DE102013112431A1

DE102013112431A1 - Anordnung aus einem Kraftwerk und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gas mittels von dem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102013112431A1
Application number: DE201310112431
Authority: DE
Inventors: Gladwyn de Vidts; Peter Wallmeier
Original assignee: AEG Power Solutions BV
Current assignee: De Vidts Gladwyn De
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus mindestens einem Kraftwerk (1a, 1b) mit mindestens einem Ausgang und mindestens einer Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas mittels von dem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas mittelbar oder unmittelbar an den Ausgang des Kraftwerkes (1a, 1b) angeschlossen ist, wobei die Anordnung einen Speicher (4) für elektrische Energie, insbesondere Batterien, aufweist, der mit dem Ausgang des Kraftwerkes (1a, 1b) und dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus mindestens einem Kraftwerk mit mindestens einem Ausgang und mindestens einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gas mittels von dem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung von Gas an den Ausgang des Kraftwerkes mittelbar oder unmittelbar angeschlossen ist.
Aus dem Stand der Technik ist die so genannte Power-to-Gas-Technologie bekannt. Der Begriff Power-to-Gas steht, so die deutsche Bundesnetzagentur, für ein Konzept, bei dem überschüssiger Strom dazu verwendet wird, per Wasserelektrolyse mittels eines Elektrolyseurs Wasserstoff zu produzieren und bei Bedarf in einem zweiten Schritt unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) in synthetisches Methan umzuwandeln. Als Speicher für dieses Methan und bis zu einem gewissen Volumenanteil auch des elementaren Wasserstoffs könnte die bestehende Erdgasinfrastruktur, also das Gasnetz mit den angeschlossenen Untertagespeichern, verwendet werden. Aus überschüssigem Strom oder besser gesagt überschüssiger elektrischer Energie wird und soll dabei Energie genutzt werden, die von Wind- oder Solarkraftwerken geliefert wird, aber nicht ins elektrische Netz eingespeist werden kann, da das Netz nicht hinreichend aufnahmefähig ist. Die Speicherkapazitäten des Gasnetzes sind Speicher zur langfristigen Speicherung von Energie, die zum Beispiel in der Lage sein können, jahreszeitliche Schwankungen des Energiebedarfs und des Energieangebots auszugleichen.
Neben der Nutzung der Speicherkapazitäten des Gasnetzes zur langfristigen Speicherung kann das Gas auch in lokalen Gasspeichern gespeichert werden, die in der Nähe des Elektrolyseurs errichtet werden. Lokale Gasspeicher können insbesondere bei Insellagen auch zur kurz- oder mittelfristigen Speicherung des Gases genutzt werden.
Zur Herstellung des Wasserstoffgases wird ein Elektrolyseur benutzt, der vorzugsweise direkt mit dem die elektrische Energie liefernden Kraftwerk verbunden ist. Es ist aber auch denkbar, dass der Elektrolyseur über das Stromnetz mit dem Kraftwerk verbunden ist und das Kraftwerk und der Elektrolyseur in der Art miteinander gekoppelt sind, dass der Elektrolyseur die Menge an elektrischer Energie aus dem Stromnetz entnimmt, die das Kraftwerk in das Stromnetz einspeist und die von Verbrauchern mangels Bedarf nicht abgenommen werden kann und daher im Grunde überschüssig ist. Ist das Kraftwerk ein Wind- oder Solarkraftwerk, muss man mit zeitlich zum Teil stark schwankender Stromerzeugung rechnen. Der Nutzungsgrad von Wind- oder Solarkraftwerken ist daher im Vergleich mit einem Wärmekraftwerk häufig gering.
Da der Elektrolyseur von der Leistung der Wind- oder Solarkraftwerke abhängig ist, schwankt auch die Leistung des Elektrolyseurs. Daher ist auch der Nutzungsgrad des Elektrolyseurs vergleichsweise gering.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, den Nutzugsgrad der Vorrichtung zur Erzeugung von Gas zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anordnung einen Speicher für elektrische Energie, insbesondere Batterien, aufweist, der mit dem Ausgang des Kraftwerkes und dem Eingang der Vorrichtung zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Dem Speicher wird vorzugsweise die elektrische Energie zugeführt, die vom Kraftwerk in Zeiten eines Überschusses an elektrischer Energie nicht abgegeben werden kann, weil die Vorrichtung zur Erzeugung von Gas unter Volllast arbeitet und die elektrische Energie auch sonst nicht verbraucht werden kann. Später kann die zugeführte und im Speicher gespeicherte Energie dem Speicher entnommen werden und sie kann in Zeiten eines Mangels an elektrischer Energie aus der Kraftwerkserzeugung für einen optimalen Betrieb oder Nennlastbetrieb der Vorrichtung zur Erzeugung von Gas an die Vorrichtung zur Erzeugung von Gas, z. B. den Elektrolyseur, abgeben werden. Dadurch können die Zeiten, in denen die Vorrichtung zur Erzeugung von Gas nicht oder nur unzureichend genutzt wird, reduziert werden. Zugleich kann vermieden werden, Strom in das Versorgungsnetz in Zeiten eines Überangebots einzuspeisen.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere bei einer Insellage vorteilhaft, da die Anordnung zugleich auch zur unterbrechungsfreien Stromversorgung genutzt werden kann. Ist eine solche Nutzung vorgesehen, kann dem Speicher die elektrische Energie entnommen werden, um sie bei einem kurzfristigen Strombedarf in einem Stromnetz in das Netz einzuspeisen. Dazu kann ein Wechselrichter vorgesehen sein. Als Wechselrichter kann auch ein bidirektionaler Gleichrichter genutzt werden, der einen Wechselstromausgang des Kraftwerkes mit dem Speicher für elektrische Energie verbindet.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Speicher für elektrische Energie sind keine langfristigen Speicher. Sie dienen dazu, die Schwankung des Energieangebotes im Verlauf von wenigen Sekunden oder Minuten bis hin zu einem Tag oder mehreren Tagen auszugleichen, insbesondere also auch tageszeitliche Schwankungen des Energieangebots auszugleichen. Eine langfristige Speicherung der Energie erfolgt dann als chemische Energie, die in dem von der Vorrichtung zur Erzeugung von Gas erzeugtem Gas chemisch gebunden ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung ist die Nennleistung des Kraftwerkes vorzugsweise größer als die Nennleistung der Vorrichtung zur Gaserzeugung. Die Nennleistung des Kraftwerkes kann zum Beispiel 2 bis 10 mal so groß sein wie die Nennleistung der Vorrichtung zur Gaserzeugung.
Bei dem Speicher handelt es sich um einen Speicher mit einer oder mehreren Batterien. Es kann sich dabei um einen Speicher handeln, der unter der Bezeichnung BESS (Battery Energy Storage System) bekannt geworden ist.
Für die Einbindung des Speichers in die Anordnung aus einem Wechselstrom zur Verfügung stellendem Kraftwerk und der Vorrichtung zur Erzeugung von Gas kommen verschiedene Topologien in Frage. Verschiedene Topologien von erfindungsgemäßen Anordnungen sind in den Ansprüchen 2 bis 16 beispielhaft angegeben.
Nachstehend werden einige kurz erläutert, wobei von einer Anordnung mit einem Elektrolyseur als Vorrichtung zur Erzeugung von Gas ausgegangen wird. Es kämen aber auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung von Gas anstelle eines Elektrolyseurs in Frage.
Das Kraftwerk kann über einen ersten AC/DC-Wandler mit dem Elektrolyseur verbunden sein. Der Speicher kann über den ersten AC/DC-Wandler oder über einen zweiten AC/DC-Wandler mit dem Kraftwerk verbunden sein.
Der Speicher kann bei Anbindung über einen zweiten AC/DC-Wandler an das Kraftwerk über einen DC/DC-Wandler mit der DC-Seite des ersten AC/DC-Wandlers und des Elektrolyseurs verbunden sein.
Ist der zweite AC/DC-Wandler als bidirektionaler AC/DC-Wandler vorgesehen, kann aus dem Speicher Energie entnommen werden und über den als DC/AC-Wandler arbeitenden zweiten AC/DC-Wandler dem ersten AC/DC-Wandler zugeführt werden, der mit dem Elektrolyseur verbunden ist.
Der Speicher kann auch auf der DC-Seite des ersten, mit dem Elektrolyseur verbundenem AC/DC-Wandlers in die Anordnung eingebunden sein. D. h., der Speicher kann an die DC-Seite des ersten AC/DC-Wandlers angeschlossen sein.
Die Anbindung kann über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Spannungsanpassung erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass der Speicher unmittelbar an die DC-Seite des ersten AC/DC-Wandlers angeschlossen ist. Dann kann der Elektrolyseur über einen DC/DC-Wandler mit dem Speicher und dem ersten AC/DC-Wandler verbunden sein.
Stellt das Kraftwerk Gleichstrom zur Verfügung, wie es z. B. bei einem Solarkraftwerk der Fall ist, kann der Speicher über einen ersten DC/DC-Wandler mit dem Kraftwerk und über einen zweiten DC/DC-Wandler mit dem Elektrolyseur verbunden sein.
Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Anordnungen sind anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
1 bis 4 je eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Windkraftwerk und
5 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Fotovoltaikkraftwerk.
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung weist ein Windkraftwerk 1a auf. Bei dem Windkraftwerk 1a kann es sich um ein einzelnes Windrad, um einen so genannten Windpark, also um eine Gruppe von Windrädern an einem Ort, oder um einen Zusammenschluss von mehreren Windrädern und/oder Windparks an verschiedenen Orten handeln.
Das Windkraftwerk 1a stellt an einem Ausgang Wechselstrom zur Verfügung. Dieser Wechselstrom wird einem ersten Gleichrichter 2 zugeführt, dessen Gleichstromausgang mit einem Eingang eines Elektrolyseurs 3 verbunden ist. Der Ausgang des Windkraftwerkes 1a ist ferner mit einem zweiten Gleichrichter 5 verbunden. Dessen Gleichstromausgang ist mit einem Speicher 4 für elektrische Energie verbunden, nämlich mit einer Batterie.
Als Batterie im Sinne der Anmeldung wird eine Zusammenschaltung von mehreren Sekundärzellen bezeichnet, die vorzugsweise gleichartig sind.
Der zweite Gleichrichter 5 ist ein bidirektionaler Gleichrichter, der sowohl Wechselstrom in Gleichstrom als auch Gleichstrom in Wechselstrom wandeln kann, wobei die elektrische Energie entweder von der Wechselstromseite zur Gleichstromseite fließt (Gleichrichterbetrieb) oder von der Gleichstromseite zur Wechselstromseite fließt (Wechselrichterbetrieb).
Das Windkraftwerk 1a hat zum Beispiel eine Nennleistung von 3 MW, während der Elektrolyseur 3 eine Leistung von 1 MW hat. Die Batterie kann im Beispiel eine Energie von 4 MWh speichern und wieder abgeben.
Die Anordnung kann wie folgt betrieben werden: Zunächst wird während eines Zeitraums, in welchem ausreichend Wind bläst, das Windkraftwerk 1a mit Nennleistung betrieben. Auch der Elektrolyseur 3 wird mit Nennleistung betrieben. Von der von dem Windkraftwerk 1a abgegebenen elektrischen Energie wird 1/3 an den Elektrolyseur 3 geliefert, 2/3 werden in der Batterie 4 eingespeichert. Dazu wird der von dem Windkraftwerk 1a gelieferte Wechselstrom zu einem ersten Teil vom ersten Gleichrichter 2 in einen Gleichstrom gerichtet, der dem Elektroyseur 3 zugeführt wird. Der vom Windkraftwerk 1a gelieferte Wechselstrom wird zu einem zweiten Teil an den zweiten Gleichrichter 5 geliefert, der den Wechselstrom gleichrichtet. Dieser Gleichstrom fließt dann in die Batterie 4 und die elektrische Energie wird (idealerweise vollständig) in der Batterie 4 gespeichert.
Kommt es nach dem Zeitraum mit für einen Nennbetrieb des Windkraftwerks 1a ausreichendem Wind zu einem Zeitraum der Windstille, liefert das Windkraftwerk 1a keine elektrische Energie. Zum Betreiben des Elektrolyseurs 3 wird dann elektrische Energie aus der Batterie 4 entnommen. Diese liefert zu diesem Zweck einen Gleichstrom, der vom bidirektionalen Gleichrichter 5 in Wechselstrom gerichtet wird. Dieser wird dem ersten Gleichrichter 2 zur Verfügung gestellt, der diesen Wechselstrom in Gleichstrom richtet, der dem Elektrolyseur 3 zur Verfügung gestellt werden kann.
Die in der 2 dargestellte erfindungemäße Anordnung weist ebenfalls ein Windkraftwerk 1a, einen Gleichrichter 2, einen Elektrolyseur 3 und eine Batterie 4 auf. Der Ausgang des Windkraftwerkes 1a ist mit dem Eingang des Gleichrichters 2 verbunden, während der Ausgang des Gleichrichters 2 mit dem Eingang des Elektrolyseurs 3 verbunden ist. Die Anordnung weist ferner einen bidirektionalen Gleichspannungsteller 6 auf, der mit dem Ausgang des Gleichrichters 2, dem Eingang des Elektrolyseurs 3 und Anschlüssen der Batterie 4 verbunden ist. Der Gleichspannungssteller 6 ermöglicht eine Anpassung der Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters 2 und am Eingang des Elektrolyseurs 3 einerseits und an den Anschlüssen der Batterie 4 andererseits.
Auch mit dieser Anordnung ist es möglich, in windreichen Zeiträumen vom Elektrolyseur 3 nicht benötigte Energie in der Batterie 4 zu speichern und diese in windarmen Zeiträumen über den Gleichspannungssteller 6 aus der Batterie 4 zu entnehmen und dem Elektrolyseur 3 zur Verfügung zu stellen.
Die in der 3 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung weist die gleichen Komponenten auf, wie die Anordnung gemäß 2 mit dem Unterschied, dass es sich bei dem Gleichstromsteller 6 um einen unidirektionalen Gleichstromsteller handeln kann. Der Gleichstromsteller 6 ist auch außerdem an anderer Stelle in der Anordnung vorgesehen.
Der Ausgang des Gleichrichters 2, bei dem es sich um einen bidirektionalen Gleichrichter handeln kann, ist über den Gleichspannungssteller 6 mit dem Eingang des Elektrolyseurs 3 und mit den Anschlüssen der Batterie 4 verbunden, d. h., dass die Anschlüsse der Batterie 4 mit dem Eingang des Gleichstromstellers 6 verbunden sind. Der Ausgang des Gleichstromstellers 6 ist mit dem Eingang des Elektrolyseurs 3 verbunden.
Die in der 4 dargestellte Anordnung ähnelt der Anordnung gemäß 1. Ein Unterschied liegt in der Einbindung der Batterie 4 und ein Weiterer in der Ausbildung des zweiten Gleichrichters 5.
Während bei der Anordnung gemäß 1 die Batterie 4 über einen bidirektionalen Gleichrichter 5 an den Ausgang des Windkraftwerkes 1a angeschlossen ist, sind die Anschlüsse der Batterie 4 bei der Anordnung gemäß 4 über einen unidirektionalen Gleichrichter 5 an den Ausgang des Kraftwerkes angeschlossen. Die Verbindung zwischen der Batterie 4 und dem Elektrolyseur 3 ist über einen Gleichstromsteller 6 hergestellt, der die Anschlüsse der Batterie 4 mit dem Eingang des Elektrolyseurs verbindet.
Im Unterschied zu den Anordnungen gemäß den 1 bis 4 ist in der Anordnung gemäß der 5 ein Fotovoltaikkraftwerk 1b anstelle eines Windkraftwerkes vorgesehen. Das hat einen Einfluss auf die Topologie, dass das Fotovoltaikkraftwerk 1b an seinem Ausgang einen Gleichstrom bereitstellt.
Unter einem Fotovoltaikkraftwerk 1b im Sinne der Anmeldung wird ein einzelnes Fotovoltaikmodul, ein Strang von mehreren in Reihe geschalteten Fotovoltaikmodulen, mehrere parallel geschaltete Fotovoltaikmodule oder Stränge von Fotovoltaikmodulen verstanden. Die Stränge können an einem Ort oder an verschiedenen Orten geographisch verteilt angeordnet sein.
Da das Fotovoltaikkraftwerk 1b am Ausgang einen Gleichstrom bereitstellt, ist eine Änderung der Spannungsform nicht notwendig. Da aber das Fotovoltaikkraftwerk 1b einen Gleichstrom mit anderen elektrischen Größen bereitstellt als sie von der Batterie 4 und/oder von dem Elektrolyseur 3 erwartet werden, kann eine Anpassung der elektrischen Größen, insbesondere der Spannung erforderlich sein. Daher sind in der Anordnung gemäß 5 Gleichstromsteller 7, 8 vorgesehen.
Ein Eingang eines ersten Gleichstromstellers 7 ist an den Ausgang des Fotovoltaikkraftwerkes 1b angeschlossen. Der Ausgang dieses ersten Gleichstromstellers 7 ist zum einen mit Anschlüssen einer Batterie 4 und zum anderen mit Anschlüssen eines zweiten Gleichstromstellers 8 verbunden. Der Ausgang des zweiten Gleichstromstellers 8 ist mit dem Eingang des Elektrolyseurs 3 verbunden. Optional könnte noch ein Wechselrichter vorgesehen sein, der den Ausgang des Fotovoltaikkraftwerkes 1b mit einem öffentlichen Stromnetz verbindet, so dass von dem Fotovoltaikkraftwerk 1b erzeugter Strom auch in das Netz eingespeist werden kann.

Claims

Anordnung aus mindestens einem Kraftwerk (1a, 1b) mit mindestens einem Ausgang und mindestens einer Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas mittels von dem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas mittelbar oder unmittelbar an den Ausgang des Kraftwerkes (1a, 1b) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Speicher (4) für elektrische Energie, insbesondere Batterien, aufweist, der mit dem Ausgang des Kraftwerkes (1a, 1b) und dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1a) einen Wechselstromausgang als Ausgang aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromausgang des Kraftwerkes (1a) über einen Gleichrichter (2) mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromausgang des Kraftwerkes (1a) über einen Gleichrichter (2, 5) mit Anschlüssen des Speichers (4) für elektrische Energie verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbundene Gleichrichter (2) derselbe Gleichrichter (2) ist wie der, der mit den Anschlüssen des Speichers für elektrische Energie verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des Gleichrichters (2) und/oder der Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas über einen Gleichstromsteller (6) mit den Anschlüssen des Speichers (4) für elektrische Energie verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (6) ein bidirektionaler Gleichstromsteller ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbundene Gleichrichter (2) ein anderer Gleichrichter (5) ist wie der, der mit den Anschlüssen des Speichers (4) für elektrische Energie verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit den Anschlüssen des Speichers (4) für elektrische Energie verbundene Gleichrichter (5) ein bidirektionaler Gleichrichter ist, z. B. AC-DC-Stromrichter, insbesondere ein Vierquadrantensteller, eine HGÜ-Kurzkupplung, ein Umformer mit einer Gleichstrommaschine und einer Wechselstrommaschine oder ähnliches.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselspannungsseite des bidirektionalen Gleichrichters (5) mit dem Ausgang des Kraftwerkes (1a) und mit dem Eingang des mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbundenem Gleichrichters (2) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichstromseite des mit den Anschlüssen des Speichers (4) für elektrische Energie verbundenem Gleichrichters (5) über einen Gleichstromsteller (6) mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1b) einen Gleichstromausgang als Ausgang aufweist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromausgang unmittelbar oder über einen oder mehrere Gleichstromsteller (7, 8) mit der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Gleichstromsteller (7) primärseitig mit dem Gleichstromausgang und sekundärseitig mit den Anschlüssen des Speichers (3) für elektrische Energie verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichstromsteller (7) sekundärseitig auch mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichstromsteller (7) und die Anschlüsse des Speichers (4) für elektrische Energie mit einer Primärseite eines zweiten Gleichstromstellers (8) verbunden ist, dessen Sekundärseite mit dem Eingang der Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Gas verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk ein Wärmekraftwerk, insbesondere ein Dampfkraftwerk, ein Diesel-/Gasmotorkraftwerk oder ein Gasturbinenkraftwerk, ein Windkraftwerk, ein Wasserkraftwerk, ein Gezeitenkraftwerk, ein Fotovoltaikkraftwerk oder ähnliches ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Gas ein Elektrolyseur, ein Methanol-Reformer oder eine andere Vorrichtung zur Herstellung eines Gases ist, welcher zur Herstellung des Gases elektrische Energie zugeführt werden muss.