DE102014019589A1

DE102014019589A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie und zur zeitversetzten Abgabe der gespeicherten Energie

Info

Publication number: DE102014019589A1
Application number: DE102014019589.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-06-30

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie und zur zeitversetzten Abgabe der gespeicherten Energie Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ergibt sich aus den Nachteilen des vorliegenden Standes der Technik. Sie betrifft die Entwicklung eines schwarzstartfähigen, dynamischen Verfahrens zur längerfristigen Energiespeicherung mit verbesserter Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Zudem stößt das erfundene Verfahren insbesondere bei der Ausspeicherung der gespeicherten Energie keine Treibhausgase aus und das umgebende Ökosystem wird so gering wie möglich durch bauliche Eingriffe oder ähnliches belastet. Wichtig ist zudem noch, dass das erfundene Verfahren nicht zwangsläufig auf bestimmte geologische Bedingungen angewiesen ist. Das Verfahren kommt sowohl für die zentrale Energiespeicherung in größer dimensionierten Anlagen als auch für die dezentrale Energiespeicherung in kleineren Anlagen in Frage. Die Erfindung ergänzt das Verfahren des Druckluftspeicherkraftwerks mit Power-to-Gas-Elementen und ersetzt die Druckluft durch Wasserstoff; die Verstromung erfolgt nun in einer Brennstoffzelle, die weit über dem Speicher angesiedelt ist, die Speicherung von Energie erfolgt nun zusätzlich über die Wasserspaltung. Dem in der Brennstoffzelle entstehenden Wasser wird zudem noch Lageenergie entnommen. Die Erfindung kann zur effizienten und umweltfreundlichen Speicherung elektrischer Energie angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie nach Umwandlung in chemische Energie, vorzugsweise ist Wasserstoff das verwendete Speichermedium.
Neben Pumpspeicherkraftwerken bilden Druckluftspeicherkraftwerke, das Power-to-Gas-Verfahren, Brennstoffspeicher vor Großkraftwerken sowie Batteriespeicherkraftwerke den gegenwärtigen Status quo der Energiespeicherung.
Die gegenwärtigen Verfahren erreichen jedoch oft nicht den Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks oder besitzen nicht die Fähigkeit zur Langzeitspeicherung der Energie, problematisch ist zusätzlich noch die Unwirtschaftlichkeit als auch die fehlende Schwarzstartfähigkeit einiger Verfahren. Hinzu kommt, dass manche Techniken tief in das sie umgebende Ökosystem eingreifen und teilweise bestimmte geologische Bedingungen voraussetzen, was die mögliche Speicherkapazität und damit auch das Potential der entsprechenden Technik stark begrenzt. Besonders störend ist meines Erachtens, dass einige Vorrichtungen Treibhausgase ausstoßen und Kohlenstoffoxide als Reaktionsedukte benötigen.
Brennstoffspeicher, gefüllt zum Beispiel mit Kohle, vor Großkraftwerken können zwar sehr viel Energie über längere Zeit speichern, die Umwandlung in elektrische Energie erfolgt allerdings unter eher niedrigem Wirkungsgrad, bei den modernsten Kohlekraftwerken knapp 50% und durch ein Prinzip, welches nicht schwarzstartfähig ist. Außerdem können Kohle- und viele andere Großkraftwerke nur sehr begrenzt auf Leistungsschwankungen reagieren. Im Gegensatz dazu sind Batteriespeicher zwar schwarzstartfähig und besitzen einen hohen Wirkungsgrad, können dafür aber nicht in allen Fällen wirtschaftlich betrieben werden und unterliegen einer gewissen Selbstentladung.
Eine andere Technologie zur Energiespeicherung sind Druckluftspeicherkraftwerke. Druckluftspeicherkraftwerke des gegenwärtigen Standes der Technik sind zwar schwarzstartfähig, benötigen aber eine Wärmezufuhr zur Ausspeicherung der Energie – meist durch die Verfeuerung von Erdgas realisiert. Dies führt einerseits zum Ausstoßen von Treibhausgasen, andererseits liegt der Wirkungsgrad zumeist unter dem des üblichen Gasturbinenprozesses.
Das Power-to-Gas-Verfahren besitzt zwar viele der angesprochenen Eigenschaften; allerdings kann das Prinzip durch einige Änderungen, welche unter anderem eine Methanisierung des Speichergases überflüssig machen, noch effizienter, wirtschaftlich und vor allem ohne entstehende Treibhausgase gestaltet werden. Hinzu kommt, dass für das entstehende Gas noch eine sinnvolle Speichermöglichkeit gesucht ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ergibt sich aus den Nachteilen des vorliegenden Standes der Technik. Sie betrifft die Entwicklung eines schwarzstartfähigen, dynamischen Verfahrens zur längerfristigen Energiespeicherung mit verbesserter Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Zudem soll das entstandene Verfahren insbesondere bei der Ausspeicherung der gespeicherten Energie keine Treibhausgase ausstoßen und das umgebende Ökosystem so gering wie möglich durch bauliche Eingriffe oder ähnliches belasten. Wichtig ist zudem noch, dass das erfundene Verfahren nicht zwangsläufig auf bestimmte geologische Bedingungen angewiesen sein soll. Das Verfahren soll allerdings nicht nur im großen oder im kleinen Maßstab effizient arbeiten, sondern sowohl für die zentrale Energiespeicherung in größer dimensionierten Anlagen als auch für die dezentrale Energiespeicherung in wesentlich kleineren Anlagen in Frage kommen.
Das erfundene Verfahren löst die erläuterte Aufgabe durch die Kombination von einem Wasserelektrolyseur, einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, einem Druckgasspeicher mit Wasserstoff als Speichergas, einer Gasexpansionsturbine und einem Wasserrad. Es wurden zwei bereits existierende Verfahren zur Energiespeicherung (Druckluftspeicherkraftwerk, Power-to-Gas-Verfahren) kombiniert und durch die Nutzung der Eigenschaften der in den Verfahren entstehenden Stoffe optimiert.
Das Prinzip des Druckluftspeicherkraftwerkes wurde dahingehend verändert, dass Wasserstoff als Speichergas zum Einsatz kommt. Durch den negativen Joule-Thomson-Koeffizienten des Wasserstoffs entfällt somit die sonst nötige Verbrennung von zum Beispiel Erdgas während der Expansion der Druckluft. Diese Verbesserung ist nötig um die Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlenstoffdioxid, bei der Energiespeicherung zu verhindern.
Das Power-to-Gas-Verfahren wurde insofern überarbeitet, als dass die Brennstoffzelle auf einem deutlich höher gelegenen Plateau platziert ist. Der Wasserstoff steigt aufgrund seiner Dichte ohnehin nach oben und der benötigte Sauerstoff kann direkt der umgebenden Luft entnommen werden. Dies bewirkt, dass das in der Brennstoffzelle anfallende Wasser, ohne zusätzlichen Energieaufwand, eine höhere potenzielle Energie hat, welche durch eine Fluidenergiemaschine, beispielsweise eine Turbine, nutzbar gemacht werden kann. Der entstandene Sauerstoff kann ebenfalls gespeichert und der Brennstoffzelle hinzugeführt werden, das entstandene Wasser hat nun immer noch eine mehr potenzielle Energie als an Energie zugeführt werden musste. Außerdem ist in dem verwendeten Power-to-Gas-Prozess keine Methanisierung des Speichergases erforderlich.
Die Erfindung kann auf zweierlei Arten wirtschaftlich genutzt werden. Zum Einen kann das bloße Betreiben, also der Einkauf günstigen Stroms in Produktionsspitzen und der Verkauf teuren Stroms in Verbrauchsspitzen, solch einer Vorrichtung bereits als wirtschaftliche Verwendung angesehen werden; andererseits ergibt sich eine wirtschaftliche Nutzung des Verfahrens in der Herstellung, dem Vertrieb und der Integration in bestehende Systeme. Eine Zielgruppe sind beispielsweise Personen, welche mittels Photovoltaikanlagen ihren eigenen Strom erzeugen und diesen speichern und zu einem späteren Zeitpunkt nutzen möchten.
Die beschriebene Erfindung produziert, im Gegensatz zu einigen der eingangs genannten Verfahren, durch die Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als Speichermedium, der Speicherung dieser Gase unter geeignetem Druck, keine Treibhausgase bei der Bereitstellung der Energie, ist durch die Verwendung einer Gasexpansionsturbine schwarzstartfähig und besitzt durch das Speichermedium Wasserstoff die Fähigkeit zur Langzeitspeicherung von Energie. Außerdem kann das entwickelte Verfahren durch die Verwendung eines energetisch mehrfach verwertbaren Speichermediums, der effektiven Nutzung der Eigenschaften der beteiligten Stoffe und der Nutzung der Lageenergie des Reaktionsproduktes Wasser mehr Energie bei verringertem baulichem Aufwand und Raumbedarf speichern als vergleichbare Verfahren. Durch die Abgabe des produzierten Wasserstoffs beziehungsweise Sauerstoffs entstehen außerdem zusätzliche Einnahmequellen. Zudem gibt die Erfindung thermische Energie ab und besteht aus einem geschlossenen System, sofern der Sauerstoff ebenfalls gespeichert wird.
Es folgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand einer Skizze.
Position 1 beschreibt die Wasserelektrolyse bei einem Überangebot an Strom im Netz, zum Beispiel in Produktionsspitzen regenerativer Energieträger. Hierbei entstehen unter Stromverbrauch Wasserstoff und Sauerstoff.
Position 2 stellt die Speicherung des entstandenen Wasserstoffs dar.
Position 2.1 steht für die Verdichtung des entstandenen Wasserstoffs und das Speichern in einem passenden Speicher.
Position 2.2 zeigt das Leiten von jenem in die Brennstoffzelle.
Position 2.3 stellt die Abgabe von Wasserstoff an Verbraucher außerhalb des Systems dar.
Position 3 stellt die Speicherung des entstandenen Sauerstoffs dar.
Position 3.1 steht für die Verdichtung des entstandenen Sauerstoffs und das Speichern in einem passenden Speicher.
Position 3.2 zeigt das Leiten von jenem in die Brennstoffzelle.
Position 3.3 stellt die Abgabe von Sauerstoff an Verbraucher außerhalb des Systems dar.
Position 4 steht für die Wandlung der chemischen Energie und das Erhalten von Strom- und Wärmeenergie in der Brennstoffzelle.
Position 5 zeigt das Leiten des in der Brennstoffzelle entstandenen Wassers in den Elektrolyseur.
Position 5.1 steht für die Gewinnung von Energie durch die Nutzung der Lageenergie des Wassers in einer Wasserturbine.
Position 5.2 beschreibt die Rückgewinnung der am Wasserstoff verrichteten Volumenarbeit in einer Gasexpansionsturbine.
Position 5.3 steht für die Rückgewinnung der am Sauerstoff verrichteten Volumenarbeit in einer Gasexpansionsturbine.
Position 6.1 stellt die Aufnahme elektrischer Energie zum Zwecke der Elektrolyse dar.
Position 6.2 zeigt die Aufnahme elektrischer Energie zur Verdichtung des Wasserstoffs und Sauerstoffs.
Position 7.1 steht für die Einspeisung der in der Wasserturbine erzeugten Energie in ein Verbrauchsnetz.
Position 7.2 beschreibt die Einspeisung der in der Gasexpansionsturbine des Wasserstoffs erzeugten Energie in ein Verbrauchsnetz.
Position 7.3 zeigt die Einspeisung der in der Gasexpansionsturbine des Sauerstoffs erzeugten Energie in ein Verbrauchsnetz.
Position 7.4 stellt die Einspeisung der in der Brennstoffzelle erzeugten Energie in ein Verbrauchsnetz dar.

Claims

Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie umfassend – Spalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse in einem Elektrolyseur (1) – Speichern des Wasserstoffs – Zuführen des Wasserstoffs zu einer Brennstoffzelle (4) – Erzeugen von Energie in der Brennstoffzelle (4) – Möglichkeiten zur Energieabgabe (2.3, 3.3, 7.1–7.4) gekennzeichnet durch die Merkmale: – Positionieren der Brennstoffzelle (4) hoch über dem Elektrolyseur (1) – Positionieren einer ersten Fluidenergiemaschine (5.1) über dem Elektrolyseur (1) – Leiten des in der Brennstoffzelle (4) entstandenen Wassers mit Gefälledruck auf die erste Fluidenergiemaschine (5.1) – Einspeisen der in der Brennstoffzelle (4) und/oder der ersten Fluidenergiemaschine (5.1) entstandenen Energie in ein Verbrauchsnetz (7.1, 7.4)
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale: – Reduzieren des Wasserstoffdrucks zwischen Speicher (2) und Brennstoffzelle (4) durch eine zweite Fluidenergiemaschine (5.2) – Erzeugen von Energie in der zweiten Fluidenergiemaschine (5.2) – Einspeisen der Energie in ein Verbrauchsnetz (7.2)
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Merkmale: – Speichern des im Elektrolyseur (1) gebildeten Sauerstoffs in einem entsprechenden Speicher (3) – Zuführen des gespeicherten Sauerstoffs zur Brennstoffzelle (4)
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Merkmale: – Reduzieren des Sauerstoffdrucks zwischen Speicher (3) und Brennstoffzelle (4) durch eine dritte Fluidenergiemaschine (5.3) – Einspeisen der erzeugten Energie in ein Verbrauchsnetz
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 umfassend – einen Elektrolyseur (1) – einen Wasserstoffspeicher (2) – eine Brennstoffzelle (4) – eine Leitung (2.2), die den Wasserstoff von seinem Druckspeicher (2) zur Brennstoffzelle (4) leitet, – Möglichkeiten zur Energieabgabe (2.3, 3.3, 7.1–7.4) gekennzeichnet durch – eine lange, vertikal montierte Wasserdruckleitung (5) von der Brennstoffzelle (4) zum Elektrolyseur (1) – eine erste Fluidenergiemaschine (5.1) vor dem Elektrolyseur (1)
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch – eine zweite Fluidenergiemaschine (5.2) in der Wasserstoffleitung (2.2) zur Brennstoffzelle (4) zur Druckreduzierung und zur Gewinnung von Energie
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch – einen Sauerstoffspeicher (3) – eine Leitung, die den Sauerstoff von seinem Druckspeicher (3) zur Brennstoffzelle (4) leitet
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch – eine dritte Fluidenergiemaschine (5.3) in der Sauerstoffleitung (5.3) zur Brennstoffzelle zur Druckreduzierung und zur Gewinnung von Energie
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, gekennzeichnet durch – eine Vorrichtung (2.3) zur Abgabe von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (2).
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch – eine Vorrichtung zur Abgabe von Sauerstoff (3.3) aus dem Sauerstoffspeicher (3).
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, gekennzeichnet durch – Positionieren der Brennstoffzelle um mindestens 100m oberhalb der Brennstoffzelle