DE102013114680A1

DE102013114680A1 - Energieversorgungssystem

Info

Publication number: DE102013114680A1
Application number: DE102013114680.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Teichmann; Eberhard Schlücker
Original assignee: Hydrogenious Technologies GmbH
Current assignee: Hydrogenious Technologies GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (200) zum Versorgen von Verbrauchereinheiten (400) mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz (201), mit einem Energiespeicher (100), der eine Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser, einen Hydrierreaktor zum Hydrieren eines flüssigen Wasserstoffträgers, einen Dehydrierreaktor zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers und eine erste Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff umfasst, und einer Verbrauchereinheit (400) mit einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, um die elektrische Energie in dem Energiespeicher (100) speichern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem zum Versorgen von Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz, einen Energiespeicher für ein Energieversorgungssystem und ein Energieversorgungsverfahren.
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Energieversorgungssystem anzugeben, das eine hohe Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Figuren, der Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Energieversorgungssystem zum Versorgen von Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz gelöst, mit einem Energiespeicher, der eine Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser, einen Hydrierreaktor zum Hydrieren eines flüssigen Wasserstoffträgers (LOHC), einen Dehydrierreaktor zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers (LOHC) und eine erste Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff umfasst, und einer Verbrauchereinheit mit einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, um die elektrische Energie in dem Energiespeicher zu speichern. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Verbrauchs- oder Versorgungsspitzen in dem Stromversorgungsnetz in hocheffizienter Weise ausgeglichen werden und Energie aus den Verbrauchereinheiten mit dem Ziel einer kontinuierlichen Versorgung zwischengespeichert werden kann. Eine Verbrauchereinheit ist beispielsweise ein Haus oder eine Produktionsstätte.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst der Energiespeicher einen Wärmetauscher zum Übertragen einer beim Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme oder einer Abwärme der Elektrolyseeinheit und Brennstoffzelle an die Verbrauchereinheit. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Wirkungsgrad des Energiespeichers erhöht, da anfallende Wärme von der Verbrauchereinheit genutzt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst der Energiespeicher einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Dampf aus der bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Dampf als Prozessmittel erzeugt wird, der als Energielieferant für verfahrenstechnische oder mechanische Einrichtungen verwendet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst der Energiespeicher einen dampfbetriebenen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie aus dem Dampf des Dampferzeugers. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass der Wirkungsgrad des Energiespeichers verbessert wird, da die elektrische Energie zusätzlich zur Elektrolyse von Wasser verwendet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems ist die zweite Energieerzeugungseinrichtung eine photovoltaische Einrichtung oder eine Windkraftanlage. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Strom auf einfache Weise durch die Verbrauchereinheit erzeugt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst der Energiespeicher eine Thermosolareinheit oder einen mit regenerativem Strom beheizbaren Ofen zum Erzeugen von Wärmeenergie für eine Dehydrierung des flüssigen Wasserstoffträgers. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Energie zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers autonom aus Sonnenlicht gewonnen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst die erste Energieerzeugungseinrichtung einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle zur Oxidation von Wasserstoff. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Wasserstoff effizient in Strom zurückgewandelt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst das Energieversorgungssystem ein Kraftwerk zum Einspeisen elektrischer Energie in das Stromversorgungsnetz mittels einer Verbrennung von fossilen Energieträgern oder unter Nutzung nuklearer Technologie.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems ist der Energiespeicher thermisch mit dem Kraftwerk gekoppelt, um die bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzte Wärme an das Kraftwerk zu übertragen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst das Energieversorgungssystem eine Dampfleitung zum Übertragen von Dampf von dem Energiespeicher an das Kraftwerk, um den Energiespeicher thermisch mit dem Kraftwerk zu koppeln. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass durch den Dampf eine hohe Wärmemenge einfach und schnell übertragen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst das Energieversorgungssystem eine Fluidleitung zum Übertragen von Sauerstoff und/oder Wasserstoff von dem Energiespeicher an das Kraftwerk. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Sauerstoff oder der Wasserstoff an das Kraftwerk übertragen werden kann, um den Wirkungsgrad einer Verbrennung zu erhöhen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst das Energieversorgungssystem eine Fluidleitung zum Übertragen von Sauerstoff und/oder Wasserstoff von dem Energiespeicher an eine sauerstoffverarbeitende Einrichtung, wie beispielsweise eine Kläranlage oder eine Chemiefabrik.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems umfasst das Energieversorgungssystem ein Blockheizkraftwerk zur Energiegewinnung durch Verbrennung von Wasserstoff aus dem Energiespeicher. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Wasserstoff an das Blockheizkraftwerk übertragen werden kann, um lokal in der Nähe der Verbrauchereinheiten Strom und Wärme zu erzeugen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Energiespeicher für ein Energieversorgungssystem nach dem ersten Aspekt gelöst, der eine Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser, einen Hydrierreaktor zum Hydrieren eines flüssigen Wasserstoffträgers, einen Dehydrierreaktor zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers, eine Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff und einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Dampf aus der bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme umfasst. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Dampf als Prozessmittel erzeugt wird, der als Energielieferant für verfahrenstechnische oder mechanische Einrichtungen verwendet werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Energieversorgungsverfahren zum Versorgen von Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz gelöst, mit den Schritten eines Erzeugens von Wasserstoff aus Wasser mittels einer Elektrolyseeinheit eines Energiespeichers, eines Hydrierens eines flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Hydrierreaktors des Energiespeichers; eines Dehydrierens des flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Dehydrierreaktors des Energiespeichers; eines Erzeugens elektrischer Energie aus Wasserstoff mittels einer ersten Energieerzeugungseinrichtung des Energiespeichers; und eines Erzeugen elektrischer Energie mittels einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung einer Verbrauchereinheit, um die elektrische Energie in dem Energiespeicher zu speichern. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass Verbrauchs- oder Versorgungsspitzen in dem Stromversorgungsnetz in effizienter Weise ausgeglichen werden und Energie aus den Verbrauchereinheiten zwischengespeichert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungsverfahrens wird der Schritt des Erzeugens von Wasserstoff mittels der Elektrolyseeinheit oder des Hydrierens des flüssigen Wasserstoffträgers durchgeführt, sobald eine Leistungsabgabe des Stromversorgungsnetzes an Verbrauchereinheiten unter einen Schwellwert sinkt oder eine Erzeugung aus regenerativen, fossilen und nuklearen Energieerzeugern innerhalb des Stromversorgungsnetzes über einen Schwellenwert steigt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Last- und Erzeugungsspitzen schnell ausgeglichen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungsverfahrens umfasst das Energieversorgungsverfahren den Schritt eines Verbrennens von Sauerstoff in einem Kraftwerk, der durch die Elektrolyseeinheit erzeugt worden ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems mit einem Kraftwerk und einem Energiespeicher;
2 eine schematische Ansicht des Energiespeichers;
3 eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems mit mehreren Energiespeichern und Verbrauchereinheiten;
4 eine weitere schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems mit einem Kraftwerk und einem Energiespeicher;
5 eine schematische Darstellung eines Kraftwerks mit mehreren dezentralen Energiespeichern; und
6 ein Blockdiagramm des Verfahrens.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems 200. Das Energieversorgungssystem 200 umfasst einen Energiespeicher 100, ein Stromversorgungsnetz 201 und ein Kraftwerk 300. Das Stromversorgungsnetz 201 wird durch das Kraftwerk mit elektrischer Energie versorgt. Der Energiespeicher 100 ist ebenfalls an das Stromversorgungsnetz 201 angeschlossen und dient zum Ausgleichen von Überkapazitäten bei der Stromversorgung durch das Kraftwerk 300. Das Energieversorgungssystem 200 kann eine Mehrzahl von Kraftwerken 300 umfassen die in einem Verbundsystem zusammengeschaltet sind, in dem die Kraftwerke synchron mit identischer Netzfrequenz und entsprechender Phasenlage arbeiten.
Kraftwerke 300, die Fossil- oder Nuklearenergien verarbeiten, weisen üblicherweise bestimmte optimale Betriebspunkte auf, in denen maximale energetische Wirkungsgrade erreicht werden. Werden diese Kraftwerke 300 nur mit einer Teillast gefahren, so sinken deren Wirkungsgrade und ein Wärmereintrag pro KWh an erzeugter Energie in die Umwelt oder/und der CO₂-Eintrag nimmt zu.
Für Kraftwerke 300, die sich Tag-Nacht-Zyklen in der Stromabnahme anpassen, hat dies teilweise zur Folge, dass diese in einem ineffizienten Bereich betrieben werden. Aufgrund des Tag-Nacht-Zyklus der Kraftwerke 300 ist ein Energiespeicher 100 technisch vorteilhaft, der es erlaubt die Kraftwerke 300 im oder nahe des optimalen Betriebspunktes zu betreiben und die dabei erzeugte Überschussenergie in den Energiespeicher 100 einzulagern und bei Bedarf wieder freizusetzen. Dadurch steigt die lieferbare Energiemenge des Kraftwerks 300 im Bedarfsfall um den Betrag der freisetzbaren Energie des Energiespeichers 100. Dadurch kann eine Anzahl der Spitzenlastkraftwerke verringert werden, so dass zugleich weniger Kraftwerke betrieben werden müssen um die Stromversorgung sicherzustellen.
Der Energiespeicher 100 verwendet zur Speicherung von elektrischer Energie aus dem Stromversorgungsnetz 201 flüssige Wasserstoffträger, an denen Wasserstoff chemisch gebunden wird oder aus denen Wasserstoff freigesetzt wird. Der flüssige Wasserstoffträger wird in einem Tank 109 innerhalb des Energiespeichers 100 aufbewahrt.
Die chemische Bindung des Wasserstoffs an den flüssigen Wasserstoffträger erfolgt in dem Hydrierreaktor durch eine katalytische Hydrierreaktion an ein organisches Molekül oder an eine Mischung organischer Moleküle. Derartige organische Hydride werden als flüssige Wasserstoffträger (LOHC – Liquid-Organic-Hydrogen-Carrier) bezeichnet.
Diese Form der Wasserstoffspeicherung hat den besonderen Vorteil, dass das Trägermedium des flüssigen Wasserstoffträgers unter den verwendeten Prozessbedingungen in flüssiger Form vorliegt. Die physikochemischen Eigenschaften der Trägermedien weisen eine hohe Ähnlichkeit zu herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen auf, so dass die Pumpen zum Transport und die Behälter zur Lagerung aus dem Bereich der Kraftstoff- und Brennstofflogistik genutzt werden können. Die Wasserstoffspeicherung in chemisch gebundener Form in einer organischen Flüssigkeit als flüssiger Wasserstoffträger erlaubt eine drucklose Lagerung von Wasserstoff bei Normalbedingungen über große Zeiträume ohne signifikanten Wasserstoffverlust.
Als flüssige Wasserstoffträger werden insbesondere polyzyklische, aromatische Verbindungen mit einem oder mehreren π-Elektronensystemen verwendet, die in dem Hydrierreaktor des Energiespeichers durch Hydrierung in die jeweiligen gesättigten, polyzyklischen Verbindungen überführt werden.
Als flüssige Wasserstoffträger können insbesondere Dibenzyltoluole und Benzyltoluole als Reinstoffe, isomere Gemische oder Mischungen dieser Substanzen verwendet werden. Es ist auch möglich, polyzyklische, heteroaromatische Verbindungen mit einem oder mehreren π-Elektronensystemen als flüssige Wasserstoffträger zu verwenden, die in dem Hydrierreaktor durch Hydrierung in die jeweiligen gesättigten, polyzyklischen Verbindungen überführt werden und die Heteroatome wie Stickstoff oder Sauerstoff enthalten. Insbesondere können N-Ethylcarbazol, N-Propylcarbazol, N-Isopropylcarbazol, N-Butylcarbazol oder Mischungen dieser Substanzen als flüssige Wasserstoffträger verwendet werden. Organische Oligomere oder Polymere mit ausgedehnten π-konjugierten Elektronensystemen sind ebenfalls mögliche Wasserstoffträger, die in dem Hydrierreaktor durch Hydrierung in die jeweiligen gesättigten Verbindungen überführt werden.
Bei der Verwendung von flüssigen organischen Hydriden erfolgt die Hydrierung des entladenen Wasserstoffträgers in dem druckstabilen chemischen Hydrierreaktor bei einer Temperatur zwischen 50°C und 400°C, insbesondere zwischen 120°C und 300°C, insbesondere zwischen 150°C und 280°C. Die Hydrierung, also das Beladen, findet bei einem Verfahrensdruck von 2 bar bis 200 bar, insbesondere bei 10 bar bis 100 bar und insbesondere in Gegenwart eines metallhaltigen Katalysators statt. Als Katalysatoren zum Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers eignen sich insbesondere diejenigen Katalysatoren, die das Element Ruthenium und/oder Nickel umfassen. Es sind auch Katalysatoren möglich, die andere Elemente oder zusätzliche Elemente neben Ruthenium und/oder Nickel aufweisen.
In dem Dehydrierreaktor wird der Wasserstoff durch eine katalysierte Dehydrierreaktion aus dem beladenen flüssigen Wasserstoffträger freigesetzt. Die Freisetzung des Wasserstoffs erfolgt durch eine stoffliche Umwandlung des beladenen Wasserstoffträgers durch Entladung in dem Dehydrierreaktor mittels einer katalysierten Dehydrierreaktion.
Im beladenen Zustand kann der flüssige Wasserstoffträger eine gesättigte, polyzyklische Verbindung sein, insbesondere ein Perhydro-Dibenzyltoluol oder ein Perhydro-Benzyltoluol. Diese Verbindungen können als Reinstoffe, isomere Gemische oder Mischungen verwendet werden. Der flüssige Wasserstoffträger kann eine gesättigte, polyzyklische Verbindung umfassen, die Heteroatome wie Stickstoff oder Sauerstoff enthält, wie beispielsweise Perhydro-N-Ethylcarbazol, Perhydro-N-Propylcarbazol, Perhydro-N-Isopropylcarbazol, Perhydro-N-Butylcarbazol oder Mischungen dieser Substanzen.
Alternativ kann als beladener Wasserstoffträger ein gesättigtes organisches Oligomer oder Polymer verwendet werden, das sich durch katalytische Dehydrierung in Oligomere oder Polymere mit ausgedehntem π-konjugierten Elektronensystem umsetzen lässt. Das Entladen der beladenen Wasserstoffträger in dem Dehydrierreaktor kann in einem druckstabilen chemischen Reaktor bei einer Prozesstemperatur zwischen 100° C und 450° C erfolgen, bevorzugt zwischen 150° C und 420°C und insbesondere zwischen 180° C und 390° C. Der Prozessdruck liegt zwischen 0,1 und 30 bar, insbesondere zwischen 1 und 10 bar. Zudem kann ein metallhaltiger Katalysator eingesetzt werden, der beispielsweise Platin und/oder Palladium umfasst.
Zunächst wird mittels einer Elektrolyseeinheit 103 innerhalb des Energiespeichers 100 Wasserstoff aus der elektrischen Energie des Stromversorgungsnetzes 201 aus Wasser gewonnen. Anschließend wird der erzeugte Wasserstoff mittels eines Hydrierreaktors 105 an den flüssigen Wasserstoffträger gebunden und gespeichert. Bei Strombedarf wird der flüssige Wasserstoffträger wieder mittels eines Dehydrierreaktors 119 dehydriert und der freigesetzte Wasserstoff über eine Brennstoffzelle 117 wieder in Strom gewandelt.
Der technische Vorteil des Energiespeichers 100 liegt in der stabilen chemischen Speicherung und der drucklosen Lagerung des Wasserstoffs. Dadurch kann durch den Energiespeicher 100 beispielsweise der Nacht- oder Überschussstrom der Kraftwerke in dem flüssigen Wasserstoffträger eingelagert werden und am Tag wieder freigegeben werden. Durch den Energiespeicher 100 können die Kraftwerke 300 nachts effizienter betrieben werden, so dass die nachts erzeugte Energie tagsüber dem Stromversorgungsnetz 201 zur Verfügung gestellt werden kann. Dadurch kann die Anzahl der Kraftwerke 300 bei gleichem Tagesstrombedarf verringert werden. Das Stromversorgungsnetz 201 dient zum Versorgen von Gebäuden mit elektrischer Energie. Der Transport der elektrischen Energie erfolgt mittels elektrisch leitender Stromleitungen, die überwiegend erdverlegt ist oder über Freileitungen.
Die einzuspeichernde Energiemenge für beispielsweise ein 1200 MW-Kraftwerk bei vollständiger Einspeicherung des erzeugten Stroms bei Volllast über zehn Stunden beträgt 12000 MWh. Bei einer unvollständigen Umsetzung des Stromes aus dem Kraftwerk aufgrund eines Wirkungsgrades der Elektrolyse von 80% wird beispielsweise eine Menge von 4800 m³ des flüssigen Wasserstoffträgers benötigt. Diese Menge entspricht einer Größe des Tanks 109 von 20m × 20m × 12m.
Vorteilhaft ist es, den Energiespeicher 100 nicht in der Nähe des Kraftwerkes 300 anzuordnen, sondern mehrere Energiespeicher 100 dezentral in Verbrauchernähe zu installieren. Eine Synergie mit den Kraftwerken als Energieerzeugern und den einzelnen Verbrauchereinheiten ist dadurch möglich, dass die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse sowie das Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers bei mangelnden Leistungsbedarfen oder großen Erzeugungsleistungen innerhalb des Energieversorgungssystems stattfindet. In diesem Fall steht Prozesswärme aus der Hydrierung des Wasserstoffträgers zur Verfügung, die als Fernwärme an die umliegenden Verbrauchereinheiten abgegeben werden kann.
Zu diesem Zweck ist in dem Energiespeicher 100 ein Wärmetauscher 107 bereitgestellt, der die Wärme in ein Fernwärmenetz 203 überträgt. Das Fernwärmenetz 203 dient zur Versorgung von Gebäuden mit Heizung und Warmwasser. Der Transport der thermischen Energie erfolgt in einem wärmegedämmten Rohrsystem, das überwiegend erdverlegt ist oder über Freileitungen. Bei der exothermen Hydrierung des flüssigen Wasserstoffträgers in dem Energiespeicher 100 kann mittels eines Dampferzeugers 111 Wasserdampf erzeugt werden, der dem Kraftwerk 300 zur Verfügung gestellt wird.
Der Dampf des Energiespeichers 100 kann jedoch auch einer Dampfturbine 301 des Kraftwerks 300 zugeleitet werden, so dass deren Leistung gesteigert werden kann. Dabei kann der Dampf statt am Eingang der Dampfturbine 301 an einer Stelle eingebracht werden, an der die Dampfparameter identisch sind. Die Dampfturbine 301 kann hierzu eine veränderte Turbinenkonstruktion aufweisen. Alternativ kann auch der Energiespeicher 100 eine Dampfturbine 301 zum Erzeugen elektrischer Energie umfassen.
Eine Energie zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers kann tagsüber aus einer Thermosolareinheit 115 oder aus einem mit regenerativem Strom betriebenen elektrischen Heizer gewonnen werden, die beispielsweise auf dem Dach des Energiespeichers oder auf umliegenden Gebäuden oder Flächen installiert sind. Falls Energie zur Dehydrierung des flüssigen Wasserstoffträgers fehlt, beispielsweise bei fehlender Sonneneinstrahlung, kann zusätzliche Energie beispielsweise aus dem Kraftwerk 300, aus Windkraftanlagen oder durch eine Verbrennung von Wasserstoff zugeführt werden.
Ein Großkraftwerk 300 kann beispielsweise mehrere Energiespeicher versorgen, die in den Zentren von Strom- und Wärmeverbrauchereinheiten installiert sind. Dezentrale Energiespeicher 100 können mit lokalen Energieerzeugern kombiniert werden. Beispielsweise können private Photovoltaik-Anlagen zusätzlichen Strom in den Energiespeicher einspeisen, wodurch tagsüber Hydrierwärme erzeugt wird, diefür die Fernwärmeversorgung genutzt werden kann. Dadurch entstehen Synergien zwischen dem Großstromerzeuger und privaten Stromerzeugern. Die dezentrale Struktur des Energieversorgungssystems 100 weist eine hohe Effizienz auf, da lediglich kurze Rohrleitungen verwendet werden, um Wärme an Verbrauchereinheiten abzugeben.
2 zeigt eine schematische Ansicht des Energiespeichers 100. Der Energiespeicher 100 dient zum Speichern elektrischer Energie aus dem Stromversorgungsnetz 201. Der Energiespeicher 100 umfasst eine Elektrolyseeinheit 103 zum Erzeugen von Wasserstoff aus der elektrischen Energie des Stromversorgungsnetzes 201 aus Wasser. Der so erzeugte Wasserstoff wird einem Hydrierreaktor 105 zugeführt, um einen den flüssigen Wasserstoffträger mittels des erzeugten Wasserstoffs zu hydrieren. Bei Bedarf wird der hydrierte Wasserstoffträger dem Dehydrierreaktor 119 des Energiespeichers zugeführt, um den flüssigen Wasserstoffträgers zu dehydrieren. Eine Energieerzeugungseinrichtung 117, beispielsweise eine Brennstoffzelle, des Energiespeichers 100 dient zum Erzeugen elektrischer Energie aus dem Wasserstoff, der durch den Dehydrierreaktor 119 gewonnen wird. Der beladene flüssige Wasserstoffträger von dem Hydrierreaktor 105 wird in dem Tank 109 zwischengespeichert. Anschließend wird der flüssige Wasserstoffträger dem Dehydrierreaktor 119 zugeleitet. Der entladene flüssige Wasserstoffträger wird einem Tank 109 zugeführt.
Im Allgemeinen kann ein einziger Tank mit dem flüssigen Wasserstoffträger in unterschiedlichen Beladungszuständen oder zwei Tanks verwendet werden, von denen der eine zum Speichern des unbeladenen flüssigen Wasserstoffträgers und der andere zum Speichern des beladenen flüssigen Wasserstoffträgers dient.
Die bei der Hydrierung anfallende Wärme wird anschließend mittels eines Wärmetauschers 107 in ein Fernwärmenetz 203 übertragen. In gleicher Weise kann die Abwärme der Elektrolyseeinheit 103 und der Brennstoffzelle mittels des Wärmetauschers 107 an das Fernwärmenetz 203 übertragen werden und die Verbrauchereinheiten geliefert werden.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems 200 mit mehreren Energiespeichern 100 und Verbrauchereinheiten 400, die über ein Stromversorgungsnetz 201 miteinander verbunden sind. Zusätzlich umfasst das Energieversorgungssystem 200 ein Kraftwerk 300 und eine andere Energieerzeugungseinrichtung 305, wie beispielsweise eine Windkraftanlage. Die Energiespeicher 100 und die Verbrauchereinheiten 400 sind über die elektrischen Leitungen 205 des Energieversorgungssystems 200 miteinander verbunden.
Die Verbrauchereinheiten 400 umfassen eine Energieerzeugungseinrichtung 405, wie beispielsweise eine photovoltaische Einrichtung oder eine Windkraftanlage. Die Energie, die von der Energieerzeugungseinrichtung 405 der Verbrauchereinheiten 400 erzeugt wird und die nicht in den Verbrauchereinheiten 400 verbraucht wird, wird über die elektrischen Leitungen 205 des Energieversorgungssystems 200 an die Energiespeicher 100 übertragen und gespeichert.
Sobald die Verbrauchereinheiten 400 mehr Energie benötigen als diese durch die Energieerzeugungseinrichtung 405 erzeugen, wird der zusätzliche Energiebedarf durch die Energiespeicher 100, oder das Kraftwerk gedeckt. Durch die Kopplung der Verbraucheinheiten 400 mit den Energiespeichern 100 können Last- oder Versorgungsspitzen in dem Energieversorgungssystem 200 ausgeglichen werden.
4 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Energieversorgungssystems 200 mit einem Kraftwerk 300 und einem Energiespeicher 100. Der Energiespeicher 100 umfasst einen dampfbetriebenen Generator 113, um einen Wirkungsgrad zu steigern. In diesem Fall wird die Hydrierwärme des Hydrierprozesses, die über 150°C liegt, für den Betrieb des dampfbetriebenen Generators 113 verwendet. Die Abwärme des dampfbetriebenen Generators 113 kann an das Fernwärmenetz 203 übertragen werden. Der Strom des Generators 113 kann der Elektrolyseeinheit 103 zugeführt werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Energiespeichers 100 steigt.
Sollte durch den Betrieb der Dampfturbine 301 oder die Dampfableitung ein Mangel an Fernwärme entstehen, so ist jede Form der Zuführung von Hydrierwärme zur Abwärme von der Dampfturbine 301 möglich. Dies kann durch Erwärmung über Wärmeübertrager als auch durch Direktzustrom erfolgen. Die Abwärme der Energie, die für die Dehydrierung verwendet wird, kann ebenfalls der Nah- oder Fernwärmeversorgung zur Verfügung gestellt werden. Dies gilt im Besonderen für die Versorgung aus Kleinkraftwerken, die in der Nähe des Energiespeichers 100 stehen.
Falls die Abwärme sowohl von Hydrierung als auch Dehydrierung nicht für den Wärmebedarf ausreicht, so kann das Kraftwerk 300 ergänzende Wärme liefern, indem Dampf ergänzend zur Verfügung gestellt wird, oder Verbrennungswärme durch eine Wasserstoffverbrennung in dem Energiespeicher 100 erzeugt wird. Im Falle eines auf einer Verbrennung basierenden Blockheizkraftwerks oder Kleinkraftwerks, das in der Nähe der Verbraucheinheiten steht, ist es möglich, die Kühlflüssigkeiten des Kraftwerks 300 direkt zum Dehydrieren und/oder für eine Nah- oder Fernwärme zu verwenden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den erzeugten und gespeicherten Wasserstoff in einem Blockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor als Motorbrennstoff zu nutzen, um Kraftstoffmängel zu überbrücken.
Konventionelle Kraftwerke 300 arbeiten oftmals auf der Basis der Verbrennung organischer Materialien wie Gas, Holz oder Öl. Daneben ist jedoch auch eine Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff realisierbar. Die Verbrennungsprozesse des Kraftwerks 300 verwenden den Sauerstoff als Reaktionsedukt, der zu 21% in der Umgebungsluft enthalten ist. Bei der Verbrennung werden die 79% des übrigen angesaugten Gasvolumens ebenfalls auf die Verbrennungstemperatur erwärmt und anschließend wieder in der Umwelt abgekühlt.
Diese Gasmenge wird ineffizient erwärmt und dies stellt einen Energieverlust bei der Verbrennung dar, der den Wirkungsgrad des Kraftwerks 300 reduziert und die Größe des Verbrennungsraums und des Abgaskanals bestimmt. Gleichzeitig sind die Sauerstofftransportgeschwindigkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit durch die anderen Nichtverbrennungsgase der Umgebungsluft limitiert.
In dem Energiespeicher 100 wird in der Elektrolyseeinheit 103 Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Allerdings wird lediglich der Wasserstoff zur Speicherung elektrischer Energie mittels des flüssigen Wasserstoffträgers verwendet. Daher steht der entstandene Sauerstoff für andere Anwendungen zur Verfügung. Zu diesem Zweck kann das Energieversorgungssystem 200 eine Fluidleitung zum Übertragen des Sauerstoffs von dem Energiespeicher 100 an das Kraftwerk 300 umfassen. Dadurch lässt sich der Sauerstoff im angesaugten Luftstrom des Kraftwerks 300 aufkonzentrieren oder alleinig als Reaktionsgas verwenden. Dadurch kann eine weitere Wirkungsgradsteigerung durch eine Synergie zwischen Kraftwerk 300 und Energiespeicher realisiert werden.
Wenn das Kraftwerk 300 im optimalen Betriebsbereich beispielsweise eine Leistung von 1200 MW abgibt und Tag und Nacht konstant betrieben wird, kann der Nachtstrom in den Energiespeicher 100 eingespeichert werden, und bei Bedarf am Tag oder zu Zeiten von Bedarfsmaxima freigesetzt werden. Das Kraftwerk 300 arbeitet in diesem Fall wesentlich effizienter. Außerdem kann die Abgabeleistung des Kraftwerks 300 zu Zeiten der Bedarfsmaxima mit Hilfe der gespeicherten Energie des Energiespeichers 100 um ca. 50% gesteigert werden, so dass das Kraftwerk 300 tagsüber eine Leistung von 1800 MW liefert. Daher ist der Energiespeicher 100 in der Lage, die Energieproduktion der Nacht auf den Tag zu verschieben. Dadurch lässt sich die Anzahl der zu Energieversorgung bereitgestellten Kraftwerke um 50% reduzieren, ohne dass Versorgungsengpässe entstehen.
Wird beispielsweise der ganze Nachtstrom eines 1200 MW Kraftwerkes über zehn Stunden in den Energiespeicher 100 eingespeist, wird eine Energiemenge von 12000 MWh gespeichert. Bei einer Speicherkapazität von 2 MWh/m³ im flüssigen Wasserstoffträger und einem Elektrolysewirkungsgrad von 80% wird zu Speicherung der Energiemenge ein Volumen von etwa 4800 m³ des flüssigen Wasserstoffträgers verwendet. Diese Menge kann in einem Tank 109 von 20m × 20m × 12m oder zehn dezentralen Tanks je 480 m³ mit Abmessungen von 10m × 10m × 4,8m oder 100 Tanks je 48 m³ gespeichert werden.
Bei einer Wärmeproduktion von 40% in dem gesamten Energiespeicher 100 entsteht eine Wärmeenergie von 3840 MWh in 10 Stunden. Im Jahr (365 Tage) entsteht hierdurch eine Wärmeenergie von 1401,6 GWh. Nimmt man den Heizbedarf des Wohnhauses mit 100 KWh/m² /a an, so ergeben sich bei einem Haus mit 200 m² Wohnfläche 20 MWh/a Jahresheizleistung. Die Gesamtwärmemenge von 1400 GWh reicht daher zum Beheizen von 70000 Häusern aus.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftwerks 300 mit mehreren dezentralen Energiespeichern 100. Der Vorteil eine Dezentralisierung der Energiespeicher 100 liegt zudem darin, dass die Fernwärmeversorgung zu einer Nahwärmeversorgung wird, so dass kurze Rohrleitungen zur Übertragung verwendet werden können. Dadurch können Wärmeverluste in Fernwärmeversorgung reduziert werden.
6 zeigt ein Blockdiagramm des Energieversorgungsverfahrens. Das Energieversorgungsverfahren umfasst die Schritte eines Erzeugens S101 von Wasserstoff aus Wasser mittels der Elektrolyseeinheit 103 des Energiespeichers 100, eines Hydrierens S102 des flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Hydrierreaktors 105 des Energiespeichers 100; eines Dehydrieren S103 des flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Dehydrierreaktors 119 des Energiespeichers 100; eines Erzeugens S104 elektrischer Energie aus Wasserstoff mittels einer ersten Energieerzeugungseinrichtung 117 des Energiespeichers 100; und eines Erzeugens S105 elektrischer Energie mittels einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung der Verbrauchereinheit 400, um die elektrische Energie in dem Energiespeicher 100 speichern.
Durch das Kraftwerk 300 in Kombination mit einem oder mehreren Energiespeichern wird der vom Kraftwerk 300 zu Zeiten reduzierter Leistungsabnahme erzeugte Überschussstrom in einen oder mehrere dezentral installierte Energiespeicher geleitet und dort zur Wasserstofferzeugung mittels einer Elektrolyseeinheit genutzt. Der Wasserstoff wird in den flüssigen Wasserstoffträger eingespeichert. Das Kraftwerk 300 kann ein Fossil- oder Nuklearenergien verarbeitendes Kraftwerk sein.
Aus der bei der Hydrierung freigesetzten Wärme kann Dampf erzeugt werden und der Dampfturbine 301 im Kraftwerk 300 zugeleitet werden. Zudem kann ein dampfbetriebener Generator 113 betrieben werden, dessen Strom erneut der Elektrolyseeinheit 103 zugeführt wird. Die Abwärme des dampfbetriebenen Generators 113 kann zusammen mit der Hydrierwärme und der Abwärme anderer Einheiten des Energiespeichers für das Fernwärmenetz verwendet werden. Die Wärmeenergie für das Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers kann durch Thermosolartechnik erzeugt werden.
Der Energiespeicher 100 kann mit Strom des Kraftwerks 300 versorgt werden und dezentral in einem Umfeld angeordnet sein, in dem sich weitere Stromerzeuger befinden. Diese Stromerzeuger sind ebenfalls an den Energiespeicher 100 angeschlossen und liefern je nach Bedarf und Möglichkeit Wärme zum Dehydrieren oder Strom zur Speicherung in dem Energiespeicher.
Das Kraftwerk 300 kann ein Kleinkraftwerk oder ein Blockheizkraftwerk sein, dessen Abwärme bevorzugt zum Dehydrieren und/oder zur Dampferzeugung genutzt und zusammen mit dem Dampf des Hydrierprozesses in dem dampfbetriebenen Generator 113 in Strom umgesetzt wird. Der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff kann zur Unterstützung des Verbrennungsprozesses in dem Kraftwerk 300 genutzt werden. Der dehydrierte Wasserstoff kann zeitweise zum Betrieb eines Verbrennungsmotors des Blockheizkraftwerkes eingesetzt werden.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: Energiespeicher
103: Elektrolyseeinheit
105: Hydrierreaktor
107: Wärmetauscher
109: Tank
111: Dampferzeuger
113: dampfbetriebener Generator
115: Thermosolareinheit
117: Energieerzeugungseinrichtung
119: Dehydrierreaktor
200: Energieversorgungssystem
201: Stromversorgungsnetz
203: Fernwärmenetz
205: Leitung
300: Kraftwerk
301: Dampfturbine
303: Energieerzeugungseinrichtung
400: Verbraucheinheit
403: Energieerzeugungseinheit
S101: Verfahrensschritt
S102: Verfahrensschritt
S103: Verfahrensschritt
S104: Verfahrensschritt
S105: Verfahrensschritt
S106: Verfahrensschritt

Claims

Energieversorgungssystem (200) zum Versorgen von Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz (201), mit: einem Energiespeicher (100), der eine Elektrolyseeinheit (103) zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser, einen Hydrierreaktor (105) zum Hydrieren eines flüssigen Wasserstoffträgers, einen Dehydrierreaktor (119) zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers und eine erste Energieerzeugungseinrichtung (117) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff umfasst, und einer Verbrauchereinheit (400) mit einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung (405) zum Erzeugen elektrischer Energie, um die elektrische Energie in dem Energiespeicher (100) zu speichern.
Energieversorgungssystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Energiespeicher (100) einen Wärmetauscher (107) zum Übertragen einer beim Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme oder einer Abwärme der Elektrolyseeinheit (103) und Brennstoffzelle an die Verbrauchereinheit (400) umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (100) einen Dampferzeuger (111) zum Erzeugen von Dampf aus der bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach Anspruch 3, wobei der Energiespeicher (100) einen dampfbetriebenen Generator (113) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus dem Dampf des Dampferzeugers (111) umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (100) eine Thermosolareinheit (115) zum Erzeugen von Wärmeenergie aus Sonnenlicht für eine Dehydrierung des flüssigen Wasserstoffträgers umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Energieerzeugungseinrichtung (117) einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle zur Oxidation von Wasserstoff umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungssystem (200) ein Kraftwerk (300) zum Einspeisen elektrischer Energie in das Stromversorgungsnetz (201) mittels einer Verbrennung von fossilen Energieträgern oder unter Nutzung nuklearer Technologie umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach Anspruch 7, wobei der Energiespeicher (100) thermisch mit dem Kraftwerk (300) gekoppelt ist, um die bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzte Wärme an das Kraftwerk (300) zu übertragen.
Energieversorgungssystem (200) nach Anspruch 8, wobei das Energieversorgungssystem (200) eine Dampfleitung zum Übertragen von Dampf von dem Energiespeicher (100) an das Kraftwerk (300) umfasst, um den Energiespeicher (100) thermisch mit dem Kraftwerk (100) zu koppeln.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Energieversorgungssystem (200) eine Fluidleitung zum Übertragen von Sauerstoff und/oder Wasserstoff von dem Energiespeicher (100) an das Kraftwerk (300) umfasst.
Energieversorgungssystem (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungssystem (200) ein Blockheizkraftwerk zur Energiegewinnung durch Verbrennung von Wasserstoff aus dem Energiespeicher (100) umfasst.
Energiespeicher (100) für ein Energieversorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der eine Elektrolyseeinheit (103) zum Erzeugen von Wasserstoff aus Wasser, einen Hydrierreaktor (105) zum Hydrieren eines flüssigen Wasserstoffträgers, einen Dehydrierreaktor (119) zum Dehydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers, eine Energieerzeugungseinrichtung (117) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff und einen Dampferzeuger (111) zum Erzeugen von Dampf aus der bei dem Hydrieren des flüssigen Wasserstoffträgers freigesetzten Wärme umfasst.
Energieversorgungsverfahren zum Versorgen von Verbrauchereinheiten (400) mit elektrischer Energie über ein Stromversorgungsnetz (201), mit: Erzeugen (S101) von Wasserstoff aus Wasser mittels einer Elektrolyseeinheit (103) eines Energiespeichers (100); Hydrieren (S102) eines flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Hydrierreaktors (105) des Energiespeichers (100); Dehydrieren (S103) des flüssigen Wasserstoffträgers mittels eines Dehydrierreaktors (119) des Energiespeichers (100); Erzeugen (S104) elektrischer Energie aus Wasserstoff mittels einer ersten Energieerzeugungseinrichtung (117) des Energiespeichers (100); und Erzeugen (S105) elektrischer Energie mittels einer zweiten Energieerzeugungseinrichtung einer Verbrauchereinheit (400), um die elektrische Energie in dem Energiespeicher (100) speichern.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzeugens von Wasserstoff mittels der Elektrolyseeinheit (103) oder des Hydrierens des flüssigen Wasserstoffträgers durchgeführt wird, sobald eine Leistungsabgabe des Stromversorgungsnetzes (201) an Verbrauchereinheiten (400) unter einen Schwellwert sinkt oder eine Erzeugung aus regenerativen, fossilen und nuklearen Energieerzeugern innerhalb des Stromversorgungsnetzes (201) über einen Schwellenwert steigt.
Energieversorgungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Energieversorgungsverfahren den Schritt eines Verbrennens in einem Kraftwerk (300) unter Zufuhr von Sauerstoff umfasst, der durch die Elektrolyseeinheit (103) erzeugt worden ist.