstemperatur. Dies ist zwar günstig für den erzielbaren Wirkungsgrad, jedoch können Materialien an die Grenze ihrer thermischen Belastbarkeit kommen. Hier empfiehlt sich der Zusatz von Wasser, vorzugsweise aus dem Kondensat, zur Kontrolle der Verbrennungstemperatur. Sowohl das Wasser als auch seine Verdampfungsenergie können bei einer der Verbrennung folgenden Kondensation zurückgewonnen werden. In gleichem Sinne kann als Inertgas auch aus Rauchgasen abgetrenntes Kohlendioxid verwendet werden. Dabei kann in den Brandgasen enthaltenes Kohlenmonoxid zurückgeführt werden.
Wird das Synthesegas in der ersten Betriebsphase verbrannt, so ist dieser Teil des Gesamtverfahrens aus der Sicht der Kohlendioxid-Emission eine Kohleverstromung. Die Ökobilanz des Verfahrens, das beansprucht, Kohle mittels überschüssiger Energie in klimafreundliches Methan umzuwandeln, wird hierdurch jedoch nur unwesentlich verschlechtert, wenn in der ersten Betriebsphase (im Gaskraftwerk) überwiegend Erdgas/Hybridmethan zum Einsatz kommt. Außerdem hat die Erfahrung gezeigt, dass generell die Verstromung von Gasen effizienter ist als die Verstromung von Feststoffen wie Kohle.
Andererseits kann die Ökobilanz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die (teilweise) Verwendung von Biomasse, z. B. Holz, bei der Kohlevergasung (2.) verbessert werden. Holz, als Kohlehydrat, lässt sich ebenfalls nach Rk. 1 in Synthesegas umwandeln. Nach der Methanisierung mit Wasserstoff entsteht dann Biomethan. Eine Verbesserung der Ökobilanz bewirkt auch der Zusatz von Wasserstoff zum in das Netz eingeleiteten Methan. Wasserstoff verbrennt völlig emissionsfrei.
Die Gewinnung von klimafreundlichem Hybridmethan aus überschüssiger erneuerbarer Energie und Kohle macht die Energiewende bezahlbarer. Sie macht Länder mit Kohlevorkommen von Gasimporten unabhängiger. Das ”Hybridspeicherkraftwerk auf der Basis von Kohle und überschüssiger elektrischer Energie” ist mit Abstand das wirtschaftlichste Verfahren, erneuerbare Energien zu verstetigen.
Die wirtschaftliche Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich an folgender, grob überschlägiger Schätzung ersehen: Aus 1 Mio. KW überschüssiger elektrischer Energie werden 135000 Kubikmeter Hybridmethan gewonnen. Als Hybridmethan oder als Erdgasäquivalent rückverstromt erhält man etwa 850000 KW. (vgl. ”elektrochemische Modellrechnung.” am Schluß) Den Kohlenstoff für das Hybridmethan liefern 60 bis 80 to Kohle. D. h. mit dem Einsatz von ca. 70 to Kohle werden aus 1 Mio. KW überschüssiger Energie zeitversetzt 850000 KW höherwertige Energie für Bedarfsspitzen.
Überschüssige elektrische Energie fällt auch bei allen unflexiblen Kraftwerkstypen wie z. B. Kohle- und Kernkraftwerken an, wenn das Stromnetz wegen Überversorgung vom Kraftwerk keine weitere Leistung aufnehmen kann. Ein Zustand, der an der Wirtschaftlichkeit großer Kraftwerke zehrt und der mit der Verbreitung erneuerbarer Energien noch kritischer wird, da erneuerbare Energien im Stromnetz Vorrang haben. Es ist absehbar, wann nur noch entweder zuviel oder zu wenig Strom im Netz ist.
Solchen unflexiblen Kraftwerken kann man ein erfindungemäßes Hybridspeicherkraftwerk an die Seite stellen. Dann kann einerseits aus überschüssiger Energie Hybridmethan hergestellt und in das Gasnetz eingeleitet werden und andererseits für Bedarfsspitzen im Gaskraftwerk Gas verstromt werden. Das (Haupt-)Kraftwerk kann dann im optimalen Wirkungsbereich durchlaufen. Gegebenenfalls kann das Synthesegas auch in der Brennkammer des (Haupt-)Kraftwerkes mitverbrannt werden.
Bei bestehenden Kraftwerken liegt die Ausgangsspannung am Generator in der Größenordnung von 5000 Volt. Die Eingangsspannung üblicher Gerate für Wasserelektrolyse liegt bei 200 bis 300 Volt und resultiert aus der Hintereinanderschaltung mehrerer Zellen mit jeweils 2,2 Volt. Die Anzahl hintereinander geschalteter Zellen wird begrenzt durch die Notwendigkeit, bei der Störung nur einer Zelle das gesamte Gerät abschalten und instandsetzen zu müssen. Eine wesentlich größere Anzahl von Elektrolysezellen wäre zulässig, wenn man mehrere Blöcke mit gleicher Anzahl von Zellen hintereinanderschaltet und einen zusätzlichen Block bereithält. Fällt dann einer der in Betrieb befindlichen Blöcke aus, so kann der bereitgehaltene zusätzliche Block zugeschaltet und der schadhafte Block wird abgeschaltet und repariert. So kann eine Wasserelektrolyse auch mit vergleichsweise hoher Spannung sicher betrieben werden. Die Eingangsspannung vom Elektrolysegerät wird so dem Kraftwerksgenerator angepasst und der Transformator zum Hochspannungsnetz kann von beiden Geräten in beiden Betriebsphasengenutzt werden. Natürlich kann ein Spannungsunterschied zwischen Generator und Elektrolysegerät (und damit auch zum Haupttransformator) auch durch einen zugeschalteten Transformator überbrückt werden.
Ein besonders vorteilhafter Ort für ein Hybridspeicherkraftwerk wäre in der Nähe eines Braunkohlekraftwerkes. Dort ist Braunkohle direkt verfügbar und bei dem vorhersehbar steigenden Bedarf an Speicherkraftwerken könnte die Energieproduktion und damit auch die Verwendung der Braunkohle vom Braunkohlekraftwerk Zug um Zug auf das Hybridspeicherkraftwerk verlagert werden. Damit würde die umstrittene Verbrennung der Braunkohle enden und die Braunkohle als wirtschaftlichster Energieträger trotzdem weiterhin gefördert und genutzt werden und hätte sogar eine wichtige Funktion in der Energiewende. Der ökologische Bann wird von der Kohle genommen.
Übersicht der chemischen Reaktionsgleichungen (Rk. 1. bis Rk. 5.)

C + H2O = CO + H2 Rk. 1.) (CO + H2) + 2H2 = CH4 + H2O Rk. 2.) 2H2O = 2H2 + O2 Rk. 3.) CO + H2 + O2 = CO2 + H2O Rk. 4.) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Rk. 5.) CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O Rk. 6.)

Übersicht der Einzelanlagen des Hybridspeicherkraftwerkes (in Klammern die zu den jeweiligen Anlage gehörenden, obigen Reaktionen Rk. 1. bis Rk. 5.)

1. Kraftwerk/Gaskraftwerk (Rk. 4. und/oder Rk. 5.)
2. Anlage zur Kohlevergasung und Herstellung des Synthesegases (Rk. 1.)
3. Elektrolysegerät und Gleichrichter zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff (Rk. 3.)
4. Anlage zur Hydrierung von Kohlenmonoxid (oder Kohlendioxid) zu Hybridmethan (Rk. 5. u. 6.)
5. Anschluss an das Hochspannungsnetz und Transformator (Rk. 4./5. oder Rk. 3.)
6. Anschluss an das Erdgasnetz (Rk. 5 oder Rk. 2.)

Speicher und Speichermedien
Der wichtigste Speicher ist das Gasnetz mit dem Hybridmethan als Speichermedium. Im Bedarfsfalle kann dann das gespeicherte Hybridmethan oder sein Äquivalent an im Gasnetz befindlichem Erdgas rückverstromt werden. Diese Rückverstromung geschieht vorzugsweise in einem dem Hybridspeicherkraftwerk zugeordneten Gaskraftwerk. Die bei dieser Anlagenkombination auftretenden Synergien sind im Vorangegangenen ausführlich beschrieben. Die Rückverstromung kann aber auch an einem entfernteren Ort erfolgen, wobei dann das Hybridmethan oder seine Äquivalente an Erdgas dem Gasnetz entnommen werden.
Auch das Kohlendioxid kann aus den Rauchgasen abgetrennt und gespeichert oder sequestriert werden. Wird bei der Verbrennung Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse anstelle von Luft eingesetzt, so bleibt das Kohlendioxid nach Kondensation des Wassers als Gas übrig. Wird auch das Kohlendioxid druckverflüssigt, so verbleibt das bei der Kohleverbrennung unvermeidliche Kohlenmonoxid, das in den Brenner zurückgeführt werden kann und so nicht in die Umwelt gelangt.
Ein weiteres Speichermedium ist das Speisewasser für die Elektrolyse, das als Kondenswasser aus den Rauchgasen des/der Gaskraftwerke gewonnen wird. Ist das Gaskraftwerk mit dem Hybridspeicherkraftwerk verbunden, so kann das Speisewassers vor Ort gesammelt, aufbereitet und mit entsprechender Kapazität im Tank gespeichert werden. Von entfernteren Gaskraftwerken müsste das dort gesammelte Kondenswasser dann zum Hybridspeicherkraftwerk in Tankwagen transportiert werden. In diese Transporte könnten dann auch Kondensate aus Brennwertheizungen einbezogen werden. Sammlung und Speicherung des Kondensates aus der Erdgas-/Hybridgasverbrennung ist deswegen ein Gegenstand der Erfindung, weil mit der Menge der Rückbau des Hybridmethan aus Synthesegas ermöglicht wird (Rk. 2., 3., und 5.). Das Kondensat aus der Verbrennung von Erdgas ist wegen seiner größeren Reinheit dem ebenfalls erfindungsgemäß zur Wasserelektrolyse zu verwendenden Kondensat aus der Verbrennung von aus Kohle stammendem Synthesegas vorzuziehen.
Synthesegas/Herstellung und Verwendung
Das Synthesegas entsteht in der ersten Stufe des ”Fischer-Tropsch-Verfahrens” aus Kohlenstoff und Wasserdampf bei hohen Temperaturen (Rk. 1.). Je nach Qualität der Kohle oder der Kohlenstoffverbindung enthält es als Hauptkomponente Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie gegebenenfalls Methan. Möglich ist auch, die Kohle unter Luftausschluss auf 1000° bis 1300° zu erhitzen, wobei man Koks erhält, d. h. reineren Kohlenstoff, welcher zum Synthesegas umgesetzt wird. Daneben werden etwa je 1 to. Kohle ca. 300 Kubikmeter Leuchtgas, eine Gasmischung mit ca. 50% Wasserstoff und 30% Methan als Hauptbestandteile, welche direkt in das Gasnetz oder in Rk. 2 eingeschleust werden können. Als weiteres Nebenprodukt der Verkokung der Kohle entsteht der sog. ”Steinkohlenteer”, eine Mischung von Aromaten. Der Steinkohlenteer war historisch gesehen das Sprungbrett der chemischen Industrie. Falls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der ökologische Bann von der Kohle genommen wird, können bei der erfindungsgemäße Kohleverwertung wieder zahlreiche chemische Zwischenprodukte gewonnen werden und die Abhängigkeit der Chemie von der Petrochemie wird vermindert.
In beiden Fällen ist die Herstellung des Synthesegases, die auch seine Reinigung einschließt, ein komplexer, kontinuierlich ablaufender Prozess, bei dem sich ein laufendes An- und Abstellen in den wechselnden Betriebsphasen des Speicherkraftwerkes verbietet. Es ist daher ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, dass das Synthesegas in beiden Betriebsphasen in unterschiedlichen Verwendungen (in der ersten Betriebsphase gemäß Rk. 3 und in der zweiten Betriebsphase gemäß Rk. 4.) eingesetzt wird.
Wird das Hybridspeicherkraftwerk einem Kohlekraftwerk beigestellt, so kann in der zweiten Betriebsphase das Synthesegas auch in die Brennstelle des Kohlekraftwerks eingeblasen werden und so verstromt werden. Mit einem zusätzlichen gasförmigen Brennstoff steht für Bedarfsspitzen höhere Leitung wesentlich schneller zur Verfügung. So gewinnt man selbst mit einem Kohlekraftwerk Flexibilität.
Die Umsetzung des Synthesegases zu Hybridmethan (Rk. 2.) erfolgt in einer nach dem Chemiker ”Sabatier” genannten Reaktion, in der Kolenmonoxid an Nickel- oder Eisenkatalysatoren mit Wasserstoff zu Methan hydriert wird. Die chemische Reaktion ist exotherm und kann bei einer Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens thermisch genutzt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Rückverstromung weiter gesteigert werden kann.
Bei veränderter Reaktionsführung in Rk. 3. können auch langkettige Kohlenwasserstoffe gewonnen werden, welche als Treibstoffe für Kraftfahrzeuge geeignet sind.
Synthesegas/Verstromung/Speicherung von Kohlendioxid
Verstromung des Synthesegases bedeutet seine direkte oder indirekte thermische Nutzung zum Zwecke der Erzeugung elektrischer Energie.
Das in der Betriebsphase der Verstromung des Synthesegases gebildete Kohlendioxid kann auch gespeichert/sequestriert werden. Dabei wird beispielsweise nach der Kondensation des bei der Verbrennung aus dem Wasserstoff gebildeten Wassers das Kohlendioxid durch Druckverflüssigung aus den Rauchgasen abgetrennt. Nimmt man zur Verbrennung anstelle von Luft den bei der Wasserelektrolyse gebildeten Sauerstoff, so verbleibt nach der Wasserkondensation als einziges Gas Kohlendioxid, das direkt gespeichert werden kann.
Bei der Verströmung des Synthesegases kann neben seiner direkten Verbrennung auch das Kohlenmonoxid mit Wasserdampf in Kohlendioxid und weiteren Wasserstoff überführt werden. Dann wird das Kohlendioxid gespeichert und nachfolgend wird ausschließlich Wasserstoff verbrannt. Dieser Wasserstoff kann auch, in gleicher Weise wie aus der Elektrolyse gewonnener Wasserstoff, methanisiert werden. Dies geschieht, indem der Wasserstoff entweder mit gespeichertem Kohlendioxid (Rk. 6.) oder mit Synthesegas/Kohlenmonoxid (Rk. 2.) zur Reaktion gebracht wird. Zu letzterem kann das Synthesegas geteilt werden, wobei ein Teil wie oben zu Wasserstoff und Kohlendioxid durchreagiert und der andere Teil des Synthesegases dann mit Wasserstoff zu Methan reagiert (Rk. 2.). Dabei entsteht auch in der Betriebsphase der Verstromung des Synthesegases Methan, welches alternativ zur direkten Verbrennung/Verstromung auch gespeichert werden kann.
Zusammengefasst kann das Synthesegas als solches, als Wasserstoff oder als Methan verstromt/verbrannt werden. In allen drei Varianten kann das Kohlendioxid wie beschrieben abgetrennt und gespeichert werden.
Die Überführung des Synthesegases in Methan auch in der Betriebsphase, in der sonst seine Verstromung ansteht, empfiehlt sich, wenn am Ort des Hybridspeicherkraftwerkes elektrische Energie nicht benötigt wird und auch nicht abgeleitet werden kann.
Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Synthesegas aus Biomasse (z. B. Holz) gewonnen, so wird in der Betriebsphase der Verstromung bei der Sequestrierung das Kohlendioxid, das die Pflanzen aus der Atmosphäre entnommen hatten, im Boden gespeichert und in der Betriebsphase der Speicherung überschüssiger Energie wird Biomethan erzeugt.
Nachweis des Bio-Anteiles in den Gasen Kohlendioxid und Methan
Die als Endprodukte gebildeten Gase Kohlendioxid und Methan werden je nach ihrem Ursprung (Biologisch oder Fossil) entweder mit Abgaben belastet oder finanziell gefördert (z. B. Biomethan). Wichtig ist daher, wenn z. B. wechselnde Anteile von Holz mit Kohle erfindungsgemäß vergast werden, den Bio-Anteil in o. g. Gasen zu ermitteln. Dies kann mittels der aus der Archäologie bekannten Radiocarbon-Methode (C14 Methode) erfolgen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die eingesetzte Biomasse und damit auch gebildetes Biomethan bezüglich des C14-Isotopenanteiles den Anfangswert besitzt, während fossiler Kohlenstoff kein C14 enthält. Gleiches gilt für Kohlendioxid Die Messung kann an den Gasen nach der sog. ”Zählrohrmethode nach Libby” erfolgen.
Elektrochemische Modellrechnung für die Herstellung von Hybridmethan aus (überschüssiger) elektrischer Energie und Kohle:
Beginnend mit Rk. 3. (Wasserelektrolyse) werden für einen Kubikmeter Wasserstoff (H2) bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Elektrolyse von 80% 4,2 KW benötigt. Gemäß Rk. 2. werden zusätzlich zum Wasserstoff des Synthesegases weitere 2 Mol Wasserstoff (H2) für die Herstellung von Hybridmethan aus Kohlenmonoxid benötigt. Daraus folgt, dass je Kubikmeter aus Synthesegas hergestelltem Hybridmethan (CH4) ca. 8,4 KW elektrische Energie benötigt werden. Es wird angenommen, der Kohlenstoff für das Hybridmethan wird aus Kohle gewonnen. Methan besteht zu 75% aus Kohlenstoff (Molgewicht Methan: 16, Atomgewicht Kohlenstoff 12). Die Gasdichte von Methan liegt bei 718 g/Kubikmeter. Daraus errechnet sich, dass 1 Kubikmeter Methan 539 g Kohlenstoff enthalten. Bei einem Kohlenstoffgehalt der Kohle von 65% bis 90% (je nach Qualität der Kohle) werden 580 g bis 830 g Kohle je Kubikmeter Hybridmethan benötigt. Zusammengefasst ergeben 8,4 KW (überschlüssige) elektrische Energie und 580 g bis 830 g (trockene) Kohle einen Kubikmeter Hybridmethan, welches mit Erdgas der H Qualität vergleichbar ist. Rückverstromt würde der Kubikmeter Hybridmethan 7,5 KW liefern (Energieinhalt von Hybridmethan 11,5 KW/Wirkungsgrad des Gaskraftwerkes 65%). Klammert man den Einsatz der (580 g) Kohle aus, so liegt der Wirkungsgrad der Rückverstromung bei 87%.
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

DE 102010020762 A1 [0003]
DE 102010031777 A1 [0003]

Claims

Speicherkraftwerk mit Seqestrierung von Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff mit Wasserdampf in eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die Mischung wird Synthesegas genannt, umgewandelt wird und das Kohlenmonoxid im Synthesegas in einer ersten Betriebsphase mit weiteren 2 Mol Wasserstoff, welche mit elektrischer Energie, die aus dem Stromnetz oder einem Kraftwerk entnommen wird, und Wasser durch Wasserelektrolyse erhalten werden, zu Methan umgesetzt wird und das Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird und in einer zweiten Betriebsphase das Methan oder Erdgas-Äquivalente davon dem Gasnetz entnommen werden, das Methan oder Erdgas-Äquvalente in einem Gaskraftwerk verstromt wird und die elektrische Energie in das Stromnetz eingeleitet wird, ferner, dass gebildetes Kohlendioxid abgetrennt und gespeichert wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridspeicherkraftwerk mit einem Gaskraftwerk derart gekoppelt ist, dass Gaskraftwerk und Hybridspeicherkraftwerk den Anschluss an das Stromnetz und den Anschluss an das Erdgasnetz gemeinsam benutzen und in der ersten Betriebsphase das Hybridspeicherkraftwerk die elektrische Energie aus dem Stromnetz entnimmt und in die Wasserelektrolyse einleitet und das gefertigte Methan in das Erdgasnetz einleitet und in der zweiten Betriebsphase das Gaskraftwerk Methan/Erdgas aus dem Erdgasnetz entnimmt, verstromt und die elektrische Energie in das Stromnetz einleitet.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren des Kraftwerkes die elektrische Energie in beide Richtungen umspannen und in der ersten Betriebsphase die elektrischen Energie aus dem Hochspannungsnetz aufnehmen und mit niedriger Spannung an die Wasserelektrolyse abgeben und in der zweiten Betriebsphase die elektrische Energie mit niedriger Spannung vom Kraftwerk aufnehmen und an das Hochspannungsnetz abgeben.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas in beiden Betriebsphasen hergestellt wird und in der ersten Betriebsphase mit dem durch Elektrolyse hergestellten Wasserstoff zu Methan umgesetzt wird und in der zweiten Betriebsphase im Gaskraftwerk verstromt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in Form von Kohle eingesetzt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in Form von Biomasse eingesetzt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in Form von Mischungen aus biologischen und fossilen Kohlenstoff enthaltenden Materialien eingesetzt wird und bei daraus gebildetem Kohlendioxid und Methan der Bioanteil nach der Radiocarbonmethode bestimmt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsphase der Wasserdampf in den Rauchgasen des Gaskraftwerkes kondensiert, aufbereitet und gespeichert wird und in der ersten Betriebsphase als Speisewasser für die Wasserelektrolyse eingesetzt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsphase zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie verwendet wird und die zweite Betriebsphase zur Deckung von Versorgungslöchern und Bedarfsspitzen im Stromnetz eingesetzt wird.
Speicherkraftwerk mit Sequestrierung von Kohlendioxid nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse in der ersten Betriebsphase gebildete Sauerstoff gesammelt und gespeichert wird und bei der Verbrennung des Synthesegases oder des Wasserstoffes in der zweiten Betriebsphase anstelle der Verbrennungsluft eingesetzt wird.