DE102014002761A1

DE102014002761A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energiespeicherung und Energieumwandlung

Info

Publication number: DE102014002761A1
Application number: DE102014002761.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Für die Integration regenerativ erzeugten Stroms in dezentrale Stromversorgungssysteme, wird eine Vorrichtung sowie Verfahren beschrieben, welches die zeitliche Entkoppelung von Stromerzeugung und -nutzung ermöglicht. Dabei wird durch die direkte (in situ) Nutzung elektrischer Energie in einer elektrischen Widerstandsheizung aus einem Metallhydrid Wasserstoff abgespalten, der unter Druck gespeichert wird. Durch den Einsatz einer direkten elektrischen Beheizung des Metallhydrids in Kombination mit besonders vorteilhaften konstruktiven Ausführungen der Reaktionsapparate können hohe Reaktionstemperaturen erreicht werden, die sich günstig auf die erreichbaren Betriebszustände auswirken. Hierdurch kann der erforderliche Wasserstoffspeicher kompakt gehalten werden, auf einen sonst erforderlichen Kompressor verzichtet werden und die Wasserstoff-Kapazität des Metall-Metallhydrid-Systems maximal genutzt werden, was zu niedrigeren Investitions- und Betriebskosten führt. Bei Bedarf kann durch den reversiblen Umkehrprozess, die gespeicherte Energie wieder in Hochtemperaturwärme umgewandelt werden. Aufgrund ihrer hohen exergetischen Güte, kann diese in nachgeschalteten Systemen flexibel entweder in elektrischen Strom oder in verschiedene Nutzenergieformen (Prozesswärme, Kälte, Fernwärme oder Raumwärme) gewandelt werden. Durch die Möglichkeit einer dynamischen Betriebsweise kann die Vorrichtung zudem als steuerbare Last zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen in Stromübertragungsnetzen eingesetzt werden.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von elektrischem Strom, einer Vorrichtung zur Energieumwandlung und einem Energiesystem zur Stabilisierung von Stromnetzen.
Hintergrund
Mit dem Ausklang des 20. Jahrhunderts hat eine starker Prozeß zur Wandlung der konventionellen, auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe beruhender und zentral ausgerichteter Stromversorgungssysteme hin zu dezentralen Stromversorgungssystemen, mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energieträger, begonnen. Dieser Wandlungsprozess ist weltweit zu beobachten und ist insbesondere begründet in der absehbaren Verknappung fossiler Brennstoffe bei gleichzeitig steigendem Energiebedarf und den mit der Förderung und insbesondere der Verbrennung fossiler Energieträger verbundenen globalen und lokalen Umweltproblemen.
Es ist daher davon auszugehen, dass die Stromerzeugung aus Wind und Sonne an Bedeutung gewinnen wird.
Ein Grundproblem von Wind- und Solarkraftanlagen ist allerdings die Periodizität und Diskontinuität und damit die schwere Berechenbarkeit, mit welcher der damit erzeugte elektrische Strom anfällt. Leistungsnachfrage und -angebot passen zeitlich nur äußerst selten zusammen und widersprechen somit der grundsätzlichen Forderung, dass in einem elektrischen Netz zu jedem Zeitpunkt Stromverbrauch und Stromerzeugung übereinstimmen müssen. Der fortschreitende Ausbau regenerativer Stromerzeugungskapazitäten stellt zunehmend hohe Anforderungen an die Energieinfrastruktur, z. B. bei der Ausbalancierung der teilweise großen Mengen eingespeisten Stroms aus Windkraftanlagen und Fotovoltaikanlagen mit dem tatsächlichen Bedarf. Da den Netzbetreibern steuerbare Stromverbraucher nur in einem sehr beschränkten Umfang zur Verfügung stehen, ist zur Vermeidung von Netzzusammenbrüchen das Abschalten regenerativer Stromerzeugungskapazitäten, oder der Stromexport in benachbarte Länder, häufig die einzige Lösung.
Für die effektive und effiziente Integration eines immer größer werdenden Anteils regenerativ erzeugten Stroms in die Stromversorgungssysteme, insbesondere auch auf Verteilungsebene, stellt die Verfügbarkeit beobachtbarer und steuerbarer Energiespeichersysteme eine wesentliche Voraussetzung dar.
Ein ideales Speichersystem zeichnet sich durch die nachfolgenden Eigenschaften aus:

– Hoher energetischer und exergetischer Wirkungsgrad.
– Verlustarme Speicherung hoher Kapazitäten und damit als Langzeitspeicher einsetzbar.
– Möglichkeit des dynamischen Betriebs zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen.
– Flexible Bereitstellung von Nutzenergie zur Anpassung an das örtliche Energienutzungsprofil.
– Einfache, robuste Technik als Voraussetzung für hohe Verfügbarkeiten sowie lange Nutzungsdauer und damit geringe spezifische Investitions- und Betriebskosten.
– Einfache und kostengünstige Integration in bestehende Energieinfrastrukturen.

Stand der Technik
Für die Speicherung elektrischen Stroms aus fluktuierenden Stromquellen, wie z. B. Windkraftanlagen oder Fotovoltaikanlagen, kommen verschiedene Energieformen bzw. Speicherverfahren in Betracht. Man unterscheidet grundsätzlich in mechanische, thermische und chemische Energiespeichersysteme auf die im Folgenden eingegangen wird.
• Mechanische Speichersysteme
Das bekannteste und insbesondere für die Speicherung großer Kapazitäten geeignete Speichersystem sind sog. Pumpspeicherkraftwerke. Bei ihnen erfolgt eine Transformation von elektrischer Energie (Strom) in mechanische Energie, konkret in potenzieller Energie, indem Wasser in Zeiten geringen Strombedarfs (z. B. nachts) auf ein höheres geodätisches Niveau gepumpt wird. In Zeiten hohen Strombedarfs (z. B. morgens) wird die potenzielle Energie des Wassers für den Antrieb einer Turbine genutzt, deren Wellenleistung über einen Generator wieder in Strom umgewandelt wird.
Aktuell sind Pumpspeicherkraftwerke die einzige kommerziell verfügbare Großtechnologie. Sie sind gekennzeichnet durch eine hohe energetische und exergetische Effizienz, allerdings sind ihrem weiteren Ausbau aufgrund der geologischen Gegebenheiten, wie z. B. in Deutschland, relativ enge Grenzen gesetzt. Zudem passen Sie nur bedingt zu einer mehr dezentral ausgerichteten Versorgungsstruktur.
• Thermische Energiespeichersysteme
Der bekannteste Vertreter dieser Kategorie ist die sog. Elektro- bzw. Nachtspeicherheizung. Es handelt sich hierbei um eine relativ einfache und robuste Technik, bei der elektrische Energie in Wärme transformiert wird. Hierfür wird Strom in Zeiten geringen Strombedarfs (z. B. nachts) mittels einer elektrischen Widerstandsheizung in sog. Joulsche Wärme umgewandelt, die dann in einem keramischen Speicherkern (z. B. Magnesit) zwischengespeichert wird. Bei Bedarf – in der Regel innerhalb von 1 bis 3 Tagen – kann die Wärme aus dem Speicherkern über einen inneren Luftkreis direkt an die Umgebung bzw. an einen Heizungswasserkreislauf abgegeben werden.
Diese Systeme werden insbesondere bei der Wohnraumbeheizung, also auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau eingesetzt. Daher ist der exergetische Wirkungsgrad dieser Systeme auch eher gering. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme ist der unvermeidbare Wärmeverlust bei längeren Standzeiten, was den Einsatz dieser Energiespeicherung eher auf den mittleren Zeitbereich (Tage) limitiert. Zudem ist eine dynamische Betriebsweise bei der Ein- und Ausspeicherung der Energie nur bedingt möglich, was einen Einsatz für die Bereitstellung von Netzdienstleistungen (hier nur als steuerbarer Verbraucher) eher eingeschränkt erscheinen lässt.
• Chemische Energiespeichersysteme
Die bekanntesten chemischen Energiespeicher sind Batterien. Die in ihnen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen erlauben es, Strom in Form chemischer Energie zu speichern und auch wieder bei Bedarf in Strom zurück zu wandeln. Abhängig vom jeweiligen Batteriesystem liegen die Wirkungsgrade zwischen 70 und 90%. Batterien haben aufgrund der angestrebten „Elektrifizierung” des Individualverkehrs große Fortschritte hinsichtlich Technik und Kosten vollzogen. Für die Bereitstellung von Netzdienstleistungen, insbesondere für Regelleistungsaufgaben stellen Batterien eine interessante Option dar. Erste Systeme im Megawattbereich befinden sich in der Praxiserprobung. Nachteilig bei diesen Batteriesystemen sind die hohen Investitionskosten (hohe Materialkosten, z. B. Lithium), insbesondere bei hohen Speicherkapazitäten im Megawattbereich. Für die Speicherung großer Kapazitäten scheiden Batteriesysteme daher allein schon aus Kostengründen aus. Hinzu kommen noch Selbstentladungseffekte und limitierende Zyklenzahlen (Lebensdauer), was Batteriesysteme zu Kurzzeitspeichern bzw. Leistungsspeichern macht und somit ihren Einsatz für die Bereitstellung von Regelleistung beschränkt.
Im Gegensatz zu Batterien können wasserstoffbasierte Energiespeichersysteme große Energiemengen speichern. Hierbei wird elektrische Energie (z. B. Überschussstrom aus Windkraftanlagen) mit Hilfe eines Elektrolyseurs in Wasserstoff umgewandelt. Die hohe Speicherdichte von Wasserstoff bietet die Option, relevante Mengen an Energie auch im Terrawattstunden-Bereich Tage, Wochen und länger zwischenzuspeichern. Dies setzt allerdings auch die Verfügbarkeit großer Gasspeicher voraus. Aus Kostengründen scheiden hier die bekannten, aus Stahl gefertigten Druckbehälter aus. Günstiger sind hier Kavernenspeicher, wie sie auch für die Lagerung von Erdgas eingesetzt werden. Ein weiterer interessanter Ansatz zur kostengünstigen Speicherung des Wasserstoffs stellt die Nutzung des vorhandenen Erdgastransportnetzes dar (zulässig bis zu einer Konzentration von ca. 10 Vol.-%). Hierdurch kann eine vorhandene Infrastruktur genutzt werden und der regenerativ erzeugte Wasserstoff bekannten Nutzungen im Wärme- und Strommarkt sowie auch in der Mobilität (Erdgas-Fahrzeuge) zugeführt werden.
Durch die Möglichkeit der dynamischen Betriebsweise des Elektrolyseurs (ähnlich den Batterien) kann Regelleistung für die Netzstabilisierung zur Verfügung gestellt werden. Und durch die Rückverstromung des gespeicherten Wasserstoffs, z. B. über Gasturbinen, kann zudem auch Reserveleistung bereitgestellt werden. Allerdings bedingt dies auch die lokale Verfügbarkeit eines Anschlusses an eine Hochdruck-Erdgastransportleitung oder eines Kavernenspeichers. In Deutschland werden im Rahmen verschiedener Großprojekte derzeit die Eignung wasserstoffbasierter Energiespeichersysteme für die Netzstabilisierung und die Einbindung von Überschussstrom aus Windkraftanlagen untersucht.
Ein signifikanter Nachteil wasserstoffbasierter Energiespeichersysteme sind allerdings die hohen energetischen Verluste bei der Wasserstofferzeugung (Wirkungsgrad ca. 60%), d. h. 40% der eingesetzten Elektrizität fällt als schwer nutzbare Niedertemperatur-Abwärme an. Ein weiterer Nachteil sind die sehr hohen Investitionskosten (hohe Materialkosten, z. B. Platin). Aus heutiger Sicht wird sich der Einsatz dieser Systeme auf die großtechnische Anwendung nahe großer Winderzeugungskapazitäten in Kombination mit günstigen Speichermöglichkeiten (Kavernen oder Erdgastransportnetz) beschränken.
Insofern passen auch sie nur bedingt zu einer mehr dezentral ausgerichteten Versorgungsstruktur (wie auch die schon beschriebenen Pumpspeicherkraftwerke).
Eine weitere, grundsätzliche Möglichkeit der chemischen Energiespeicherung besteht in der Verwendung von Metallhydriden, insbesondere für die Speicherung von Wärme (z. B. aus solarthermischen Kraftwerken). So wird in DE2800903 und US4161211 vorgeschlagen, einem Metallhydrid über ein Wärmeträgerfluid Energie in Form von Wärme zuzuführen, wobei aus dem Metallhydrid unter Wärmeaufnahme Wasserstoff abgespalten wird. Bei Rekombination von Metall und gespeichertem Wasserstoff wird die gespeicherte Reaktionswärme wieder freigesetzt und über dasselbe Wärmeträgerfluid einem Verbraucher zugeführt.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings die Verwendung eines Wärmeträgerfluids zur Wärmezufuhr, was sich ausgesprochen ungünstig auf die einstellbaren Betriebszustände auswirkt und in der Folge zu erheblichen Einschränkungen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Effizienz des Prozesses führt. Durch die thermische Limitierung technischer Wärmeträger (Wärmeträgeröle oder Wärmeträgersalze) auf maximal ca. 400°C können nur Speicherdrücke von ca. 12 bar realisiert werden, was in der Konsequenz zu großen Speicherbehältern führen würde. Im DE2800903A1 wird daher auch die Niederdruckspeicherung an Niedertemperatur-Metallhydriden vorgeschlagen, was aber den Gesamtprozeß komplizierter, dadurch schwerer in der technischen Umsetzung sowie auch teurer hinsichtlich Investition und Betrieb macht. Hinzu kommt, dass die hierdurch bedingte geringere Temperaturdifferenz zwischen Wasserstoffbindung (bei ca. 300°C) und Wasserstofffreisetzung (möglichst nahe 650°C) die nutzbare Wasserstoff-Kapazität des Speichermaterials (z. B. Magnesium) signifikant herabgesetzt wird, folglich größere Mengen Speichermaterial erforderlich macht und somit ebenfalls zu höheren Investitionskosten führt.
Nachteile des Standes der Technik
Abgesehen von den vorher beschriebenen Elektrospeicherheizungen ist kein System am Markt verfügbar, mit dem eine dezentrale Energiespeicherung und Bereitstellung von Netzdienstleistungen auf Verteilungsnetzebene gleichermaßen möglich ist. Sämtliche andere Lösungsansätze bedingen die Verfügbarkeit besonderer örtlicher Voraussetzungen bzw. einer besonderen Infrastruktur (Pumpspeicherkraftwerke, wasserstoffbasierte Speichersysteme) oder sind aufgrund der spezifisch hohen Kosten (Batterien) eher auf die Bereitstellung von Regelleistung im Bereich der Übertragungsnetze begrenzt.
Einzig thermische Elektrospeichersysteme benötigen keine spezielle Infrastruktur und sind daher einfach in bestehende Versorgungsstrukturen zu integrieren. Allerdings besitzen sie einige ungünstige Eigenschaften, die ihren Einsatz als Energiespeichersysteme begrenzen. Diese sind wie folgt:

– Der unvermeidbare Wärmeverlust bei längeren Standzeiten, was den Einsatz dieser Energiespeicherung eher auf den mittleren Zeitbereich (Tage) limitiert.
– Eine nur bedingt mögliche dynamische Betriebsweise bei der En- und Ausspeicherung der Energie, was einen Einsatz für die Bereitstellung von Netzdienstleistungen (hier nur als steuerbarer Verbraucher) eher eingeschränkt erscheinen lässt.
– Große, schwere und somit auch mit hohen Kosten verbundene Systeme für die Energiespeicherung im Megawattbereich sowie
– die beschränkten Nutzungsmöglichkeiten der gespeicherten Energie, die sich im wesentlichen auf die Gebäudebeheizung, also auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau beschränkt. Daher ist der exergetische Wirkungsgrad dieser Systeme eher gering.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass keines der vorbeschriebenen Energiespeichersysteme die für die Integration regenerativ erzeugten Stroms auf Verteilungsnetzebene wichtigen Eigenschaften gleichermaßen aufweist:

– Hoher energetischer und exergetischer Wirkungsgrad.
– Verlustarme Speicherung hoher Kapazitäten und damit als Langzeitspeicher einsetzbar.
– Möglichkeit des dynamischen Betriebs zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen.
– Flexible Bereitstellung von Nutzenergie zur Anpassung an das örtliche Energienutzungsprofil.
– Einfache, robuste Technik als Voraussetzung für hohe Verfügbarkeiten sowie lange Nutzungsdauern und damit geringe spezifische Investitions- und Betriebskosten.
– Einfache und kostengünstige Integration in bestehende Energieinfrastrukturen.

Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung die geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Speicherung von Energie bereitzustellen, bei dem elektrischer Strom dynamisch, effektiv, effizient und dezentral in chemischer und damit in einer langzeitspeichertauglichen Form gespeichert wird und bei Bedarf in Hochtemperaturwärme umgewandelt wird. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Energieumwandlung, die eine Durchführung des genannten Verfahrens ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Energiesystem zur Stabilisierung von Stromnetzen unter Nutzung der Vorrichtung zur Energieumwandlung bereitzustellen,
Lösung der Aufgabe (Beschreibung)
Die Aufgabe ein entsprechendes Verfahren zur Speicherung von Energie bereitzustellen wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Metall-Metallhydrid-System die Energiezufuhr elektrisch und direkt über mindestens ein im Metall-Metallhydrid-System innenliegendes elektrisches Heizelement erfolgt, das über eine elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Stromquelle verbunden oder verbindbar ist und dass die Energieabfuhr thermisch über mindestens ein mit einem Wärmeträgerfluid durchströmbares Wärmeträgersystem erfolgt. Bevorzugt erfolgt die Energiezufuhr ausschließlich über ein elektrisches Heizelement und die Energieabfuhr ausschließlich thermisch über ein Wärmeträgerfluid.
Unter einem Metall-Metallhydrid-System ist ein Gemisch bestehend aus einem reinem Metall (z. B. Magnesium Mg), seiner hydrierten Form, dem sogenannten Metallhydrid (z. B. Magnesiumhydrid MgH₂) und freiem Wasserstoff zu verstehen. Alle drei Komponenten befinden sich in einem chemischen Gleichgewicht, das abhängig von Temperatur und Druck mehr auf der Seite des Metalls und des Wasserstoffs oder auf der Seite des Metallhydrids liegt, entsprechend der nachfolgenden Gleichung: MeH₂ ↔ Me + H₂
Bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Metallhydrids. Hohe Temperaturen und niedrige Drücke verlagern das Gleichgewicht auf die Seite des reinen Metalls und freien Wasserstoffs.
Wie in 1 gezeigt, wird bei Verfügbarkeit elektrischen Stroms, z. B. aus fluktuierenden Stromquellen 1 wie Windkraftanlagen oder auch in Zeiten, in denen elektrischer Strom preisgünstig eingekauft werden kann, dieser einem Metall-Metallhydrid-System in einer Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a zugeführt die sog. Energiezufuhr (erster Betriebszustand) (siehe 1). Im Metall-Metallhydrid-System findet durch die direkte (in situ) Nutzung elektrischer Energie mittels eines elektrischen Heizelementes 3a, insbesondere in Form einer elektrischen Widerstandsheizung 3b, ein thermochemischer Umwandlungsprozess, statt, bei dem ein Metallhydrid 4, unter Aufnahme von Energie (endotherme Reaktion), zu Metall und molekularen, gasförmigen Wasserstoff umgewandelt wird: In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metallhydrid ein Magnesiumhydrid (MgH₂). Am Beispiel von MgH₂ lautet dementsprechend die Reaktionsgleichung: MgH₂ → Mg + H₂
Durch Steuerung der zugeführten Strommenge über einen Leistungsregler 5 in Kombination mit einer Temperaturmesseinrichtung im Temperaturregler 6 kann bei diesem Verfahren die Temperatur in der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a kontrolliert werden.
Das so freigesetzte heiße Wasserstoffgas fließt über eine Absperreinrichtung 8, wie beispielsweise ein Absperrventil, einer Vorrichtung zur Speicherung, insbesondere bevorzugt einem Druckbehälter als Wasserstoffdruckspeicher 9, zu und kann dort nahezu beliebig lange gespeichert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das freigesetzte heiße Wasserstoffgas zuvor über einen Feststoffwärmespeicher 7 geführt und abgekühlt. Durch das bevorzugt vorgegebene, konstante Volumen in der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a – und konstante Volumen in der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff 9 sowie den verbindenden Rohrleitungen steigt zudem mit zunehmender Wasserstoffgasmenge der Systemdruck. Der maximale Systemdruck ist erreicht, wenn der von der Reaktionstemperatur abhängige Gleichgewichtsdruck erreicht ist. Im Sinne möglichst kompakter Speicherabmessungen sind möglichst hohe Systemdrücke anzustreben.
Durch die direkte Nutzung elektrischer Energie mittels einer Widerstandsbeheizung können sehr hohe Reaktionstemperaturen eingestellt werden, die quasi nur durch den Schmelzpunkt des eingesetzten Metalls limitiert werden (z. B. im Falle von Magnesium ca. 650°C). Hierdurch liegt das chemische Gleichgewicht auch bei dem sich einstellenden hohen Druck (z. B. ca. 100 bar bei 550°C) auf der Seite des molekularen Wasserstoffs. Es kommt somit quasi zu einer Eigenkomprimierung des Wasserstoffs, die eine üblicherweise für die Wasserstoffspeicherung erforderliche mechanische Kompression überflüssig macht. Hierdurch kann die Vorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs 9 kompakt gehalten werden und es entfallen Investitions- und Betriebskosten für den üblicherweise erforderlichen Kompressor.
Hinzu kommt, dass durch die direkte Nutzung elektrischer Energie mittels eines elektrischen Heizelementes 3a, insbesondere einer Widerstandsheizung 3b sehr hohe Temperaturdifferenzen zwischen Wasserstoffbindung (bei ca. 250–300°C) und Wasserstofffreisetzung (möglichst nahe 650°C) realisiert werden können. Hierdurch kann die Wasserstoff-Kapazität des Speichermaterials (z. B. Magnesium) maximal genutzt werden, was geringere Mengen an Speichermaterial erforderlich macht und somit ebenfalls zu geringeren Investitionskosten führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt während der Energiezufuhr (Betriebszustand 1) die Temperatur zwischen 250 und 650°C, insbesondere bevorzugt zwischen 300 und 600°C und der Druck zwischen 1 und 150 bar, bevorzugt zwischen 10 und 80 bar, wobei unter „während der Energiezufuhr” der Zeitraum zu verstehen ist, wo sich in Folge der Energiezufuhr die entsprechenden Gleichgewichtsbedingungen bzgl. Temperatur und Druck einstellen. In der Anfangsphase des Betriebszustandes 1 können aufgrund von Auskühlungseffekten die Temperaturen und Drücke niedriger als die vorstehend genannten sein.
Bei Bedarf kann der zwischengespeicherte Wasserstoff in derselben Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a wieder in Hochtemperaturwärme, bevorzugt zwischen 150 und 600°C umgewandelt werden (Energieabfuhr/zweiter Betriebszustand). Hierfür wird der Wasserstoff der Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff 9 entnommen und der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Wasserstoff zuvor über eine Feststoffwärmespeicher 7 geführt, wobei der Wasserstoff die zwischengespeicherte sensible Wärme wieder aufnehmen kann. In der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a kommt es nun zur exothermen Bildung von Metallhydrid, wobei die vorher aufgenommene „Dissoziationsenergie” entsprechend der nachfolgenden Reaktionsgleichung, hier beispielhaft für MgH₂, wieder freigesetzt wird: Mg + H₂ → MgH₂
Durch Steuerung der zugeführten Wasserstoffmenge und des Betriebsdruckes über ein Regelventil 10 können die Dynamik und die Temperatur der Wärmefreisetzung an die aktuellen Erfordernisse flexibel angepasst werden.
Aufgrund der hohen exergetischen Güte der freigesetzten Hochtemperaturwärme kann die freigesetzte Reaktionswärme effektiv an ein Wärmeträgerfluid 11 übertragen werden. Als Wärmeträgerfluid kann vorzugsweise Wasser bzw. Wasserdampf eingesetzt werden aber auch Gase wie z. B. Luft, Stickstoff, Helium sowie Thermoöle, synthetische Wärmeträger und Hochtemperatur-Salze.
Während der Energieabfuhr (Betriebszustand 2) liegt die Temperatur bevorzugt zwischen 150 und 600°C, insbesondere bevorzugt zwischen 200 und 400°C und der Druck zwischen 1 und 100 bar, insbesondere bevorzugt zwischen 1 und 60 bar, wobei mit „während der Energieabfuhr” der Zeitraum gemeint ist, wo sich aufgrund der Balance zwischen Wärmefreisetzung durch den Hydrierungsprozeß des Metalls und der Wärmeabfuhr über das Wärmeträgersystem ein thermodynamisches Gleichgewicht bzgl. Temperatur und Druck einstellt. In der Anfangsphase des Betriebszustandes 2 können aufgrund von Auskühlungseffekten die Temperaturen und Drücke niedriger als die vorstehend genannten sein.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es bei dem Prozess zu keinem Wasserstoffverbrauch kommt, sondern dieser ausschließlich als Energiespeicher Verwendung findet.
Die Aufgabe der Erfindung ein Energiesystem zur Stabilisierung von Stromnetzen bereitzustellen wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System, das umfasst:

– mindestens eine Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a umfassend ein Metall-Metallhydrid-System 4 mit innenliegendem mindestens einem elektrischen Heizelement 3a und mit mindestens zwei Betriebszuständen, wobei bei einem ersten Betriebszustand, der sogenannten Energiezufuhr, durch direkte in situ Beheizung mittels elektrischen Stromes aus einem Metallhydrid Wasserstoff abgespalten wird und bei einem zweiten Betriebszustand, der sogenannten Energieabfuhr, durch die Rekombination von Metall und gespeichertem Wasserstoff ionswärme freigesetzt wird, wobei die Reaktionswärme über Reaktein mit Wärmefluid durchströmbares Wärmeträgersystem 11 abführbar ist,
– mindestens einer Vorrichtung zur Speicherung 9 von aus Metallhydrid freigesetztem Wasserstoff und mindestens einer Steuereinheit (5 und 6) zur Steuerung (mindestens einen Betriebszustandes der mindestens einen Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a.

Dabei passt die Steuereinheit 6 im zweiten Betriebszustand (Energieabfuhr) der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a durch Regulation der zugeführten Wasserstoffmenge und/oder des Druckes die Reaktionswärmefreisetzung in der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a an den Energiebedarf, insbesondere an den Bedarf von Wärme, Strom und/oder Kälte, mindestens eines Verbrauchers an.
Angepasst an den Bedarf kann in nachgeschalteten Energiewandlungsprozessen 12 die in der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a freigesetzte und vom Wärmeträgerfluid aufgenommene Reaktionswärme z. B. für den Antrieb einer Wärme-Kraft-Anlage (Dampf-Kraft-Anlage oder geschlossene Gasturbinenanlage) oder Wärme-Kraft-Maschine (Stirling-Maschine, Dampfmotor/Dampfmaschine) zur Erzeugung mechanischer Energie und daraus elektrischem Strom genutzt werden.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit die freigesetzte und vom Wärmeträgerfluid aufgenommene Reaktionswärme in nachgeschalteten Energiewandlungsprozessen 12 für den Betrieb von Kältemaschinen, die nach dem Absorptionsprinzip arbeiten, zur Erzeugung von Prozess- und Klimakälte zu nutzen oder für die Wärmeversorgung von industriellen Prozessen im Temperaturbereich zwischen 90 und 400°C oder für die Wärmeversorgung von Fernwärmesystemen (Temperaturbereich zwischen 90 und 140°C) und Gebäudeheizsystemen (Temperaturbereich zwischen 30 und 90°C) zu nutzen.
Besonders vorteilhaft ist das Energiesystem einsetzbar in Industrie- und Gewerbebetrieben sowie gesamten Gewerbegebieten mit unterschiedlichen Bedarfen von unterschiedlichen industriellen Verbrauchern.
Durch Steuerung des zweiten Betriebszustandes, der Energieabfuhr, kann auch die Stromerzeugung dynamisch betrieben werden und somit kann das beschriebene Energiesystem als steuerbarer Stromerzeuger zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen (Reserve- und Regelleistung) in Stromübertragungsnetzen genutzt werden.
Insbesondere ist mit dem vorgeschlagenen Energiesystem und dem Verfahren die zeitliche Entkopplung von Stromerzeugung und -nutzung möglich und liefert dadurch eine wesentliche Voraussetzung für das sogenannte Demand-Side-Management, also der Anpassung der Stromnutzung an die Stromverfügbarkeit und kann somit einen Beitrag zur rationellen Energieverwendung leisten. Darüber kann sie über ihre Eigenschaft als steuerbarer Stromverbraucher Netzdienstleistungen (Regel- und Reservestrom) bereitstellen und somit einen wertvollen Beitrag zur Stabilisierung von Stromnetzen mit hohem Anteil regenerativ erzeugten Stroms leisten.
Die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Energieumwandlung bereitzustellen, die das beschriebene Verfahren und Energiesystem ermöglichen, wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, die einen Behälter mit einem Metall-Metallhydrid-System und mit mindestens einer Öffnung für die Zu- und/oder Abfuhr von Wasserstoff umfasst, wobei im Metall-Metallhydrid-System mindestens ein innenliegendes elektrisches Heizelement, das über eine elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Stromquelle verbunden oder verbindbar ist, angeordnet ist und dass mindestens ein mit einem Wärmefluid durchströmbares Wärmeträgersystem im Behälter angeordnet ist wobei das Wärmeträgersystem mindestens eine Öffnung für die Zufuhr und mindestens einer Öffnung für die Abfuhr des Wärmefluids umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine thermische Isolation an der Innenseite der Außenwand des Behälters auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Heizelement als ein Heizrohr ausgebildet, insbesondere als Heizrohr mit innenliegender elektrischer Widerstandsheizung. Insbesondere bevorzugt sind mehrere Heizrohre in Rohrbündelbauweise angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mit einem Wärmefluid durchströmbare Wärmeträgersystem mindestens ein Wärmeträgerrohr und insbesondere bevorzugt sind mehrere Wärmeträgerrohre in Rohrbündelbauweise angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Rohrbündel aus einer Kombination von Heizrohren und Wärmeträgerrohren gebildet, wobei Heizrohre und Wärmeträgerrohre bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind.
Das Metall-Metallhydrid-System liegt dabei in Form eines Granulates, bevorzugt in Form eines verdichteten Granulates, im Mantelraum vor. Die Heizrohre sind in einer bevorzugten Ausführungsform pneumatisch mit dem Mantelraum gekoppelt, womit Sie sich im gleichen thermodynamischen Zustandsraum (Druck und Temperatur) wie das Metall-Metallhydrid-System befinden.
Alternativ kann die Vorrichtung zur Energieumwandlung im Behälter auch ein oder mehrere thermochemische Transformatormodule aufweisen, Jedes thermochemische Transformatormodul umfasst mindestens ein elektrisches Heizelement und ein Metall-Metallhydrid-System und ist gasdicht und druckfest gegenüber dem Mantelraum abgedichtet. Das Metall-Metallhydrid-System liegt bevorzugt in Form eines Granulates, insbesondere bevorzugt eines verdichteten Granulates vor. In einer alternativen Ausführungsform liegt das Metall-Metallhydrid-System als gesinterte Scheibenform mit Heizelementaufnahmeöffnungen vor. Die Heizelementaufnahmeöffnungen liegen bevorzugt als Bohrungen vor. In dieser Ausführungsform liegt das elektrische Heizelement bevorzugt nur als elektrische Widerstandsheizung vor, ohne als Heizrohr mit schützenden Rohrwänden ausgebildet zu sein. Der Mantelraum des Behälters ist als Wärmeträgersystem ausgebildet, das mit einem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist, wobei mindestens eine Öffnung im Behälter für die Zufuhr und mindestens einer Öffnung für die Abfuhr des Wärmefluids vorhanden sind.
Durch die Kopplung mehrerer thermochemischer Transformatormodule oder mehrerer Behälter zu größeren Einheiten ist eine flexible Anpassung an den jeweils vorliegenden Leistungs- und Kapazitätsbedarf möglich.
Vorteile der Erfindung
Wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung zum Stand der Technik bzgl. der Nutzung von Metall-Metallhydriden-Systemen zur Energiespeicherung, ist die direkte – in situ – Nutzung elektrischer Energie zur Wärmebereitstellung, statt des sonst üblichen Umweges über die elektrische Aufheizung eines Wärmeträgerfluids. Die maximale Betriebstemperatur ist dadurch nicht mehr durch die thermische Limitierung des Wärmeträgerfluids (ca. 400°C) sondern durch den Schmelzpunkt des Metalls (Mg: ca. 650°C) gegeben. Dies führt zu signifikanten Verbesserungen hinsichtlich der einstellbaren Betriebszustände und in der Folge zu einem leistungsfähigeren und effizienteren Prozess.
Besonders hervorzuheben ist dabei der wichtige Effekt der Eigenkomprimierung des Wasserstoffs auf Drücke von 50 bar und mehr. Hierdurch kann der erforderliche Wasserstoff-Zwischenspeicher kompakter und kostengünstiger gebaut werden. Darüber hinaus wirken sich die bei einer elektrischen Beheizung einstellbaren, größeren Temperaturdifferenzen zwischen Wasserstoffbindung (bei ca. 300°C) und Wasserstofffreisetzung (möglichst nahe 650°C) positiv auf die nutzbare Wasserstoff-Kapazität des Metall-Metallhydrid-Materials (z. B. Magnesium) aus, was folglich auch zu geringeren Investitionskosten führt.
Des Weiteren kann diese Art der Energiezufuhr deutlich dynamischer betrieben werden als die indirekte Wärmezufuhr über ein Wärmeträgerfluid. Hierdurch ist z. B. die Kopplung mit schwankenden Stromerzeugern wie Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen möglich oder der Einsatz als steuerbare Last zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen (Reserve- und Regelleistung) in Stromübertragungsnetzen.
Darüber hinaus stellt die Möglichkeit der direkten, lokale Umwandlung in Nutzenergie aus Sicht der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit einen außerordentlich attraktiven Nutzungspfad der gespeicherten Energie dar.
Ausführungsbeispiele zu Vorrichtungen zur Energieumwandlung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
2: eine Vorrichtungen zur Energieumwandlung in Rohrbündelbauweise im Querschnitt (Ansicht A-A) und im Längsschnitt (Ansicht B-B), wobei das Wärmeträgersystem Rohre für das Wärmeträgerfluid umfasst, und wobei das Wärmeträgerfluid die Rohre bei Bedarf durchströmen kann, Die elektrischen Heizelemente sind als Heizrohre ausgebildet und das Metall-Metallhydrid-System für die thermochemischen Reaktionen befindet sich im Mantelraum des Behälters.
3: eine Vorrichtungen zur Energieumwandlung in Rohrbündelbauweise im Querschnitt (Ansicht A-A) und im Längsschnitt (Ansicht B-B), wobei thermochemische Transformatormodule, in denen die thermochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und dem Metall-Metallhydrid-System stattfindet, die Rohre bilden und der Mantelraum als ein mit einem Wärmeträgerfluid durchströmbares Wärmeträgersystem ausgebildet ist
4: ein thermochemisches Transformatormodul im Querschnitt (Ansicht A-A) und im Längsschnitt (Ansicht B-B) mit zentral angeordnetem elektrischem Heizelement.
5: ein thermochemisches Transformatormodul im Querschnitt (Ansicht A-A) und im Längsschnitt (Ansicht B-B) mit mehreren, über den Querschnitt verteilt angeordneten elektrischen Heizelementen.
6: Ausführung des Metall-Metallhydrid-Systems in Form gesinterter Scheiben.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Nach 2 werden die thermochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und dem Metall-Metallhydrid-System in einer Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a durchgeführt. Es handelt sich hierbei um einen Apparat in Rohrbündelbauart.
Ein Teil des Rohrbündels wird durch elektrische Heizelemente, die in Form von Heizrohren 14 vorliegen, gebildet. Ein Heizrohr 14 (in Ansicht A-A sind beispielhaft 7 Heizrohre gezeigt) umfasst eine elektrische Widerstandsheizung 3b, die sich in einem Schutzrohr 13 befindet. Widerstandsheizung 3b und Schutzrohr 13 bilden gemeinsam ein Heizrohr 14 bzw. ein elektrisches Heizelement. Im Mantelraum 15, der gleichzeitig auch Reaktionsraum ist, befindet sich ein verdichtetes Metall-Metallhydrid-Granulat 16 (vorzugsweise MgH₂). Die Heizrohre 14 sind pneumatisch mit dem Mantelraum 15 gekoppelt z. B. durch Perforierung der Schutzrohre 13. D. h., sie befinden sich im gleichen thermodynamischen Zustandsraum (Druck und Temperatur) wie das Metall-Metallhydrid-System bzw. der Mantelraum. Bei Verfügbarkeit elektrischen Stroms, wird dieser den Heizelementen zugeführt (Energiezufuhr/erster Betriebszustand). Durch die hierdurch hervorgerufene Erwärmung des Metall-Metallhydrid-Systems auf Temperaturen zwischen 200 und 600°C, wird der im Metallhydrid chemisch gebundene Wasserstoff entsprechend folgender Reaktionsgleichung (hier beispielhaft für MgH₂) freigesetzt: MgH₂ → Mg + H₂
Die Abfuhr des freigesetzten Wasserstoffs erfolgt über mindestens eine im Umfang eingebrachte Öffnung 17 zum Wasserstoff-Druckbehälter (siehe 9 in 1) und kann dort nahezu beliebig lange gespeichert werden Der gesamte Mantelraum ist von innen mit einer thermischen Isolation 18 ausgestattet, in die noch weitere elektrische Widerstandsheizungen 3b eingebracht werden können. Bei der thermischen Isolation handelt es sich bevorzugt um Formteile, wie sie aus dem Ofenbau bekannt sind. Die Isolation ist so dimensioniert, dass die Temperatur der äußeren Behälterwand kleiner als 400°C, vorzugsweise kleiner als 100°C ist.
Bei Bedarf kann durch Umkehrung des vorher beschriebenen Prozesses Hochtemperaturwärme wieder freigesetzt werden (Energieabfuhr/zweiter Betriebszustand). Hierfür wird der Wasserstoff dem Wasserstoff-Druckbehälter (siehe 9 in 1) entnommen und der Vorrichtung zur Energieumwandlung 2a über mindestens eine im Umfang eingebrachte Öffnung 17 wieder zugeführt. Dort kommt es zur exothermen Bildung von Metallhydrid, wobei die vorher aufgenommene „Dissoziationsenergie” entsprechend der nachfolgenden Reaktionsgleichung (hier beispielhaft für MgH₂) wieder freigesetzt wird: Mg + H₂ → MgH₂
Die freigesetzte Reaktionswärme wird an ein Wärmeträgerfluid übertragen, vorzugsweise an Wasser bzw. Wasserdampf aber auch an Gase wie z. B. Luft, Stickstoff, Helium sowie Thermoöle, synthetische Wärmeträger, Hochtemperatur-Salze. Hierfür wird das Wärmeträgerfluid über die Öffnung 19 dem Behälter zugeführt. Danach durchströmt das Wärmeträgerfluid den Behälter in mindestens einem Rohr 20, vorzugsweise aber mehreren parallel angeordneten Rohren 20 (in Ansicht A-A sind beispielhaft 24 Wärmeträgerrohre gezeigt), wobei es die freigesetzte Reaktionswärme aufnimmt. Die Wärmeträgerrohre 20 sind gegenüber dem Mantelraum gasdicht und druckfest abgedichtet. Über die Öffnung 21 verlässt das erwärmte Wärmeträgerfluid den Behälter 2b und wird den nachgeschalteten Energiewandlungs- bzw. Energienutzungsprozessen (siehe 12 in 1) zugeführt. Die Öffnungen 19 und 21 sowie die Wärmeträgerohre 20 bilden zusammen das Wärmeträgersystem.
Oberer und unterer Kopf des Rohrbündelapparates sind in einer bevorzugten Ausführungsform demontierbar (z. B. für Montage- und Wartungsarbeiten) und dienen zudem der elektrischen Kontaktierung 22 der Heizelemente mit einer Stromquelle.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtungen zur Energieumwandlung 2a. Es handelt sich hierbei ebenfalls um einen Apparat in Rohrbündelbauart, bei dem das Rohrbündel aber aus einzelnen thermochemischen Transformatormodulen 23 (hier beispielhaft 19 Module in Ansicht A-A gezeigt) gebildet wird, in denen die thermochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und dem Metall-Metallhydrid-System stattfinden. In den thermochemischen Transformatormodulen befinden sich das Metall-Metallhydrid-System und elektrische Heizelemente (siehe auch 4). Die einzelnen Module sind gegenüber dem Mantelraum 15, in dem sich während der Wiederfreisetzung der gespeicherten Energie ein Wärmeträgerfluid (vorzugsweise Wasser bzw. Wasserdampf, aber auch Gase, Thermoöle, synthetische Wärmeträger und Hochtemperatur-Salze) befindet, gasdicht und druckfest abgedichtet. Sie sind aber über den oberen Kopf 24 des Rohrbündelapparates (zugleich Wasserstoff-Sammelraum) und der Öffnung 17 mit dem Wasserstoff-Druckspeicher (siehe 9 auch 1) verbunden.
Während der Wiederfreisetzung der gespeicherten Energie durch Hydrierung des Metalls zu Metallhydrid (Energieabfuhr/zweiter Betriebszustand) wird das Wärmeträgerfluid über die Öffnung 19 dem Mantelraum 15 des Behälters zugeführt. Indem es die thermochemischen Transformatormodule 23 umströmt, nimmt es die darin freigesetzte Reaktionswärme auf. Über die Öffnung 21 verlässt das erwärmte Wärmeträgerfluid den Behälter 2b und wird den nachgeschalteten Energiewandlungs- bzw. Energienutzungsprozessen zugeführt. Die Öffnungen 19 und 21 und der Mantelraum 15 bilden zusammen das Wärmeträgersystem.
Oberer und unterer Kopf des Rohrbündelapparates sind bevorzugt demontierbar (z. B. für Montage- und Wartungsarbeiten) und dienen zudem der elektrischen Kontaktierung 22 der Heizelemente.
4 zeigt den konstruktiven Aufbau eines einzelnen thermochemischen Transformatormoduls 23. In einem hitzebeständigen Außenrohr 25, vorzugsweise aus Edelstahl, befindet sich eine zentral angeordnete elektrische Widerstandsheizung 3b, die über ein vorzugsweise perforiertes Innenrohr 26 vom koaxial angeordneten Metall bzw. Metallhydridgranulat 16 getrennt ist. Die elektrische Widerstandsheizung 3b und das perforierte Innenrohr 26 bilden in dieser Ausführung zusammen das elektrische Heizelement 3a. Während des Energiezufuhrvorganges (Betriebszustand 1) erhitzt die elektrische Widerstandsheizung 3b das Metallhydrid, wobei bestimmungsgemäß Wasserstoff freigesetzt wird und dieser über den Wasserstoff-Sammelraum 24 (siehe 3) dem Druckbehälter zufließt.
Zur Energieabfuhr (Betriebszustand 2) wird dem Modul 23 über den oberen Kopf 24 des Rohrbündelapparates Wasserstoff zugeführt, der dann mit dem im Modul vorliegenden Metall unter Freisetzung von Wärme ein Metallhydrid bildet. Über die Wand des Rohres 25 wird die Wärme an das im Mantelraum vorliegende Wärmeträgerfluid abgegeben.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines einzelnen thermochemischen Transformatormoduls 23. Im Gegensatz zu einem entsprechend 4 zentral angeordneten elektrischen Heizelement 3a befinden sich hier mehrere über den Querschnitt verteilte Heizelemente 3a (in Ansicht A-A beispielhaft 4 elektrische Heizelemente 3a gezeigt). Sonstiger Aufbau und Funktion entsprechen dem in 4 dargestellten Transformatormodul.
6: Auf den Einbau des Innenrohres 26 kann verzichtet werden, wenn statt eines Granulates Metall- bzw. Metallhydridscheiben 27 bevorzugt als Sintermetallscheiben ausgebildet, mit entsprechend dimensionierten Heizelementaufnahmeöffnungen z. B. Bohrungen 28 für die Aufnahme der elektrischen Widerstandsheizung 3b eingesetzt werden. In dieser Ausführungsform wird das elektrische Heizelement 3a nur durch die elektrische Widerstandsheizung 3b gebildet. Durch Stapelung der Sintermetallscheiben können auf einfachem Wege die jeweils erforderlichen Mengen des Metall-Metallhydrids in die Reaktionsräume entsprechend den 4 und 5 eingebracht werden. 6.a zeigt Sintermetallscheiben für die Aufnahme von einer elektrischen Heizung 3b (entspricht einem Heizelement 3a). 6.b zeigt Sinterscheiben für die Aufnahme mehrerer – hier 5 – elektrischer Heizungen 3b (entspricht fünf elektrischen Heizelementen 3a).
Auch kann das in 2 dargestellte Metall-Metallhydrid-System in Form von Granulat im Mantelraum ersetzt werden durch Metall- bzw. Metallhydridscheiben.
Bezugszeichenliste

1: Stromquelle
2a: Vorrichtung zur Energieumwandlung
2b: Behälter
3a: elektrisches Heizelement
3b: elektrische Widerstandsheizung
4: Metall-Metallhydrid-System
5: Leistungsregler
6: Temperaturregler
7: Feststoffwärmespeicher
8: Absperreinrichtung
9: Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, insbesondere Wasserstoff-Druckspeicher
10: Regelventil
11: Wärmeträgersystem mit Wärmeträgerfluid
12: Energienutzungsprozesse
13: Schutzrohr
14: Heizrohr
15: Mantelraum
16: Metall-Metallhydrid-Granulat
17: Öffnung für Wasserstoff
18: thermische Isolation
19: Öffnung für Wärmeträgerfluideintritt
20: Wärmeträgerrohr
21: Öffnung für Wärmeträgerfluidaustritt
22: elektrische Kontaktierung
23: thermochemisches Transformatormodul
24: Wasserstoff-Sammelraum
25: Außenrohr des thermochemischen Transformatormoduls
26: Innenrohr des thermochemischen Transformatormoduls
27: gesinterte Metall-Metallhydrid-Scheiben
28: Heizelementaufnahmeöffnungen (insbesondere Bohrung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2800903 [0017]
US 4161211 [0017]
DE 2800903 A1 [0018]

Claims

Verfahren zur Speicherung von elektrischem Strom umfassend ein Metall-Metallhydrid-System dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr elektrisch und direkt über mindestens ein im Metall-Metallhydrid-System innenliegendes elektrisches Heizelement erfolgt, das über eine elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Stromquelle verbunden oder verbindbar ist und dass die Energieabfuhr thermisch über mindestens ein mit einem Wärmeträgerfluid durchströmbares Wärmeträgersystem erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während der Energiezufuhr die Temperatur zwischen 250 und 650°C, bevorzugt zwischen 300 und 600°C und der Druck zwischen 1 und 150 bar, bevorzugt zwischen 20 und 80 bar liegt und während der Energieabfuhr die Temperatur zwischen 150 und 600°C, bevorzugt zwischen 200 und 400°C und der Druck zwischen 1 und 100 bar, bevorzugt zwischen 1 und 60 bar, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der bei Energiezufuhr aus dem Metall-Metallhydrid-System freigesetzte Wasserstoff vor Eintritt in eine Vorrichtung zu seiner Speicherung über einen Feststoffwärmespeicher geführt wird und/oder der gespeicherte Wasserstoff bei Energieabfuhr vor Eintritt in das Metall-Metallhydrid-System über einen Feststoff wärmespeicher geführt wird.
Vorrichtung zur Energieumwandlung für das Verfahren zur Speicherung von elektrischem Strom nach Anspruch 1 umfassend einen Behälter mit einem Metall-Metallhydrid-System und mit mindestens einer Öffnung für die Zu- und/oder Abfuhr von Wasserstoff dadurch gekennzeichnet, dass im Metall-Metallhydrid-System mindestens ein innenliegendes elektrisches Heizelement, das über eine elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Stromquelle verbunden oder verbindbar ist, angeordnet ist und dass mindestens ein mit einem Wärmefluid durchströmbares Wärmeträgersystem im Behälter angeordnet ist wobei das Wärmeträgersystem mindestens eine Öffnung für die Zufuhr und mindestens einer Öffnung für die Abfuhr des Wärmefluids umfasst.
Vorrichtung zur Energieumwandlung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine thermische Isolation an der Innenseite der Außenwand aufweist.
Vorrichtung zur Energieumwandlung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement als mindestens ein Heizrohr ausgebildet ist, insbesondere als Heizrohr mit innenliegender elektrische Widerstandsheizung und dass das mindestens eine mit einem Wärmefluid durchströmbare Wärmeträgersystem als mindestens ein Wärmeträgerrohr ausgebildet ist, und dass das Metall-Metallhydrid-System in Form eines Granulates im Mantelraum angeordnet ist.
Vorrichtung zur Energieumwandlung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein thermochemisches Transformatormodul aufweist, wobei das thermochemische Transformatormodul mindestens ein elektrisches Heizelement und ein Metall-Metallhydrid-System umfasst und gasdicht und druckfest gegenüber dem Mantelraum abgedichtet ist und der Mantelraum als ein mit einem Wärmeträgerfluid durchströmbares Wärmeträgersystem ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Energieumwandlung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Metallhydrid-System in Form eines Granulates oder als gesinterte Scheibenform mit Heizelementaufnahmeöffnungen in dem mindestens einem thermochemischen Transformatormodul vorliegt.
Energiesystem zur Stabilisierung von Stromnetzen wobei das System umfasst (a) mindestens eine Vorrichtung zur Energieumwandlung umfassend ein Metall-Metallhydrid-System mit innenliegendem mindestens einem elektrischen Heizelement und mit mindestens zwei Betriebszuständen, wobei bei einem ersten Betriebszustand, der Energiezufuhr, durch direkte in situ Beheizung mittels elektrischen Stromes aus einem Metallhydrid Wasserstoff abgespalten wird und bei einem zweiten Betriebszustand, der Energieabfuhr, durch die Rekombination von Metall und gespeichertem Wasserstoff Reaktionswärme freigesetzt wird, wobei die Reaktionswärme über ein mit Wärmefluid durchströmbares Wärmeträgersystem abführbar ist. (b) mindestens einer Vorrichtung zur Speicherung von aus Metallhydrid freigesetztem Wasserstoff (c) mindestens einer Steuereinheit zur Steuerung mindestens einen Betriebszustandes der mindestens einen Vorrichtung zur Energieumwandlung.
Energiesystem zur Stabilisierung von Stromnetzen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit im zweiten Betriebszustand der Vorrichtung zur Energieumwandlung durch Regulation der zugeführten Wasserstoffmenge und/oder des Druckes die Reaktionswärmefreisetzung in der Vorrichtung zur Energieumwandlung an den Energiebedarf, insbesondere an den Bedarf von Wärme, Strom und/oder Kälte, mindestens eines Verbrauchers anpasst.