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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.
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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.
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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.
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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.
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Als wirtschaftliche Alternative zur Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energien wurden traditionelle Reaktionen aus der Kohlechemie erkannt. So reagiert Kohle mit Wasser (Kohlenstoff und Wasser in 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). Reaktionsgleichung 1.) C + H2O = CO + H2 Reaktionsgleichung 2.) (CO + H2) + 2H2 = CH4 + H2O Reaktionsgleichung 3.) 2H2O = 2H2 + O2
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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.
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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. Reaktionsgleichung 4.) CO + H2 + O2 = CO2 + H2O Reaktionsgleichung 5.) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ferner, dass das in das Gasnetz einzuleitende Hybridmethan mit bis zu 10% Wasserstoff versetzt ist.
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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 Hochspannnungsnetz und beim Gas das Hochdrucknetz (Ferngasnetz). Dies wiederum erfordert neben den entsprechenden Zuleitungen Investitionen in Stromwandler und Gaskompressoren.
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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.
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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. Elektralysegerät zur Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff (Rk. 3.)
- 4. Anlage zur Hydrierung von Kohlenmonoxid zu Hybridmethan (Rk. 2.)
- 5. Anschluss an das Hochspannunganetz mit Transformator
- 6. Anschluss an das Erdgasnetz
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Mit einer solchen Anlage kann in zwei unterschiedlichen Betriebsphasen den beiden größten Herausforderungen der Energiewende begegnet werden: Der Verwendung der Stromüberschüsse und der Stabilisierung des Stromnetzes bei unsteter Stromversorgung.
- • in der ersten 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 zweiten 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 darin nicht in Betrieb.
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Bei dieser Folge der Betriebsphasen wird das Hybridmethan, bei dem die überschüssige elektrische Energie den Brenn-Mehr-Wert zur Kohle ergibt, zunächst im Gasnetz gespeichert und sein Äquivalent an Erdgas wird im Bedarfsfalle im Gaskraftwerk verstromt. Damit ist das wichtigste Merkmal eines Speicherkraftwerkes, ungenutzte Energie zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben, gegeben. Die Gesamtanlage ist ein Hybridspeicherkraftwerk, weil in dem im Gasnetz gespeicherten Hybridmethan nur die Hälfte überschüssige gespeicherte Energie ist (die andere Hälfte stammt aus der Kohle). Der Vorteil des Gasnetzes als Speicher ist hierbei seine enorme Speicherkapazität.
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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.
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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 verläuft, kann den Erfordernissen entsprechend an- und abgestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 satzfreies 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.
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Bei der Wasserelektrolyse werden aus einen 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.
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Das Kondensat aus dem 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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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Es entsteht ein Hybridspeicherkraftwerk. Hybridspeicherkraftwerk deshalb, weil ein Teil der Energie durch die überschüssige elektrische Energie und ein Teil der Energie durch die Kohle in das Hybridmethan eingebracht wird. Dieses Hybridmethan wird in das Gasnetz eingespeist und kann bei Bedarf aus dem Gasnetz wieder entnommen werden Das Gasnetz ist ein Speicher des Hybridspeicherkraftwerkes. Ein anderer Speicher ist der Speisewassertank.
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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.)
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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 übemehmen. Allerdings wird nicht Kohle, sondern klimafreundliches Erdgas (Hybridmethan) verstromt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, lasst sich ebenfalls nach Rk. 1 in Synthesegas umwandeln. Eine Verbesserung der Ökobilanz bewirkt auch der Zusatz von Wasserstoff zum Hybridmethan. Wasserstoff verbrennt völlig emissionsfrei.
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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 Basis von Kohle und überschüssiger elektrischer Energie” ist mit Abstand das wirtschaftlichste Verfahren, erneuerbare Energien zu verstetigen.
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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)
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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 Mio. 850000 KW höherwertige Energie für Bedarfsspitzen (vgl. Letzte Seite, letzter Abs.).
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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.
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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.
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Bei bestehenden Kraftwerken liegt die Ausgangsspannung am Generator in der Größenordnung von 5000 Volt. Die Eingangsspannung üblicher Geräte 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.
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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.
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Übersicht der chemischen Reaktionsgleichungen (Rk. 1. bis Rk. 5.)
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Rk. 1.) C + H2O = Co + H2
Rk. 2.) (CO + H2) + 2H2 = CH4 + H2O
Rk. 3.) 2H2O = 2H2 + O2
Rk. 4.) CO + H2 + O2 = CO2 + H2O
Rk. 5.) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
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Übersicht der Einzelanlagen des Hybridspeicherkraftwerkes (in Klammern die zu den jeweiligen Anlage gehörenden, obigen Reaktionen Rk. 1. bis Rk. 5.)
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- 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. Anschluss an das Hochspannungsnetz und Transformator (Rk. 4./5. oder Rk. 3.)
- 5. Anschluss an das Erdgasnetz (Rk. 5 oder Rk. 2.)
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Speicher und Speichermedien
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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.
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Die erfindungsgemäße Zuordnung der Gaskraftwerke zumindest einer Region zu dem/den Hybridspeicherkraftwerken ist deshalb gegeben, weil die Fluktuationen im Netz auch zumindest regional (wenn nicht überregional) synchron verlaufen und so auch der Wechsel der erfindungsgemäßen Betriebsphasen in Kraftwerken der betreffenden Region synchron verläuft.
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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. Dies ist in jedem Falle lohnend, weil salzfreies Wasser, wie bereits mehrfach erwähnt, ein kostbarer Rohstoff ist (insbesondere, wenn die anderen ”Rohstoffe” Kohle und überschüssige Energie sind). In diese Transporte kannten dann auch Kondensate aus Brennwertheizungen einbezogen werden. Sammlung und Speicherung des Kondensates aus der Erdgas-/Hybridgasverbrennung (RK: 5.) ist deswegen ein Gegenstand der Erfindung, weil mit der Menge der Rückbau des Hybridmethan aus Synthesegas ermöglicht wird (Rk. 3. und Rk. 2.). 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.
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Synthesegas/Herstellung und Verwendung
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Das Synthesegas entsteht in der ersten Stufe des ”Fischer-Tropsch-Verfahrens” aus Kohlenstoff und Wasserdampf bei hohen Temperaturen (Rk. 1.). 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 weder zahlreiche chemische Zwischenprodukte gewonnen werden und die Abhängigkeit der Chemie von der Petrochemie wird vermindert.
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In beiden Fällen ist die Herstellung des Synthesegases, die auch seine Reinigung einschließt, ein komplexer, kontinuierlich ablaufender Prozess, bei dem sick 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.
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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.
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Die Umsetzung des Synthesegases zu Hybridmethan (Rk. 2.) erfolgt in einer nach dem Chemiker ”Sabatier” genannten Reaktion, in der Kohlenmonoxid 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.
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Bei veränderter Reaktionsführung in Rk. 3. können auch langkettige Kohlenwasserstoffe gewonnnen werden, welche als Treibstoffe für Kraftfahrzeuge geeignet sind.
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Verstromung des Synthesegases/Verstetigung der Hydrierung von Kohlendioxid
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In der Verstromungsphase wird das Synthesegas durch Verbrennen im Kraftwerk in elektrische Energie umgewandelt. Die Verstromung des Synthesegases kann in einem Kohle- oder Gaskraftwerk erfolgen. Im Gaskraftwerk kann, je nach Bedarf an elektrischer Energie, auch Erdgas mitverstromt werden.
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Die Verstromungsphase ist naturgemäß mit einem Stillstand der Energiespeicherung verbunden. Die erfindungsgemäße Energiespeicherung ist jedoch ebenso wie die Kohlevergasung ein chemischer Prozess, bei welchem Kohlenmonoxid beteiligt ist. Es ist daher von Vorteil, die Hydrierung von Kohlenmonoxid zu Methan auch in der Verstromungsphase, wenn auch mit niedrigerer Leistung, weiterlaufen zu lassen.
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Dies kann auch ohne zusätzlichen Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse erreicht werden, indem Wasserstoff vom Synthesegas abgetrennt wird und 2 Mol des abgetrennten Wasserstoffes gemäß Reaktionsgleichung 2 mit je einem Mol Wasserstoff und einem Mol Kohlenmonoxid aus dem Synthesegas zu Methan umgesetzt wird. So kann auch in der Verstromungsphase die Methanbildung in niedrigem Leistungsbereich weitergeführt werden. Verbleibendes Kohlenmonoxid oder verbleibendes mit Kohlenmonoxid angereichertes Synthesegas wird dann erfindungsgemäß im Kraftwerk verstromt.
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Weiterhin kann beim Herunterfahren der Kohlenmonoxid-Hydrierung, wenn unreagiertes Kohlenmonoxid im Methan auftritt, das Reaktionsgemisch vorübergehend im Kraftwerk verbrannt werden. Hierdurch wird vermieden, dass Kohlenmonoxid ins Gasnetz gelangt (als Sicherheitsmaßnahme kann dies allgemein beim Auftreten von Kohlenmonoxid im Endprodukt Methan geschehen). Da das Herunterfahren der Kohlenmonoxid-Hydrierung mit dem Beginn der Verstromungsphase verbunden ist, dürfte dann zusätzlicher Brennstoff willkommen sein. Dies ist eine weitere Synergie bei der Koppelung von Kraftwerk und Kohlendioxid-Hydrierung.
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Elektrochemische Modellrechnungen/Rückverstromung
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Zusammenhänge zwischen Energie, Masse und Volumen, welche sich durch die chemischen Gesetzmäßigkeiten ergeben, sind im Folgenden beschrieben. Ebenso werden daraus für die vorlegende Erfindung zu ziehende Schlussfolgerungen aufgezählt: Energie/Masse/Volumen (gerundet)
| Bezugsgröße der zu speichernden elektrischen Energie: | 1 Mio. KW |
| Durch Wasserelektrolyse werden aus 0.,8 l Wasser und 4,2 KW (80% Wirkungsgrad) 1 cbm Wasserstoff. | |
| Gemäß Rk. 2 u. 3. ergeben 2H2 (mit Synthesegas) 1CH4. | |
| D. h. ein Kubikmeter Methan bindet 8,4 KW/1 Mio. KW ergeben: | 120000 cbm Methan |
| Hinzugefügt werden 600g bis 800 g Kohle/cbm Methan: | ca. 85 to Kohle |
| Speicher | |
| Nur das Kondenswasser aus der Rauchgasabtrennung muss Gespeichert werden (zweite Betriebsphase) D. h. | |
| 0.8 × 2 × 120000 = 192000 l Wasser bei Erdgasverbrennung: | 192 cbm Wasser |
| 0,8 × 1 × 120000 = 96000 l Wasser bei Synthesegasverbrennung: | 96 cbm Wasser |
| Der zweite Speicher, das Gasnetz hat für alle denkbaren Situationen ausreichende Kapazität. | |
| Rückverstromung | |
| Aus 120000 cbm Methan werden bei 65% Wirkungsgrad im Gaskraftwerk: | ca. 850000 KW |
| Wirkungsgrad der Rückverstromung
(bez. Auf 1 Mio KW ohne Kohleeinsatz): | 85% |
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Schussfolgerungen
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- – Überschüssige Energie und Kohle ergeben Methan, das im Gasnetz gespeichert und zur Deckung von Versorgungsengpässen verstromt werden kann
- – In unterschiedlichen Betriebssituationen wird vom Hybridspeicherkraftwerk elektrische Energie aufgenommen oder abgegeben.
- – Kohle wird in klimafreundliches Methan/Erdgas umgewandelt.
- – Das Hybridmethan entspricht Erdgas der H-Qualität.
- – Wohlfeile überschüssige elektrische Energie wird gespeichert und zeitversetzt zur Deckung von Versorgungslöchern und Bedarfsspitzen mit entsprechendem Mehrwert abgegeben.
- – Vom Hybridspeicherkraftwerk verwertbare überschüssige Energie kann auch in unflexiblen Großkraftwerken (Kernkraftwerke) anfallen, wenn das Stromnetz keine Energie mehr aufnehmen kann.
- – Der Wirkungsgrad der Rückverstromung der gespeicherten Energie (unter hinzufügen von 60 bis 80 kg Kohle je MW) liegt bei ca. 85%.
- – Das Hybridspeicherkraftwerk muss unter den beiden Gesichtspunkten Versorgungssicherheit und Energiehandel getrennt betrachtet und bewertet werden.
- – Die Veredlung mit nicht-fossilem Wasserstoff nimmt den ökologischen Bann von der Kohle.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010020762 A1 [0003]
- DE 102010031777 A1 [0003]