DE102013209883A1 - Integrierte Anlage und Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Anlage, die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst, wobei die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist und in der Anlage zur Stromerzeugung aus einem in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Produktgas Strom erzeugt wird. Diese integrierte Anlage ermöglicht einen flexiblen Einsatz von Strom durch ein Verfahren, bei dem in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert wird und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Anlage und ein Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom.
  • Der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Windkraft, Solarenergie und Wasserkraft, gewinnt eine immer größere Bedeutung zur Stromerzeugung. Elektrische Energie wird typischerweise über langreichweitige, überregionale und länderübergreifend gekoppelte Stromversorgungsnetze, kurz als Stromnetze bezeichnet, an eine Vielzahl von Verbrauchern geliefert. Da elektrische Energie im Stromnetz selbst beziehungsweise ohne weitere Vorrichtungen nicht in signifikantem Umfang speicherbar ist, muss die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung auf den verbraucherseitigen Leistungsbedarf, die sogenannte Last, abgestimmt werden. Die Last schwankt bekanntermaßen zeitabhängig, insbesondere je nach Tageszeit, Wochentag oder auch Jahreszeit. Klassisch wird der Lastverlauf in die drei Bereiche Grundlast, Mittellast und Spitzenlast unterteilt, und elektrische Energieerzeuger werden je nach Typ geeignet in diesen drei Lastbereichen eingesetzt. Für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung ist ein kontinuierlicher Gleichlauf von Stromerzeugung und Stromabnahme notwendig. Eventuell auftretende kurzfristige Abweichungen werden durch sogenannte positive oder negative Regelenergie bzw. Regelleistung ausgeglichen. Bei regenerativen Stromerzeugungseinrichtungen tritt die Schwierigkeit auf, dass bei bestimmten Typen, wie Windkraft und Solarenergie, die Energieerzeugungsleistung nicht zu jedem Zeitpunkt vorhanden und in bestimmter Weise steuerbar ist, sondern z.B. tageszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen unterliegt, die nur bedingt vorhersagbar sind und in der Regel nicht mit dem jeweils aktuellen Energiebedarf übereinstimmen.
  • Üblicherweise ist die Differenz zwischen der Erzeugungsleistung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien und dem aktuellen Verbrauch durch andere Kraftwerke bereitzustellen, wie beispielsweise Gas-, Kohle- und Kernkraftwerke. Mit zunehmendem Ausbau und Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien an der Stromversorgung müssen immer größere Schwankungen zwischen deren Leistung und dem aktuellen Verbrauch ausgeglichen werden. So werden bereits heute neben Gaskraftwerken zunehmend auch Steinkohlekraftwerke in Teillast gefahren oder ganz heruntergefahren, um die Schwankungen auszugleichen. Da diese variable Fahrweise der Kraftwerke mit beträchtlichen Zusatzkosten verbunden ist, wird seit geraumer Zeit die Entwicklung alternativer Maßnahmen untersucht. Ein Ansatz ist es, alternativ oder ergänzend zur Veränderung der Leistung eines Kraftwerks die Leistung von einem oder mehreren Verbrauchern anzupassen (z.B. Demand Side Management, Smart Grids). Ein weiterer Ansatz ist es, im Fall von hohen Erzeugungsleistungen aus erneuerbaren Energien einen Teil der Leistung zu speichern und in Zeiten von geringen Erzeugungsleistungen oder hohem Verbrauch wieder auszuspeichern. Dazu werden bereits heute beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt. In der Entwicklung befinden sich auch Konzepte zur Speicherung von Strom in Form von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser.
  • Die hier beschriebenen Maßnahmen sind insgesamt mit beträchtlichen Zusatzkosten und wirkungsgradbedingten Energieverlusten verbunden. Vor diesem Hintergrund wird verstärkt nach besseren Möglichkeiten gesucht, die durch die Verwendung von erneuerbaren Energien, insbesondere Windkraft und Solarenergie, auftretenden Unterschiede zwischen Strombereitstellung und Stromabnahme auszugleichen.
  • Bei einer geschätzten Betriebsdauer von höchstens 20%, bezogen auf einen maximal möglichen Dauereinsatz, ergeben sich inakzeptabel lange Amortisationszeiten, so dass eine Rentabilität nur durch staatliche Eingriffe oder außergewöhnliche Geschäftsmodelle gegeben sein kann. Diese Schätzung beruht darauf, dass die Anlage nur in Zeiten eines Überschusses an erneuerbaren Energien betrieben wird.
  • Weiterhin ist festzuhalten, dass für den Fall eines über längere Zeit geringen Angebots an erneuerbarer Energie Kraftwerke vorgehalten werden müssen, die die Deckung eines Grundbedarfs sicherstellen können. Die hierzu notwendige Vorhaltung von Kraftwerkskapazitäten muss betriebswirtschaftlich machbar sein oder gegebenenfalls durch staatliche Regelungen finanziert werden, da auch in diesem Fall vergleichsweise hohe Fixkosten einer relativ geringen Betriebsdauer gegenüberstehen.
  • Konventionelle Kraftwerke, d. h. Kraftwerke, die auf fossilen oder biogenen Energieträgern oder auf Kernkraft basieren, können elektrische Energie planbar über lange Zeit bereitstellen. Der Einsatz von auf fossilen Energieträgern oder Kernkraft basierten Anlagen soll allerdings aufgrund von politischen Gründen, insbesondere Gründen der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes, zunehmend zu Gunsten von Stromerzeugern reduziert werden, die auf erneuerbaren Energien basieren. Diese Stromerzeuger müssen jedoch bedarfsgerecht installiert und ihrerseits wirtschaftlich betrieben werden können. Ab einem gewissen Grad an installierter Kapazität auf Basis erneuerbarer Energien ist es wirtschaftlich sinnvoller, statt eines weiteren Zubaus an Kapazitäten für erneuerbare Energien solche in Form von Speichern zu installieren, so dass in Zeiten eines Stromüberschusses durch erneuerbare Energie diese sinnvoll eingesetzt und gespeichert werden kann und in Zeiten eines Stromunterschusses aus Energiespeichern oder konventionellen Kraftwerken Strom bereitgestellt werden kann. Bei einer zweckmäßigen Flexibilisierung des Energieverbrauchs kann hierbei angenommen werden, dass die Zeiten eines spürbaren Stromüberschusses oder Stromunterschusses geringer sein werden. Für diese geringen Zeiten besteht trotz allem die Notwendigkeit, die Stromversorgung sicherzustellen, wobei dies möglichst wirtschaftlich bewerkstelligt werden sollte.
  • In Anbetracht des Standes der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anlage bereitzustellen, die nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
  • Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wege zu finden, die es ermöglichen, die Flexibilität im Hinblick auf Speicherung und Nutzung von elektrischer Energie gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen.
  • Weiterhin sollte die Anlage flexibel betreibbar sein, so dass auf eine Veränderung von Stromangebot und/oder Stromnachfrage besonders flexibel reagiert werden kann, um beispielsweise wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Hierbei sollte die Anlage auch bei längeren Perioden eines hohen oder geringen Stromangebots zur Speicherung oder Bereitstellung von elektrischer Energie eingesetzt werden können.
  • Ferner sollte durch die vorliegende Erfindung die Versorgungssicherheit verbessert werden.
  • Die Anlage und das Verfahren sollten weiterhin einen möglichst hohen Wirkungsgrad besitzen. Weiterhin sollte das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der herkömmlichen und weithin vorhandenen Infrastruktur durchgeführt werden können.
  • Darüber hinaus sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.
  • Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen.
  • Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die sich aus den einleitend diskutierten Zusammenhängen ergeben, durch eine integrierte Anlage, die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und eine Anlage zur Stromerzeugung integriert, indem die Anlagen über eine Leitung verbunden werden, sodass in der Anlage zur Stromerzeugung ein Produktgas, das in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhalten wird, zur Erzeugung von Strom genutzt werden kann.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine integrierte Anlage die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist und die Leitung ein in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenes Produktgas der Anlage zur Stromerzeugung zuführt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom, bei dem in einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert werden und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden.
  • Die erfindungsgemäße integrierte Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren weisen ein besonders gutes Eigenschaftsprofil auf, wobei die Nachteile herkömmlicher Verfahren und Anlagen deutlich reduziert werden können.
  • Insbesondere wurde in überraschender Weise gefunden, dass es damit möglich wird, eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit einer hohen Auslastung zu betreiben, wobei erneuerbare Energien bei einem Überschuss wirtschaftlich eingesetzt werden können. Weiterhin kann durch die Anlage ein Stromüberschuss aus erneuerbaren Energien, unter anderem Windkraft oder Photovoltaik, in eine speicherbare Form überführt werden.
  • Ferner kann elektrische Energie auch bei einer längeren Periode an einem geringen Angebot an erneuerbarer Energie auf besonders kostengünstige Weise bereitgestellt werden.
  • Eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure kann gut dynamisch betrieben werden, lässt sich also variabel auf das Stromangebot hin anpassen. Hierbei kann die integrierte Anlage auch bei längeren Perioden eines hohen oder geringen Stromangebots zur Speicherung oder Bereitstellung von elektrischer Energie eingesetzt werden. Hierbei können überraschend hohe Laufzeiten aller Komponenten der integrierten Anlage erzielt werden, so dass deren Betrieb sehr wirtschaftlich gestaltet werden kann.
  • Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure regelbar ausgestaltet ist, wobei die Regelung in Abhängigkeit des Stromangebots erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure Strom aus erneuerbaren Energien verwendet.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren mit relativ wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.
  • Durch die Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien ermöglicht die vorliegende integrierte Anlage die Bereitstellung von chemischen Folgeprodukten bei einer geringen Freisetzung von Kohlendioxid, da die erhaltene Blausäure bei sehr hohen Umsatzgraden und im Vergleich zu alternativen Ausgangsstoffen bei geringerer weiterer Energiezufuhr oder höherer Wärmefreisetzung zu vielen chemisch wichtigen Folgeprodukten umgesetzt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße integrierte Anlage dient zur zweckmäßigen und flexiblen Verwendung von elektrischer Energie, hierin synonym auch als Strom bezeichnet. Die integrierte Anlage kann bei einem hohen Stromangebot elektrische Energie speichern und insbesondere bei einem geringen Stromangebot elektrische Energie in ein Stromnetz einspeisen. Der Begriff Speicherung bezeichnet hierbei die Fähigkeit der Anlage, bei einem hohen Angebot an Strom diesen in eine speicherbare Form, vorliegend als chemische Energie, zu überführen, wobei diese chemische Energie bei einem geringen Angebot an Strom in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Speicherung kann dabei in Form des Koppelprodukts Wasserstoff erfolgen, das bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure aus Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen zwangsläufig entsteht. Die Speicherung kann außerdem in Form von Produkten erfolgen, die bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure in einer parallel zur Bildung von Blausäure ablaufenden endothermen Umsetzung entstehen können, beispielsweise durch eine Umsetzung von zwei Molekülen Methan zu Ethan und Wasserstoff. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass zwei Mol Methan (CH4) einen geringeren Energiegehalt haben, als beispielsweise ein Mol Ethan (C2H6) und ein Mol Wasserstoff, so dass durch eine Umwandlung von Methan in Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen Energie gespeichert werden kann.
  • In konventionellen Anlagen zur Herstellung von Blausäure wird relativ viel Energie aufgewendet, um die entstehenden Nebenproduktgase aufzuarbeiten, um Wasserstoff gegebenenfalls in reiner Form zu verkaufen. In der vorliegenden Anlage kann diese Reinigung sehr viel einfacher ausgestaltet werden indem die Nebenproduktgase energetisch verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße integrierte Anlage umfasst eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure. Der Begriff elektrothermisch bezeichnet dabei ein Verfahren, bei dem Blausäure in einer endothermen Reaktion aus Kohlenwasserstoffen oder Kohle hergestellt wird und die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme durch elektrischen Strom erzeugt wird. Vorzugsweise werden gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoffe eingesetzt, besonders bevorzugt aliphatische Kohlenwasserstoffe. Besonders geeignet sind Methan, Ethan, Propan und Butane, insbesondere Methan. Bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen wird als Koppelprodukt Wasserstoff erhalten.
  • Die elektrothermische Herstellung von Blausäure kann durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Ammoniak oder Stickstoff in einem Lichtbogenreaktor erfolgen. Die elektrothermische Herstellung von Blausäure kann dabei in einem einstufigen Prozess erfolgen, bei dem eine Ammoniak und mindestens einen Kohlenwasserstoff enthaltende Gasmischung durch den Lichtbogen geführt wird. Alternativ kann auch eine Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltende Gasmischung, die zusätzlich Wasserstoff enthalten kann, durch den Lichtbogen geführt werden. Geeignete Anlagen und Verfahren für eine einstufige elektrothermische Herstellung von Blausäure im Lichtbogen sind aus GB 780,080 , US 2,899,275 und US 2,997,434 bekannt. Alternativ kann die elektrothermische Herstellung von Blausäure in einem zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem Stickstoff durch den Lichtbogen geführt wird und mindestens ein Kohlenwasserstoff hinter dem Lichtbogen in das im Lichtbogen erzeugte Plasma eingespeist wird. Eine geeignete Anlage und ein Verfahren für eine zweistufige elektrothermische Herstellung von Blausäure sind aus US 4,144,444 bekannt.
  • Der Lichtbogenreaktor wird vorzugsweise mit einer Energiedichte von 0,5 bis 10 kWh/Nm3, besonders 1 bis 5 kWh/Nm3 und insbesondere 2 bis 3,5 kWh/Nm3 betrieben, wobei sich die Energiedichte auf das durch den Lichtbogen geleitete Gasvolumen bezieht.
  • Die Temperatur in der Reaktionszone des Lichtbogenreaktors variiert aufgrund des Gasflusses, wobei im Zentrum des Lichtbogens bis zu 20000 °C erreicht werden und am Rand die Temperatur etwa 600 °C betragen kann. Am Ende des Lichtbogens liegt die mittlere Temperatur des Gases vorzugsweise im Bereich von 1300 bis 3000 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 1500 bis 2600 °C.
  • Die gewünschte Produktionskapazität wird in der Regel durch eine parallele Anordnung von mehreren Lichtbogenreaktoren erzielt, die gemeinsam oder getrennt gesteuert werden können.
  • Die Verweilzeit des Einsatzstoffes in der Reaktionszone des Lichtbogenreaktors liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 ms bis 20 ms, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 ms bis 10 ms und speziell bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 ms. Danach wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung gequencht, d.h. einer sehr schnellen Abkühlung auf Temperaturen von weniger als 250 °C unterzogen, um eine Zersetzung des thermodynamisch instabilen Zwischenprodukts Blausäure zu vermeiden. Zum Quenchen kann ein direktes Quenchverfahren wie zum Beispiel die Einspeisung von Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser oder ein indirektes Quenchverfahren, wie zum Beispiel die rasche Abkühlung in einem Wärmetauscher mit Dampfgewinnung eingesetzt werden. Direktes Quenchen und indirektes Quenchen können auch miteinander kombiniert werden.
  • In einer ersten Ausführungsform wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung nur mit Wasser gequencht. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch relativ geringe Investitionskosten aus. Nachteilig ist jedoch, dass auf diese Weise ein beträchtlicher Teil der im Produktgas enthaltenen Energie nicht oder exergetisch minderwertig genutzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform, wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit gemischt, wobei zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe endotherm gespalten wird. Je nach Prozessführung wird dabei ein mehr oder minder breites Produktspektrum erzeugt, z. B. neben Blausäure und Wasserstoff auch Anteile an Ethan, Propan, Ethen und anderen niederen Kohlenwasserstoffen. Hierdurch kann die entstehende Wärme in einem wesentlich höheren Umfang einer weiteren Verwendung wie der endothermen Spaltung der Kohlenwasserstoffe zugeführt werden.
  • Nach dieser Temperaturabsenkung, beispielsweise auf 150 bis 300 °C, werden feste Bestandteile, insbesondere Kohlenstoffpartikel, abgetrennt und die Gasmischung, die je nach Ausgangsstoffen neben Blausäure und Wasserstoff noch weitere Stoffe, wie Ethin, Ethen, Ethan, Kohlenmonoxid und flüchtige Schwefelverbindungen, wie H2S und CS2 enthalten kann, der weiteren Aufarbeitung zur Gewinnung von Blausäure zugeführt. Blausäure kann dabei aus der Gasmischung durch selektive Absorption in Wasser abgetrennt werden. Neben Blausäure gebildetes Ethin kann anschließend aus der Gasmischung durch selektive Absorption in ein Lösungsmittel abgetrennt werden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser, Methanol, N-Methylpyrrolidon oder deren Gemische. Geeignete Methoden zur Abtrennung von Blausäure und Ethin aus der Gasmischung sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Band 10, Seiten 675 bis 678, DOI: 10.1002/14356007.a08_159.pub3 und Band 1, Seiten 291 bis 293, 299 und 300, DOI: 10.1002/14356007.a01_097.pub4.
  • In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die elektrothermische Herstellung von Blausäure durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Ammoniak in einer elektrisch beheizten Kokswirbelschicht nach dem sogenannten Shawinigan-Verfahren.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt die elektrothermische Herstellung von Blausäure durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Ammoniak in Gegenwart eines Platin-haltigen Katalysators nach dem sogenannten BMA-Verfahren mit elektrischer Beheizung des Reaktors. Die elektrische Beheizung kann dabei durch Widerstandsheizung erfolgen, wie zum Beispiel in WO 2004/091773 beschrieben, durch elektrische Induktionsheizung, wie zum Beispiel in WO 95/21126 beschrieben, oder durch Mikrowellenheizung, wie zum Beispiel in US 5,529,669 und US 5,470,541 beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße integrierte Anlage umfasst außerdem eine Anlage zur Stromerzeugung, der über eine Leitung ein in der Anlage zur Herstellung von Blausäure erhaltenes Produktgas zugeführt wird. Als Anlagen zur Stromerzeugung eignen sich dabei alle Anlagen, mit denen aus dem Produktgas elektrischer Strom erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird eine Anlage zur Stromerzeugung verwendet, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Das der Anlage zur Stromerzeugung zugeführte Produktgas enthält vorzugsweise Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe. Die Kohlenwasserstoffe können nicht umgesetzte Einsatzstoffe der elektrothermischen Herstellung von Blausäure, als Nebenprodukt gebildetes Ethin, bei einem Quench zugesetzte Kohlenwasserstoffe, durch das Quenchen gebildete Kohlenwasserstoffe oder Mischungen davon sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle. In dieser Ausführungsform wird der Anlage zur Stromerzeugung vorzugsweise ein Produktgas zugeführt, das im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Stromerzeugung ein Kraftwerk mit einer Turbine. Besonders bevorzugt umfasst die Anlage eine Gasturbine, die mit Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen betreibbar ist. Am meisten bevorzugt wird dabei eine Gasturbine verwendet, die sich mit Mischungen aus Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltigen Gasen wechselnder Zusammensetzung betreiben lässt.
  • Vorzugsweise ist das Kraftwerk mit einer Turbine ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk), auch Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk genannt. In diesen Kraftwerken werden die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes verknüpft. Eine Gasturbine dient hierbei im Allgemeinen unter anderem als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt.
  • Der Anlage zur Stromerzeugung können zusätzlich zu dem bei der Herstellung von Blausäure erhaltenen Produktgas noch weitere Stoffe zugeführt werden, beispielsweise zusätzlicher Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle oder zusätzlicher Brennstoff für den Betrieb einer Turbine oder die Beheizung eines Dampferzeugers.
  • Die Leistung der Anlage zur Stromerzeugung kann abhängig von der Produktionskapazität der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure gewählt werden. Vorzugsweise wird die Leistung der Anlage zur Stromerzeugung so gewählt, dass der Strombedarf der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure bei Volllast vollständig durch die Anlage zur Stromerzeugung gedeckt werden kann. Die Leistung kann dabei durch eine einzelne Vorrichtung oder einen Zusammenschluss von mehreren Vorrichtungen erzielt werden, wobei der Zusammenschluss (Pool) über eine gemeinsame Steuerung erzielt werden kann. Außerdem kann elektrische Energie für die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure aus dem Stromnetz bezogen werden. Ebenso kann die Anlage zur Stromerzeugung so dimensioniert werden, dass zusätzlich zur Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure auch weitere Stromverbraucher versorgt oder die über den Bedarf der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure hinausgehende elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird.
  • In der integrierten Anlage ist die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden, mit der der Anlage zur Stromerzeugung ein in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenes Produktgas zugeführt wird. Das Produktgas besteht vorzugsweise aus Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen. Das Produktgas kann über die Leitung der Anlage zur Stromerzeugung gasförmig oder in verflüssigter Form zugeführt werden, wobei die Verflüssigung durch Erhöhen des Drucks oder Verringern der Temperatur erfolgen kann.
  • Die Leitung, die die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit der Anlage zur Stromerzeugung verbindet, weist vorzugsweise eine Länge von weniger als 10 km auf, besonders bevorzugt weniger als 1 km.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure eine Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches auf, wobei diese Vorrichtung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist. In der Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Gasgemisches wird Blausäure von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen abgetrennt. Die von Blausäure abgetrennte, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltende Mischung kann direkt der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Alternativ kann aus der von Blausäure abgetrennten Mischung Wasserstoff abgetrennt werden und wahlweise Wasserstoff oder ein dabei resultierendes kohlenwasserstoffhaltiges Gas der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Ebenso können auch Wasserstoff und ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas über getrennte Leitungen von der Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Gasgemisches der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Die Trennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen kann bei der erfindungsgemäßen integrierten Anlage auch unvollständig erfolgen, ohne dass sich eine unvollständige Trennung nachteilig auf den Betrieb der Anlage auswirkt, sodass der apparative Aufwand und der Energieverbrauch für die Trennung gering gehalten wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der integrierten Anlage umfasst die Anlage zur Stromerzeugung voneinander getrennte Vorrichtungen für die Erzeugung von Strom aus Wasserstoff und für die Erzeugung von Strom aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, die vorzugsweise über getrennte Leitungen mit einer Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Gasgemisches verbunden sind. Besonders bevorzugt umfasst die Anlage zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle für die Erzeugung von Strom aus Wasserstoff und ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk für die Erzeugung von Strom aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas. Bei dieser Ausführungsform können auch Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke in der erfindungsgemäßen integrierten Anlage eingesetzt werden, die nicht zur Verstromung von wasserstoffreichen Gasen geeignet sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße integrierte Anlage zusätzlich mindestens einen Speicher für ein in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenes Produktgas auf, wobei der Speicher über Leitungen sowohl mit der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure als auch mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Speicher mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Gasgemisches verbunden, sodass im Speicher Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltige Gase gespeichert werden können. Vorzugsweise ist der Speicher ein Wasserstoffspeicher. Besonders bevorzugt umfasst die integrierte Anlage sowohl einen Wasserstoffspeicher als auch einen Speicher für von kohlenwasserstoffhaltige Gase.
  • Die integrierte Anlage kann zusätzlich noch eine Vorrichtung umfassen, mit der sich die Zusammensetzung eines bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenen Produktgases ändern lässt, bevor es der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt wird. Vorzugsweise umfasst die integrierte Anlage zusätzlich eine Vorrichtung, mit der sich bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure als Koppelprodukt erhaltener Wasserstoff durch eine Fischer-Tropsch-Synthese oder eine Methanisierung zu Kohlenwasserstoffen umsetzen lässt. Die so erhaltenen Kohlenwasserstoffe können zusammen mit von Blausäure abgetrennten Kohlenwasserstoffen oder davon getrennt der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Eine Umwandlung von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen vereinfacht die Zufuhr von bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenem Produktgas bei Anlagen zur Stromerzeugung, in denen zur Stromerzeugung Kohlenwasserstoffe verbrannt werden und bei denen für einen zuverlässigen Betrieb der Gehalt an Wasserstoff im Brenngas in bestimmten engen Grenzen gehalten werden muss. Geeignete Anlagen zur Fischer-Tropsch-Synthese oder zur Methanisierung sind aus dem Stand der Technik bekannt, für die Methanisierung beispielsweise aus DE 43 32 789 A1 und WO 2010/115983 A1 .
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die integrierte Anlage einen Dampferzeuger in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure, mit dem aus der Abwärme des elektrothermischen Verfahrens Dampf erzeugt wird, eine Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, in der Anlage zur Stromerzeugung, sowie eine Dampfleitung, mit der in dem Dampferzeuger erzeugter Dampf der eine Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, zugeführt wird. Vorzugsweise wird ein indirekter Quench des in einem Reaktor zur Blausäureherstellung erhaltenen Reaktionsgases als Dampferzeuger verwendet. Die Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, ist vorzugsweise eine Dampfturbine oder ein Dampfmotor und besonders bevorzugt eine Dampfturbine. Am meisten bevorzugt ist die Dampfturbine Teil eines Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerks. Mit dieser Ausführungsform kann in der Anlage zur Herstellung von Blausäure erzeugte Abwärme zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden und der Brennstoffbedarf für den Betrieb der Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, verringert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße integrierte Anlage zusätzlich einen Speicher für Blausäure. Dieser Speicher ermöglicht es, nachgeschaltete Umsetzungen von Blausäure zu weiteren Produkten kontinuierlich weiterzubetreiben, auch wenn bei niedrigem Stromangebot in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure nur wenig oder gar keine Blausäure produziert wird. Vorzugsweise erfolgt die Speicherung von Blausäure in flüssiger Form.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße integrierte Anlage mit einer Wetterprognose-Einheit verbunden. Eine solche Verbindung mit einer Wetterprognose-Einheit ermöglicht es, den Betrieb der Anlage so anzupassen, dass einerseits die Möglichkeit der Nutzung von preiswertem überschüssigen Strom und die Möglichkeit zur Strombereitstellung aus der Anlage zur Stromerzeugung bei geringem Stromangebot und dementsprechend hohem Strompreis genutzt werden können und andererseits stets ausreichend Blausäure für den kontinuierlichen Betrieb einer nachgeschalteten, Blausäure verbrauchenden Anlage bereitzustellen. So kann, je nach Ergebnis der Wetterprognose, beispielsweise ein Speicher für Blausäure auf einen hohen oder tiefen Füllstand gebracht werden. Darüber hinaus kann eine Anlage zur Weiterverarbeitung der Blausäure auf geänderte Betriebsweisen vorbereitet und eingestellt werden. So können bei einem längerfristigen Unterangebot an Strom diese Teile des Systems auf eine reduzierte Produktionsleistung eingestellt werden, so dass eine Betriebsunterbrechung aufgrund von fehlender Blausäure vermieden werden kann.
  • Zusätzlich kann die integrierte Anlage mit einer Einheit zur Erstellung einer Verbrauchsprognose verbunden sein, wobei diese Einheit bevorzugt einen Datenspeicher aufweist, der Daten über den historischen Verbrauch umfasst. Die Daten über den historischen Verbrauch können beispielsweise den Tagesverlauf, den Wochenverlauf, den Jahresverlauf und weitere Verläufe über den Strombedarf und/oder die Stromerzeugung umfassen. Die Daten über die Verbrauchsprognose können auch spezifische Änderungen berücksichtigen, die beispielsweise in einem Zugang oder einem Wegfall eines Großverbrauchers bestehen. Zusätzlich oder alternativ kann der Datenspeicher auch Daten über den historischen Verlauf von Strompreisen enthalten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom wird in der erfindungsgemäßen integrierten Anlage in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure betrieben und mindestens ein Teil von neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt. Vorzugsweise wird in dem Verfahren Wasserstoff gespeichert.
  • Bei dem Stromangebot kann sowohl ein Stromüberschuss als auch ein Stromunterschuss vorliegen. Ein Stromüberschuss ergibt sich, wenn zu einem Zeitpunkt mehr Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird als zu diesem Zeitpunkt insgesamt an Strom verbraucht wird. Ein Stromüberschuss ergibt sich auch, wenn große Mengen an elektrischer Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Energien bereitgestellt werden und das Drosseln oder Abschalten von Kraftwerken mit hohen Kosten verbunden ist. Ein Stromunterschuss ergibt sich, wenn vergleichsweise geringe Mengen an erneuerbaren Energien zur Verfügung stehen und ineffiziente oder mit hohen Kosten verbundene Kraftwerke betrieben werden müssen. Die hier beschriebenen Fälle Stromüberschuss und Stromunterschuss können sich auf verschiedene Weise erkennbar werden. Zum Beispiel können die Preise an den Strombörsen ein Indikator für die jeweilige Situation sein, wobei ein Stromüberschuss zu tieferen und ein Stromunterschuss zu höheren Strompreisen führt. Ein Stromüberschuss oder Stromunterschuss kann aber auch ohne unmittelbare Auswirkung auf den Strompreis vorliegen. Beispielsweise ist ein Stromüberschuss auch dann gegeben, wenn der Betreiber eines Windparks mehr Leistung produziert als er prognostiziert und verkauft hat. Analog kann ein Stromunterschuss vorliegen, wenn er weniger Leistung produziert als er prognostiziert hat. Erfindungsgemäß umfassen die Begriffe Stromüberschuss und Stromunterschuss alle diese Fälle.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so betrieben, dass zumindest ein Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure benötigten Stroms mit der von der integrierten Anlage umfassten Anlage zur Stromerzeugung aus Produktgas erzeugt wird, das bei der elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhalten wird. Wenn in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure betrieben wird, wird vorzugsweise die von der integrierten Anlage umfasste Anlage zur Stromerzeugung mit verringerter Leistung betrieben oder abgeschaltet und ein größerer Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure benötigten Stroms einem Stromnetz mit hohem Stromangebot entnommen. Analog wird, wenn in Zeiten eines geringen Stromangebots die von der integrierten Anlage umfasste Anlage zur Stromerzeugung betrieben wird, die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure vorzugsweise mit verringerter Leistung betrieben oder abgeschaltet und ein geringerer Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure benötigten Stroms dem Stromnetz entnommen oder Strom aus der von der integrierten Anlage umfassten Anlage zur Stromerzeugung in das Stromnetz eingespeist.
  • Das Speichern von neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen erfolgt vorzugsweise in einem von der integrierten Anlage umfassten Speicher, besonders bevorzugt in einem wie zuvor beschrieben zwischen der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und der Anlage zur Stromerzeugung angeordnetem Speicher. Alternativ kann die Speicherung aber auch in einem getrennten Speicher erfolgen, der mit der integrierten Anlage über eine Gasverteilleitung, beispielsweise ein Erdgasnetz, verbunden ist.
  • Die Art des Speichers ist unkritisch, so dass hierfür ein Drucktank, ein Flüssiggasspeicher, ein Speicher, bei dem Kohlenwasserstoffe in einem Lösungsmittel absorbiert sind, oder ein Speicher mit Gasadsorption an einem Feststoff eingesetzt werden kann. Für die Speicherung von Wasserstoff eignen sich außerdem chemische Speicher, in denen Wasserstoff durch eine reversible chemische Reaktion gespeichert wird. Vorzugsweise werden separate Speicher für Wasserstoff und gasförmige Kohlenwasserstoffe verwendet. Die Kapazität des Speichers wird vorzugsweise so bemessen, dass die von der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure unter Volllast innerhalb von 2 Stunden produzierte Menge an Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen aufgenommen werden kann, besonders bevorzugt die innerhalb von 12 Stunden produzierte Menge und ganz besonders bevorzugt die innerhalb von 48 Stunden produzierte Menge.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen Lichtbogenreaktor auf und die aus dem Lichtbogenreaktor erhaltene Gasmischung wird zur Abkühlung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas und/oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit versetzt. Dabei wird, wie zuvor beschrieben, zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe endotherm gespalten, sodass Spaltprodukte erhalten werden, die einen höheren Energiegehalt als die Ausgangsstoffe haben und bei Zufuhr zur Anlage zur Stromerzeugung eine größere Menge an elektrischer Energie liefern als bei Zufuhr der Ausgangsstoffe erhalten würde. Diese Ausführungsform ermöglicht so eine Speicherung von dem Lichtbogenreaktor zugeführter elektrischer Energie in Form von energiereichen Spaltprodukten. Vorzugsweise werden Art und/oder Menge von kohlenwasserstoffhaltigem Gas und/oder Flüssigkeit in Abhängigkeit vom erwarteten Stromangebot gewählt. Besonders vorteilhaft ist dies bei einem Verfahren, bei dem ein direkter Quench durch Versetzen mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas und/oder Flüssigkeit in Kombination mit einem indirekten Quench mit Dampferzeugung eingesetzt wird, da sich dann durch die Wahl von Art und/oder Menge der im direkten Quench zugegebenen Kohlenwasserstoffe steuern lässt, wie hoch der Anteil der im Lichtbogenreaktor anfallenden Wärme ist, der in Form von Spaltprodukten für eine spätere Stromerzeugung gespeichert wird und wie hoch der Anteil ist, der in Form von Dampf ohne Speicherung sofort zur Stromerzeugung genutzt wird.
  • Vorzugsweise stammt bei einem hohen Stromangebot die zur Herstellung von Blausäure eingesetzte elektrische Energie zumindest teilweise aus erneuerbaren Energien, besonders bevorzugt aus Windkraft und/oder Solarenergie. Allerdings ist festzuhalten, dass gemäß gegenwärtiger deutscher Rechtslage Strom, der durch erneuerbare Energien gewonnen wurde, auch ohne aktuellen Bedarf in das Stromnetz eingespeist werden darf und vergütet werden muss. Konventionell erzeugter Strom kann deshalb zeitweise als „Überschuss“ vorliegen, da für einen Kraftwerksbetreiber ein Herunterfahren eines Kraftwerks unwirtschaftlicher sein kann als eine Abgabe von Strom unter dem Selbstkostenpreis. Diese durch den Weiterbetrieb von konventionellen Anlagen erhaltene überschüssige elektrische Energie kann durch das vorliegende Verfahren wirtschaftlich verwertet, insbesondere gespeichert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Anlage zur Stromerzeugung ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk eingesetzt und es wird bei einem hohen Stromangebot die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit einer Leistung von mehr als 80 % der Nennleistung und die Anlage zur Stromerzeugung mit 0–50 % der elektrischen Nennleistung betrieben und bei einem geringen Stromangebot die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit einer Leistung von 0–50 % der Nennleistung und die Anlage zur Stromerzeugung mit mehr als 80 % der elektrischen Nennleistung betrieben.
  • Bei einem hohen Stromangebot wird das Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk vorzugsweise mit einer Leistung von höchstens 40 % und besonders bevorzugt höchstens 30 % der elektrischen Nennleistung betrieben.
  • Bei einem geringen Stromangebot wird die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure vorzugsweise mit einer Leistung von höchstens 40 % und besonders bevorzugt höchstens 30 % der Nennleistung betrieben.
  • Wenn das Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk mit einer Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird, kann die elektrische Nennleistung des Kraftwerks entweder durch eine Veränderung der eingesetzten Menge an Gas oder durch eine Veränderung des Anteils des als Prozessdampf entnommenen und nicht zur Stromerzeugung genutzten Dampfs eingestellt werden.
  • Zweckmäßigerweise werden im größten Teil der Betriebszeit bei einem mittleren Stromangebot sowohl die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure als auch die Anlage zur Stromerzeugung mit einer Leistung betrieben, bei der die gesamte Menge von in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt wird.
  • Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine hohe Betriebszeit sowohl der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure als auch der Anlage zur Stromerzeugung und damit ein wirtschaftlicher Betrieb beider Anlagen erzielt werden.
  • Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte
    • a) Festlegen eines ersten Schwellwerts und eines zweiten Schwellwerts für ein Stromangebot,
    • b) Bestimmung des Stromangebots,
    • c) Veränderung der elektrischen Leistung der Anlage zur Stromerzeugung in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den ersten Schwellwert überschreitet und Veränderung der Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den zweiten Schwellwert unterschreitet, und
    • d) Wiederholen der Schritte b) und c).
  • Vorzugsweise werden die Schwellwerte abhängig vom aktuellen Füllstand des Speichers für Blausäure oder abhängig von den Prognosen der Entwicklung von Verbrauch und Erzeugung von Blausäure in den nächsten Stunden festgelegt. Wenn beispielsweise der Füllstand des Speichers für Blausäure auf einen niedrigen Wert sinkt, wird der Schwellwert, unterhalb dessen die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure reduziert wird, auf einen niedrigeren Wert festgelegt.
  • Das Stromangebot kann entweder direkt durch Abstimmung mit Stromerzeugern und/oder Stromverbrauchern oder indirekt über Handelsplattformen und/oder durch OTC-Verfahren und einen dazugehörigen Strompreis ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Stromangebot durch Abstimmung mit Stromerzeugern aus Windenergie und/oder Solarenergie ermittelt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Stromangebot über den Strompreis auf einer Handelsplattform ermittelt.
  • Wenn das Stromangebot durch Abstimmung mit Stromerzeugern aus Windenergie und/oder Solarenergie ermittelt wird, wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten Schwellwerts die elektrische Leistung der Anlage zur Stromerzeugung entsprechend dem Stromüberschuss geändert und bei Unterschreiten des zweiten Schwellwerts die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure entsprechend dem Stromunterschuss geändert.
  • Wenn das Stromangebot über den Strompreis auf einer Handelsplattform ermittelt wird, wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten Schwellwerts die elektrische Leistung der Anlage zur Stromerzeugung auf einen vorherbestimmten niedrigeren Wert geändert und bei Unterschreiten des zweiten Schwellwerts die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure auf einen vorherbestimmten niedrigeren Wert geändert.
  • Die absolute Höhe des ersten Schwellwerts, ab dem eine Verringerung der Leistung der Anlage zur Stromerzeugung erfolgt, ist für diese Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens nicht wesentlich und kann anhand wirtschaftlicher Kriterien festgelegt werden. Gleiches gilt für den zweiten vorgegebenen Wert, unterhalb dessen eine Verringerung der Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erfolgt.
  • Wenn die Leistung der beiden Anlagen aufeinander abgestimmt ist, werden vorzugsweise der erste vorgegebene und der zweite Schwellwert gleich gewählt.
  • Vorzugsweise wird das Stromangebot aus den Daten einer Wetterprognose vorausberechnet. Anhand des vorausberechneten Stromangebots werden dann vorzugsweise die oben genannten Schwellwerte für ein Stromangebot so gewählt, dass im Prognosezeitraum einerseits eine geplante Menge an Blausäure produziert wird und andererseits die Speicherkapazität für neben Blausäure erhaltenen Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe nicht überschritten wird.
  • Durch einen gemeinsamen Betrieb der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und der Anlage zur Stromerzeugung bei einem mittleren Stromangebot können überraschend hohe Betriebszeiten erzielt werden, so dass eine hohe Rentabilität der Anlage erreicht wird.
  • Vorzugsweise wird die Anlage zur Stromerzeugung innerhalb eines Kalenderjahres mindestens 4000 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5500 Volllaststunden betrieben. Die Volllaststunden errechnen sich dabei gemäß der Formel Volllaststunden = W/P wobei W die innerhalb eines Kalenderjahres bereitgestellte elektrische Arbeit in MWh und P die elektrische Nennleistung der Anlage in MW bezeichnen.
  • Wenn die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mindestens einen Lichtbogenreaktor umfasst, werden die Lichtbogenreaktoren vorzugsweise innerhalb eines Kalenderjahres im Mittel mindestens 2500 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 4000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden betrieben. Die Volllaststunden errechnen sich dabei gemäß der Formel Volllaststunden = Produktion/Kapazität wobei „Produktion“ die innerhalb eines Kalenderjahres hergestellte Menge an Blausäure in Tonnen und „Kapazität“ die gesamte Nennleistung der Lichtbogenreaktoren in Tonnen Blausäure je Stunde bezeichnen.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der zuvor dargelegten Beschreibung einer integrierten Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende integrierte Anlage sowie das Verfahren eignen sich zur Herstellung von Blausäure auf eine sehr wirtschaftliche und ressourcenschonende Weise. Blausäure kann in viele wertvolle Zwischenprodukte überführt werden, wobei hierdurch eine überraschende Reduktion des Kohlendioxidausstoßes erzielt werden kann.
  • Diese überraschende Reduktion basiert auf mehreren synergistisch wirkenden Faktoren. Hierzu gehört die Tatsache, dass zur Herstellung von Blausäure Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt werden kann, wobei die Herstellung von Blausäure sehr flexibel an ein Stromangebot angepasst werden kann. Weiterhin kann Wasserstoff bei einem sehr hohen Stromnutzungsgrad erhalten werden, welcher ohne Freisetzung von Kohlendioxid zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann. Weiterhin wird bei der Herstellung der wertvollen Folgeprodukte häufig Wärme freigesetzt. Diese Abwärme kann oftmals genutzt werden zur Deckung des Wärmebedarfs in anderen Prozessteilen (z.B. bei destillativen Trennprozessen). Entsprechend reduziert sich der Kohlendioxidausstoß, wenn andernfalls eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung der Prozesswärme notwendig wäre.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die erzeugte Blausäure zur Herstellung von Natriumcyanid, Acetoncyanhydrin oder Methionin verwendet wird.
  • Weiterhin können Nebenprodukte aus diesen Prozessen zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden. Hierbei können gasförmige Nebenprodukte oder geeignete flüssige Nebenprodukte nach Verdampfung vorzugsweise in die Gasturbine eingespeist werden. Feste Rückstände können, insbesondere unter Verwendung von Wasserstoff in brennbare Gase umgewandelt und anschließend in einer Gasturbine verstromt werden. Vorzugsweise wird die in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erzeugte Blausäure in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt und ein Nebenprodukt aus diesem Prozess wird in der Anlage zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt.
  • Ferner kann die bei einer Reaktion der Blausäure zu einer Folgeverbindung erhaltene Abwärme zumindest teilweise zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erzeugte Blausäure in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt und in diesem Prozess erzeugte Wärme wird in der Anlage zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von 1 beispielhaft erläutert.
  • 1: Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage.
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage 10, umfassend eine Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und eine Anlage 14 zur Stromerzeugung, wobei die integrierte Anlage 10 an ein zentrales Stromnetz 16 angeschlossen ist. Hierbei können die einzelnen Vorrichtungen unmittelbar an das zentrale Stromnetz 16 angeschlossen werden oder, wie in 1 gezeigt, über einen Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung an das zentrale Stromnetz 16 angeschlossen werden. Die Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure ist dann über eine erste elektrische Verbindungsleitung 20 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung verbunden, die Anlage 14 zur Stromerzeugung ist über eine zweite elektrische Verbindungsleitung 22 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung verbunden und der Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung ist mit dem zentralen Stromnetz 16 verbunden. Diese Ausführungsform kann Vorteile in den Installationskosten und/oder dem betrieblichen Aufwand haben.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die integrierte Anlage 10 einen Wasserstoffspeicher 24, der über eine erste Verbindungsleitung 26 für Wasserstoff mit Wasserstoff aus der Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure befüllt werden kann. Zur Erzeugung von elektrischer Energie kann der in dem Wasserstoffspeicher 24 gespeicherte Wasserstoff über die zweite Verbindungsleitung 28 für Wasserstoff der Anlage 14 zur Stromerzeugung zugeführt werden.
  • Weiterhin weist die integrierte Anlage 10 in der gezeigten Ausführungsform eine Steuerung 30 auf, die über eine erste Kommunikationsverbindung 32 mit der Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure, über eine zweite Kommunikationsverbindung 34 mit der Anlage 14 zur Stromerzeugung, über eine dritte Kommunikationsverbindung 36 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung und über eine vierte Kommunikationsverbindung 38 mit dem Wasserstoffspeicher 24 verbunden ist.
  • Die in der voranstehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können zur Ausführung der Erfindung auch in jeder beliebigen Kombination verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    integrierte Anlage
    12
    Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure
    14
    Anlage zur Stromerzeugung
    16
    zentrales Stromnetz
    18
    Schaltpunkt zur Stromübertragung
    20
    erste elektrische Verbindungsleitung
    22
    zweite elektrische Verbindungsleitung
    24
    Wasserstoffspeicher
    26
    erste Verbindungsleitung für Wasserstoff
    28
    zweite Verbindungsleitung für Wasserstoff
    30
    Steuerung
    32
    erste Kommunikationsverbindung
    34
    zweite Kommunikationsverbindung
    36
    dritte Kommunikationsverbindung
    38
    vierte Kommunikationsverbindung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (23)

  1. Integrierte Anlage (10), umfassend eine Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure und eine Anlage (14) zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure über eine Leitung (26, 28) mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist und die Leitung ein in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erhaltenes Produktgas der Anlage (14) zur Stromerzeugung zuführt.
  2. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle umfasst.
  3. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung ein Kraftwerk mit einer Turbine umfasst.
  4. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk mit einer Turbine eine Gasturbine umfasst, die mit Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen betreibbar ist.
  5. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk mit einer Turbine ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk ist.
  6. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen Lichtbogenreaktor umfasst.
  7. Integrierte Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen Reaktor mit einer elektrisch beheizten Kokswirbelschicht umfasst.
  8. Integrierte Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen elektrisch beheizten Reaktor mit einem Platin-haltigen Katalysator umfasst.
  9. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure eine Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches aufweist und die Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist.
  10. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Anlage (10) mindestens einen Speicher (24) für Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltige Gase aufweist, der über eine Leitung (26) mit der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure verbunden ist und über eine Leitung (28) mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist.
  11. Integrierte Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen Dampferzeuger umfasst, mit dem aus der Abwärme des elektrothermischen Verfahrens Dampf erzeugt wird, die Anlage zur Stromerzeugung eine Vorrichtung umfasst, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, und die integrierte Anlage eine Dampfleitung umfasst, mit der in dem Dampferzeuger erzeugter Dampf der Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, zugeführt wird.
  12. Integrierte Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Wetterprognose-Einheit verbunden ist.
  13. Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom, dadurch gekennzeichnet, dass in einer integrierten Anlage (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Blausäure erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert werden und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage (14) zur Stromerzeugung zugeführt werden.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure einen Lichtbogenreaktor aufweist, und die aus dem Lichtbogenreaktor erhaltene Gasmischung zur Abkühlung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit versetzt wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Art und/oder Menge des Gases und/oder der Flüssigkeit in Abhängigkeit vom erwarteten Stromangebot gewählt wird.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromangebot aus den Daten einer Wetterprognose vorausberechnet wird.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk ist und in der integrierten Anlage (10) bei einem hohen Stromangebot die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit einer Leistung von mehr als 80 % der Nennleistung und die Anlage (14) zur Stromerzeugung mit 0–50 % der elektrischen Nennleistung betrieben wird und bei einem geringen Stromangebot die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mit einer Leistung von 0–50 % der Nennleistung und die Anlage (14) zur Stromerzeugung mit mehr als 80 % der elektrischen Nennleistung betrieben wird.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, umfassend die Schritte a) Festlegen eines ersten Schwellwerts und eines zweiten Schwellwerts für ein Stromangebot, b) Bestimmung des Stromangebots, c) Veränderung der elektrischen Leistung der Anlage (14) zur Stromerzeugung in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den ersten Schwellwert überschreitet und Veränderung der Leistung der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den zweiten Schwellwert unterschreitet, und d) Wiederholen der Schritte b) und c).
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert gleich sind.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure mindestens einen Lichtbogenreaktor umfasst und die Lichtbogenreaktor innerhalb eines Kalenderjahres im Mittel mindestens 2500 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 4000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden betrieben wird.
  21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung innerhalb eines Kalenderjahres mindestens 4000 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5500 Volllaststunden betrieben wird.
  22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erzeugte Blausäure in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt wird und ein Nebenprodukt aus diesem Prozess in der Anlage (14) zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt wird.
  23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Blausäure erzeugte Blausäure in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt wird und in diesem Prozess erzeugte Wärme in der Anlage (14) zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt wird.
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