DE102015005940B4 - Method for integrating regeneratively generated electricity into a power grid using carbon monoxide - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Integration regenerativ erzeugten Stroms in ein Stromnetz, umfassend Verbrennen von gemahlener getrockneter Kohle in einem Reaktor zu Kohlenmonoxid zum Erzeugen von Strom in einer Gasturbine, zur Speicherung in einem Flüssigspeicher oder zur Herstellung von Chemikalien in nachgeschalteten Chemieanlagen, • wobei dem Reaktor zum Generieren hochprozentigen Kohlenmonoxids reiner Sauerstoff in verminderter Menge zur partiellen Oxidation, für die Reaktion C + 1/2O2 = CO, zugeführt wird, und • wobei dem Reaktor die gemahlene getrocknete Kohle in einem Kohlendioxid-Strom zugeführt wird, um mit der endothermen Reaktion CO2 + C = 2CO die Temperatur im Reaktor zu reduzieren, Erzeugen von elektrischem Strom durch Verbrennen des hochprozentigen Kohlenmonoxids in einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator und Einspeisen des Stroms in das Stromnetz, • wobei die Stromerzeugung mittels der Gasturbine wie auch die nachgeschalteten Chemieanlagen, bei Variationen des Stromangebotes oder der Stromnachfrage mit einem optimalen Wirkungsgrad weiter betrieben werden können, wobei bei einem Überangebot an regenerativ erzeugtem Strom im Stromnetz zur reduzierten Erzeugung von Strom nur die Gasturbine, nicht der Reaktor, zurückgefahren wird und dabei ein Teilstrom des im Reaktor erzeugten Kohlenmonoxids verflüssigt und im Flüssigspeicher als chemische Energie gespeichert wird und kurz und mittelfristig bei Elektro-Energiemangel im Stromnetz wieder mittels der Gasturbine in elektrische Energie umgewandelt wird.A method of integrating regeneratively generated electricity into a power grid, comprising combusting ground dried coal in a reactor into carbon monoxide to generate power in a gas turbine, storing in a liquid storage facility, or producing chemicals in downstream chemical plants, the plant generating high percentages Carbon monoxide pure oxygen in a reduced amount for partial oxidation, for the reaction C + 1 / 2O2 = CO, is supplied, and • wherein the ground, the dried dried coal is fed in a carbon dioxide stream to the endothermic reaction CO2 + C = 2CO reduce the temperature in the reactor, generating electricity by burning the high percentage carbon monoxide in a gas turbine with coupled generator and feeding the electricity into the power grid, • wherein the power generation by means of the gas turbine as well as the downstream chemical plants, with variations in electricity supply it or the demand for electricity can continue to operate with optimal efficiency, with an oversupply of regeneratively generated electricity in the power grid to reduce the production of electricity, only the gas turbine, not the reactor, is reduced and thereby liquefied a partial flow of the carbon monoxide produced in the reactor and in the Liquid storage is stored as chemical energy and is in the short and medium term in electrical energy shortage in the power network is converted by the gas turbine into electrical energy.

Description

Verfahren zur verbesserten Integration regenerativer Energiequellen in das existierende Energiesystem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie mit Zwischenspeicherung des verflüssigten CO, wodurch eine Reduzierung der CO2 Emission erzielt und der weitere Ausbau regenerativer Energien gefördert wird.Method for improving the integration of renewable energy sources into the existing energy system by converting electrical energy into chemical energy with intermediate storage of liquefied CO, thereby reducing CO2 emissions and promoting the further development of renewable energies.

Stand der TechnikState of the art

US 2006/0096298 A1 zeigt ein Verfahren, das unter Berücksichtigung eines variablen Strombedarfs zur Anwendung kommt. Dabei werden ein oder mehrere Synthesegasströme durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien erzeugt und zur Stromerzeugung genutzt, um während einer Periode des Spitzenstrombedarfs Strom zu erzeugen. Alternativ wird das Synthesegas in chemischen Produktionsanlagen verwendet, um beispielsweise Methanol herzustellen. Dies erfolgt insbesondere während einer Periode mit niedrigem Strombedarf. US 2006/0096298 A1 shows a method that is used taking into account a variable power requirement. One or more syngas streams are generated by gasification of carbonaceous materials and used to generate power to generate power during a period of peak power demand. Alternatively, the synthesis gas is used in chemical production plants to produce, for example, methanol. This is done especially during a period of low power consumption.

Die Offenlegungsschrift DE 20 01 844 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum erzeugen von Kohlenmonoxid durch Umsetzung von Koks mit Sauerstoff und Kohlendioxid.The publication DE 20 01 844 A shows a method and apparatus for producing carbon monoxide by reacting coke with oxygen and carbon dioxide.

Die immer größeren Kapazitäten der regenerativen Stromerzeuger bedingen örtliche und zeitliche Schwankungen der Energiebereitstellung. Außerdem gibt es natürlich Tages und Jahreszeitlich bedingte schwankende Abnahmemengen der Verbraucher. Dies kann zu Überkapazitäten oder Mangelangeboten an elektrischer Energie führen. The ever-increasing capacities of regenerative power generators cause local and temporal fluctuations in energy supply. In addition, there are of course day and seasonally fluctuating consumer demand. This can lead to overcapacity or shortage of electrical energy.

Naheliegend ist daher bei Überkapazitäten die Elektro-Energie zu speichern. Obviously, in case of overcapacities, the electric energy should be stored.

Große Mengen Elektroenergie direkt zu speichern ist gegenwärtig aber technisch nicht möglich. However, it is not technically possible to store large amounts of electricity directly.

Nun kann man „überschüssige” elektrische Energie durch die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff in chemische Energie umsetzen. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften lässt sich dieser jedoch schlecht speichern. Now you can convert "excess" electrical energy by the electrolysis of water into hydrogen into chemical energy. Due to its physical properties, however, this can be poorly stored.

Alle Bemühungen diesbezüglich sind bislang nicht von Erfolg gekrönt. All efforts to this end have not been successful so far.

Deshalb müssen beispielsweise bei Überkapazitäten Kohlekraftwerke heruntergefahren werden. Therefore, for example, overcapacities coal plants have to be shut down.

Werden Kohlekraftwerke im Teillastbetrieb gefahren, sinkt jedoch der elektrische Wirkungsgrad ab. Für die modernsten Steinkohlekraftwerke liegen die Wirkungsgrade im Volllastbetrieb bei ca. 45–47%. Werden diese Kraftwerke auf 50% Leistung gedrosselt sinkt der Wirkungsgrad auf 42–44% herab. If coal-fired power plants are operated in partial load operation, however, the electrical efficiency decreases. For the most modern coal-fired power plants, the efficiencies in full-load operation are around 45-47%. If these power plants are throttled to 50% power efficiency drops to 42-44%.

Das heißt sie emittieren mehr CO2 pro erzeugte Kilowattstunde als wenn sie unter optimalen Bedingungen laufen könnten. In other words, they emit more CO2 per kilowatt-hour generated than if they could run under optimal conditions.

Das ist natürlich kontraproduktiv. This is of course counterproductive.

Außerdem müssen die Kraftwerke für größere Kapazitäten ausgelegt werden um bei naturbedingter verringerter Leistung der regenerativen Stromerzeuger die Grundversorgung mit elektrischer Energie abdecken zu können. Das wiederum bedeutet höhere Investitionskosten für den Bau dieser Kraftwerke. In addition, the power plants have to be designed for larger capacities in order to be able to cover the basic supply of electrical energy with natural reduced power of the regenerative power generator. This in turn means higher investment costs for the construction of these power plants.

Es ist sicherlich verlockend den von regenerativen Energieanlagen wie Wind und Solarkraft generierten Strom zu nutzen um mittels Wasserelektrolyse Wasserstoff zu erzeugen und diesen dann mit den Abgasen aus CO2 Emittenten als Rohstoff nutzend zu Methan umzusetzen. It is certainly tempting to use the electricity generated by regenerative energy systems such as wind and solar power to generate hydrogen by means of electrolysis of water and then convert this to methane using the exhaust gases from CO2 emitters as raw material.

Was macht man aber wenn die regenerativen Energien einmal „schwächeln”? In der Natur kommt das natürlich vor. But what do you do when the regenerative energies "falter"? In nature this happens naturally.

Man könnte die überschüssige Elektroenergie in chemische Energie umsetzen und z. B. Wasserstoffs herstellen. Das stößt aber, auf wie oben gesagt, auf große technische und vor allem auch ökonomische Probleme. You could implement the excess electrical energy in chemical energy and z. B. produce hydrogen. However, this encounters, as stated above, great technical and above all economic problems.

Um nachgeschaltete Chemieanlagen, wie die Erzeugung von Methan am Laufen zu halten müssten die Elektrolyseure zur Herstellung des Wasserstoffs mit Strom aus dem Netz gespeist werden. Mit Strom also der wegen des Ausfalls der regenerativen Quellen sowieso schon knapp ist und nur durch Hochfahren von Anlagen aus nichtregenerativen Quellen in das Stromnetz einzuspeisen zu gewährleisten wäre. In order to keep downstream chemical plants, such as the production of methane, the electrolysers would have to be supplied with electricity from the grid to produce the hydrogen. With electricity that is anyway because of the failure of the regenerative sources already scarce and would be able to feed only by ramping up of plants from non-regenerative sources into the power grid.

Ein schnelles Hochfahren der Grundlast tragenden konventionellen Kohlekraftwerke ist aber technisch problematisch. Alternativ könnten die Anlagen zur Methanerzeugung abgeschaltet werden. However, a fast start-up of the base load-bearing conventional coal power plants is technically problematic. Alternatively, the methane production facilities could be shut down.

In solchen Fällen könnte eine sogenannte GUD Anlage zur Stromgewinnung genügend schnell hochgefahren werden. und den zum Betrieb der Anlagen benötigten Strom liefern. In such cases, a so-called GUD plant for power generation could be started up quickly enough. and provide the power needed to operate the plants.

Mit solchen GUD Kraftwerken wird auch ein hoher Wirkungsgrad, durch eine Kombination aus Gasturbine mit nachgeschalteter Dampfturbine, erzielt. With such combined cycle power plants is also a high efficiency, achieved by a combination of gas turbine with downstream steam turbine.

Eine GUD Anlage benötigt aber für den Betrieb Gas (CH4). Außerdem muss die Anlage für solche Fälle entsprechend groß ausgelegt werden, eine große Investition für den Fall, dass einmal der Wind nicht weht. However, a GUD system requires gas (CH4) for operation. In addition, the facility for Such cases are interpreted as large, a large investment in case the wind does not blow.

Bei der Energie-Ressource Gas ist Deutschland aber nahezu vollständig vom Import abhängig. Germany is almost completely dependent on imports for the energy resource gas.

Das ist in zweierlei Hinsicht nicht erstrebenswert. Einmal erhöht es die Abhängigkeit von Energieimporten (Gas) und dann ist es auch nicht ökonomisch, weil finanzielle Mittel als totes Kapital gebunden werden wenn die Anlagen mit verringerter Last laufen. This is not desirable in two respects. Once it increases the dependency on energy imports (gas) and then it is also not economical because financial resources are tied up as dead capital when the plants are running at a reduced load.

Finanzmittel die damit nicht für den Ausbau regenerativer Energiegewinnung zur Verfügung stehen, behindert letztlich also deren Ausbau. Funding that is not available for the expansion of regenerative energy generation, hinders therefore ultimately their expansion.

Um eine verbesserte Energieumsetzung zu finden, laufen seit April 2014 Entwicklungen im sog. „Power to Gas” Projekt HELMETH von der EU mit 3,8 Millionen Euro gefördert. Es soll dort mittels Wasserdampf-Elektrolyse Wasserstoff erzeugt werden, wobei in einer umgekehrten Konvertierungsreaktion der Wasserstoff mit CO2 teilweise nach H2 + CO2 = CO + H2O in CO umgewandelt wird. In order to find an improved energy conversion, since April 2014 developments in the so-called "Power to Gas" project HELMETH have been funded by the EU with 3.8 million euros. Hydrogen is to be generated there by means of steam electrolysis, whereby in a reverse conversion reaction the hydrogen is partly converted to CO 2 with H2 + CO2 = CO + H2O in CO.

Aus dem Gasgemisch sollen dann Kohlenwasserstoffe (Fischer Tropsch Verfahren) oder in einer Methanisierungsreaktion Methan hergestellt werden. From the gas mixture then hydrocarbons (Fischer Tropsch process) or in a Methanisierungsreaktion methane to be produced.

Das Methan könnte dann in das Gasleitungssystem eingespeist werden und soll schließlich dem Verbraucher, in einer SOFC [solid oxide fuel cell] umgesetzt, als Heizung und Stromquelle dienen. The methane could then be fed into the gas line system and eventually serve as a heating and power source to the consumer, implemented in a solid oxide fuel cell (SOFC).

Die bei dem exothermen Prozess der Methanisierung freiwerdende Wärme mit einem hohen Temperaturniveau soll bei dem Projekt benutzt werden um Wasser in Dampf zu überführen welcher dann einer Hochtemperatur Wasserdampf-Elektrolyse zugeführt wird um damit die Energiebilanz des Verfahrens der Wasserstoffgewinnung zu verbessern. The high temperature heat released in the exothermic process of methanation is to be used in the project to convert water to steam which is then fed to high temperature steam electrolysis to improve the energy balance of the hydrogen recovery process.

Bei einem Ausfall der regenerativen Energiequellen müssen jedoch auch bei dieser Variante der Nutzung regenerativ gewonnener Elektro-Energie die Wasserstoff-Elektrolyse als auch die nachgeschalteten Anlagen zur Umsetzung in chemische Energie mit Strom aus anthropogenen Quellen gespeist werden. In the event of a failure of the regenerative energy sources, however, the hydrogen electrolysis and the downstream plants for conversion into chemical energy also have to be supplied with electricity from anthropogenic sources in this variant of the use of regeneratively obtained electrical energy.

Bei dem sogenannten IGCC Verfahren soll durch Vergasen eines Kohlebreies (Kohle mit Wasser) mit Sauerstoff ein Synthesegas erzeugt werden. Das so erzeugte Synthesegas ist jedoch nicht speicherfähig. In the so-called IGCC process, a synthesis gas is to be produced by gasifying a coal slurry (coal with water) with oxygen. However, the synthesis gas thus produced is not storable.

Die Schwierigkeiten der Integration regenerativer Energien in das Netz werden dadurch leider nicht beseitigt. Unfortunately, this does not eliminate the difficulties of integrating renewable energy into the grid.

Aufgabe der Erfindung ist es daher die regenerativ erzeugte Elektroenergie in das vorhandene Energiesystem Stromnetz-Gasnetz vorteilhaft zu integrieren, und dadurch einen weiteren Ausbau dieser Energien zu unterstützen sowie Entwicklungen auf dem Gebiet der Energiewandlung zu fördern, mit dem Ziel einen verringerten CO2 Ausstoß mit ökonomischer Nutzen zu verbinden. The object of the invention is therefore to integrate the regeneratively produced electrical energy into the existing energy system grid gas network advantageous, and thereby to support further expansion of these energies and to promote developments in the field of energy conversion, with the aim of reduced CO2 emissions with economic benefits connect to.

Erfindunginvention

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Der abhängige Anspruch zeigt vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved by the features of the independent claim. The dependent claim shows advantageous embodiments of the invention.

Soll regenerative Energie (beispielsweise Wind) in steigendem Maß genutzt werden, müssen die Energiesysteme flexibel gefahren werden können. Einerseits soll regenerativer Strom jederzeit ins Netz eingespeist werden und andererseits im Bedarfsfall ausreichend Energie generiert werden. Dabei treten, wie im Stand der Technik geschildert, verschiedene technische und ökonomische Probleme auf. Die Problematik wird durch die Erfindung gelöst. If regenerative energy (such as wind) is to be used to an increasing extent, the energy systems must be able to be operated flexibly. On the one hand, renewable electricity is to be fed into the grid at any time and, on the other hand, sufficient energy can be generated if needed. In this case, as described in the prior art, various technical and economic problems. The problem is solved by the invention.

Die Grundidee ist bei einem Überangebot aus regenerativer Energie, ein Kohlekraftwerk oder einen elektrochemischen Apparat als Produzent einer Chemikalie mit chemischer Energie zu nutzen und diese zwischen zu speichern, sowie die gespeicherte Energie und den Rohstoff dann, bei einem „Schwächeln” der regenerativen Energie, für den Betrieb nachgeschalteter Anlagen zur Treibstofferzeugung, Methanisierung usw zu nutzen. Diese Anlagen können so kontinuierlich betrieben werden. Damit wird eine Grundvoraussetzung für eine ökonomische Fahrweise erfüllt. The basic idea is to use a coal power plant or an electrochemical apparatus as a producer of a chemical with chemical energy and to store this between, as well as the stored energy and the raw material, in a "weakening" of the regenerative energy, for a surplus of renewable energy to use the operation of downstream facilities for the production of fuel, methanation, etc. These systems can be operated continuously. This fulfills a basic requirement for an economical driving style.

Erfindungsgemäß wird bei einem großen Eintrag regenerativer Energiemengen in das Stromnetz (zum Beispiel Windenergie), nicht das gesamte Kraftwerk, sondern nur eine nachgeschaltete Gasturbine in Ihrer Leistung, zurückgefahren. According to the invention, not all of the power plant, but only a downstream gas turbine in your performance, is reduced in a large entry of renewable energy into the grid (for example, wind energy).

Dies kann im Gegensatz zum Herabfahren des gesamten Kohlekraftwerkes den Erfordernissen entsprechend schnell geschehen. This can be done quickly in contrast to the down driving of the entire coal-fired power plant according to the requirements.

Die Effektivität der Stromerzeugung des Kraftwerkes wird dabei natürlich verringert. Der durch das Herabfahren der Gasturbine freiwerdende Gasstrom wird jedoch als chemischer Energieträger genutzt. The effectiveness of power generation of the power plant is of course reduced. However, the liberated by the downgrade of the gas turbine gas stream is used as a chemical energy source.

Die Verbrennung der Kohle im Kraftwerk wird bei diesem Verfahren zu diesem Zweck mit reinem Sauerstoff aber verminderter Sauerstoffmenge betrieben. The combustion of coal in the power plant is operated in this process for this purpose with pure oxygen but reduced amount of oxygen.

Diese Fahrweise erlaubt eine sehr hohe Konzentration an CO Gas zu erzeugen und es wird dabei auch ein modernes Verfahren der Wirbelschicht Technologie ermöglicht. This mode of operation allows a very high concentration of CO gas to be generated and it also allows a modern method of fluidized bed technology.

Als Brennstoff wird trockene Kohle eingesetzt. The fuel used is dry coal.

Die Förderung der Kohle in den Reaktor erfolgt mit einem CO2 Gasstrom. The coal is fed into the reactor with a CO2 gas stream.

Das zugeführte CO2 dient gleichzeitig der thermischen Kontrolle der Verbrennung um zu hohe Temperaturen bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff zu verhindern. At the same time, the CO2 supplied serves to thermally control the combustion in order to prevent excessively high temperatures during combustion with pure oxygen.

Die erhöhte Temperatur im Feuerraum durch die Umsetzung der Kohle mit reinem Sauerstoff wird dabei mittels der endothermen Reaktion CO2 + C = 2CO gesteuert. The increased temperature in the combustion chamber through the conversion of the coal with pure oxygen is controlled by means of the endothermic reaction CO2 + C = 2CO.

Durch diese Fahrweise der Verbrennung wird eine hohe Konzentration des Verbrennungsgases an CO erreicht und so die Abtrennung und Speicherung des CO erleichtert. By this combustion mode, a high concentration of the combustion gas is achieved at CO and thus facilitates the separation and storage of the CO.

Von der bei der Verbrennung im Feuerraum freigesetzten Wärme wird Dampf erzeugt und in einer Dampfturbine Strom erzeugt. From the heat released during combustion in the combustion chamber, steam is generated and electricity is generated in a steam turbine.

Dass abgekühlte hochprozentige Kohlenmonoxid (CO), steht jedoch bei einem Energiemangel im Strom-Netz als chemischer Rohstoff oder Energieträger zur Verfügung. That cooled, high-percentage carbon monoxide (CO), however, is available as a chemical raw material or energy source in the event of a lack of energy in the electricity grid.

Das gereinigte CO Gas kann bei Ausfall oder Mangel an regenerativer Energie auch für die Elektroenergiegewinnung in einer nachgeschalteten Gasturbine verbrannt werden oder eben als chemischer Energieträger dienen. The purified CO gas can be burned in case of failure or lack of renewable energy for the electric energy production in a downstream gas turbine or just serve as a chemical energy source.

Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom des CO Gases der Methangewinnung oder z. B. dem Verfahren nach Fischer Tropsch Synthese zur Treibstoffgewinnung zugeführt. Der Wasserstoff kann dabei durch eine „Shift Reaktion” nach CO + H2O = H2 + CO2 erzeugt werden. According to a partial stream of the CO gas of methane extraction or z. B. fed to the process according to Fischer Tropsch synthesis for fuel production. The hydrogen can be generated by a "shift reaction" to CO + H2O = H2 + CO2.

Ein anderer Teil des Kohlenmonoxids (CO) wird verflüssigt und in einem Flüssiglager als chemische Energie gespeichert. Another part of carbon monoxide (CO) is liquefied and stored in a liquid storage facility as chemical energy.

Flüssiges CO hat zwar nicht den sehr hohen Energieinhalt wie etwa Benzin oder flüssig Methan, aber immerhin so viel wie flüssig Wasserstoff, aber es ist wesentlich leichter zu verflüssigen und zu speichern. Although liquid CO does not have the very high energy content, such as gasoline or liquid methane, it does have as much liquid hydrogen, but it is much easier to liquefy and store.

Energiedichte MJ/LEnergy density MJ / L

  • Flüssig Methan 24Liquid methane 24
  • Benzin 33Gasoline 33
  • flüssig Wasserstoff 10liquid hydrogen 10
  • flüssig Kohlenmonoxid 10,2liquid carbon monoxide 10.2

Vorteilhaft ist außerdem, dass es im Generator erzeugt werden kann, das heißt es steht vorn in der Verfahrenskette. It is also advantageous that it can be generated in the generator, that is, it is at the front of the process chain.

Die Verflüssigung des CO ist zudem im Vergleich zu Wasserstoff technisch wesentlich einfacher zu realisieren (etwa vergleichbar mit Sauerstoff). Siehe dazu auch die in 4; 5 gezeigten Phasendiagramme des Wasserstoffes und des Kohlenmonoxids. The liquefaction of CO is also technically much easier to implement compared to hydrogen (comparable to oxygen). See also the in 4 ; 5 shown phase diagrams of hydrogen and carbon monoxide.

Der sehr tiefe Siedepunkt des flüssigen Wasserstoffs mit Sp = –252,76°C bedingt außerdem sehr große Verdampfungsverluste des Wasserstoffs bei seiner Lagerung. Auch bei sehr guter und damit aufwendiger Isolierung der Speicher ist so die Speicherung von Flüssig Wasserstoff nicht ökonomisch. The very low boiling point of liquid hydrogen with Sp = -252.76 ° C also causes very large evaporation losses of hydrogen during its storage. Even with very good and therefore expensive isolation of the storage so the storage of liquid hydrogen is not economical.

Beispielhaft ist das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren in einem vereinfachten Fließbild dargestellt. 2 By way of example, the process according to the invention described above is shown in a simplified flow diagram. 2

Im Falle dass regenerative Energie nicht zur Verfügung steht, wird erfindungsgemäß das gesamte CO Gas aus dem Brennraum des Kraftwerkes, nachdem es durch Dampferzeugung abgekühlt und anschließend gereinigt wurde, der nachgeschalteten Gasturbine zugeführt und zu CO2 verbrannt. Im angekoppelten Generator wird so der im Stromnetz erforderliche Strom geliefert.In the event that regenerative energy is not available, according to the invention, the entire CO gas from the combustion chamber of the power plant, after it was cooled by steam generation and then cleaned, fed to the downstream gas turbine and burned to CO2. The coupled generator thus supplies the power required in the power grid.

Siehe dazu 1 See 1

Die Gasturbine wird jetzt mit Volllast betrieben. Der von einem Kraftwerk dieser Bauart erreichte elektrische Wirkungsgrad der Stromerzeugung erreicht dann seinen maximalen Wert. The gas turbine is now operated at full load. The achieved by a power plant of this type electrical efficiency of power generation then reaches its maximum value.

Das CO wird in der Gasturbine ebenfalls mit reinem Sauerstoff verbrannt. The CO is also burned in the gas turbine with pure oxygen.

Durch diese Art der Verbrennung wird eine hohe Konzentration des Verbrennungsgases an CO2 erreicht und die Abtrennung und Speicherung des CO2 erleichtert. This type of combustion achieves a high concentration of the combustion gas in CO2 and facilitates the separation and storage of the CO2.

Eine CO2 Zuspeisung zum Verbrennungsgas vermeidet zu hohe Temperatur und damit eine Schädigung der Turbinenschaufeln. A CO2 feed to the combustion gas avoids excessive temperature and thus damage to the turbine blades.

Der für die nachgeschalteten Anlagen der Methanisierung oder der Benzinsynthese benötigte Rohstoff wird in diesem Fall dem CO Speicher entnommen. The raw material required for the downstream methanation or gasoline synthesis plants is taken from the CO storage tank in this case.

Die Nutzung des Flüssig CO Speicher erlaubt erfindungsgemäß so den kontinuierlichen Betrieb der nachgeschalteten chemischen Anlagen. The use of the liquid CO storage allows according to the invention so the continuous operation of the downstream chemical plants.

Die für die Verdampfung des gespeicherten flüssigen CO benötigte Wärme-Energie steht aus der Abwärme beispielsweise der Dampfturbine zur Verfügung, da für die Verdampfung nur ein niedriges Temperaturniveau benötigt wird. Natürlich kann auch die Wärme aus anderen exothermen Prozessen nach guter Ingenieurpraxis genutzt werden. The heat energy required for the evaporation of the stored liquid CO is available from the waste heat, for example from the steam turbine, since only a low temperature level is needed for the evaporation. Of course, the heat from other exothermic processes can also be used according to good engineering practice.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der von regenerativen Quellen gelieferte Strom so ohne Probleme in das Stromnetz eingespeist und dadurch ökonomisch nutzbar gemacht werden. As a result of the method according to the invention, the power supplied by regenerative sources can thus be fed into the power grid without problems and thus made economically usable.

Das Verfahren der Energieeinspeisung und Energiewandlung regenerativer Energiequellen in das Netz oder die Umwandlung in chemische Energie wird durch die Zwischenspeicherung von CO als Energieträger und chemischen Grundstoffes ökonomisch nutzbar gemacht. The process of energy supply and energy conversion of renewable energy sources into the grid or the conversion into chemical energy is made economically usable by the intermediate storage of CO as energy carrier and chemical raw material.

Erfindungsgemäß wird durch dieses Verfahren die Einspeisung des Stromes aus regenerativen Quellen in das Netz sowie die Bereitstellung des benötigten Stromes und die Erzeugung von chemischer Energie in Form von Methan oder Kohlenwasserstoffen oder die Herstellung von NH3 und anderer Chemikalien gesichert und die regenerative Energie auch unter ökonomischen Gesichtspunkten vorteilhaft. According to the invention, by this method, the supply of electricity from renewable sources in the network and the provision of the required electricity and the production of chemical energy in the form of methane or hydrocarbons or the production of NH3 and other chemicals secured and the regenerative energy also from an economic point of view advantageous.

Auch mit dem sogenannten IGCC Verfahren kann erfindungsgemäß durch Vergasen von Kohle mit Sauerstoff ein Gas mit sehr hohem CO Gehalt erzeugt werden. Dazu wird erfindungsgemäß die Kohle durch verminderte Sauerstoffzufuhr nur partiell verbrannt. Das erzeugte Gas kann so ebenfalls aufgrund des hohen CO Anteiles teilweise verflüssigt und gespeichert werden. Die bei einer solchen Fahrweise fehlende endotherme Reaktion H2O + CO = H2 + CO2 wird dabei durch die ebenfalls endotherme Reaktion CO2 + C = 2CO ersetzt um die Temperatur im Reaktor nicht zu hoch ansteigen zu lassen. Even with the so-called IGCC method can be produced according to the invention by gasification of coal with oxygen, a gas with a very high CO content. For this purpose, the coal is only partially burned by reduced oxygen supply according to the invention. The generated gas can also be partially liquefied and stored because of the high CO content. The missing in such a driving manner endothermic reaction H2O + CO = H2 + CO2 is thereby by the also endothermic reaction CO2 + C = 2CO replaced by the temperature in the reactor does not rise too high.

In einem weiteren Entwicklungsschritt des Verfahrens wird erfindungsgemäß die Gasturbine des Kohlekraftwerkes durch eine Hochtemperatur Brennstoffzelle (SOFC [solid oxide fuel cell]) ersetzt. In a further development step of the method, according to the invention, the gas turbine of the coal-fired power station is replaced by a high-temperature fuel cell (SOFC).

Siehe 3 und 6 und 7 Please refer 3 and 6 and 7

Der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Kraftwerkes wird dadurch weiter erhöht, weil die Energieumsetzung in der SOFC im Gegensatz zur Verbrennung in einer Gasturbine nicht dem Carnot Prozess unterliegt. The overall efficiency of such a power plant is further increased because the energy conversion in the SOFC is not subject to the Carnot process as opposed to combustion in a gas turbine.

Der elektrochemische Apparat sollte erfindungsgemäß auch als Hochtemperatur Elektro-Pyrolysezelle geschaltet im sog. (reverse betrieb) gefahren werden können. The electrochemical apparatus according to the invention should also be switched as high-temperature electro-pyrolysis cell in so-called. (Reverse operation) can be driven.

Da mit dem Ausbau der regenerativen Energien mit stärkeren Schwankungen des Energieangebotes zu rechnen ist, wird bei einem Überangebot elektrischer Energie in diesem elektrochemischen Aggregat dann CO2 zu CO reduziert. (siehe dazu auch 7) Since the expansion of regenerative energies is expected to result in greater fluctuations in the supply of energy, CO2 is reduced to CO in the event of an excess supply of electrical energy in this electrochemical aggregate. (see also 7 )

Das gebildete CO wird, wie weiter oben beschrieben zum Teil verflüssigt und gespeichert. The CO formed is partially liquefied and stored as described above.

Ein anderer Teilstrom wird Verfahren zur Herstellung von synthetischen Treibstoffen, Methanisierung oder der Ammoniaksynthese verwendet. Another sub-stream is used for the production of synthetic fuels, methanation or ammonia synthesis.

Der bei der Elektropyrolyse gekoppelt anfallende Sauerstoff wird dem Feuerraum des Kraftwerkes zugeführt, wodurch die Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff kleiner ausgeführt werden kann. The coupled in the electropyrolysis incurred oxygen is fed to the furnace of the power plant, whereby the plant for the production of oxygen can be made smaller.

Für den Fall muss dann ein O2 Speicher vorgesehen werden. In this case, then an O2 memory must be provided.

Beschreibung Fig. 1Description Fig. 1

Beispielhaft beschreibt 1 skizzenhaft den Fall, dass keine oder nicht genügend regenerative Energie zur Verfügung steht, die in das Stromnetz zur Deckung der Erfordernisse eingespeist werden kann. Regenerative Energie ist nicht verfügbar. Dieser Fall ist mit RG = 0 dargestellt. Exemplary describes 1 sketchily the case that no or not enough regenerative energy is available, which can be fed into the power grid to meet the requirements. Regenerative energy is not available. This case is represented by RG = 0.

Um dennoch die benötigte Menge elektrischer Energie ins Netz einzuspeisen, wird deshalb ein hier beschriebenes Kohlekraftwerk auf maximale Leistung hochgefahren. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die benötigte elektrische Energie könnte auch durch einen anderen Kraftwerkstyp beispielweise mit der GUD Technologie oder dem IGCC Verfahren erzeugt werden. Nevertheless, to feed the required amount of electrical energy into the grid, therefore, a coal power plant described here is raised to maximum power. This is just one example. The required electrical energy could also be generated by another type of power plant, for example using the GUD technology or the IGCC process.

Im hier skizzenhaft dargestellten Beispiel wird im Heizkessel Kohle (C) durch partielle Oxidation bevorzugt mit Sauerstoff zu Kohlenmonoxid (CO) verbrannt. In the example sketched here, in the boiler coal (C) is burned by partial oxidation, preferably with oxygen to carbon monoxide (CO).

Die entstehende Wärme wird im Wärmetauscher durch zugeführtes Wasser verdampft und der überhitzte Dampf in einer Dampfturbine in mechanische Energie überführt. Die Dampfturbine (DT) ist mit einem Generator gekoppelt welcher Strom erzeugt, der ans Netz abgegeben wird. The resulting heat is evaporated in the heat exchanger by supplied water and transferred the superheated steam in a steam turbine into mechanical energy. The steam turbine (DT) is coupled to a generator that generates power that is delivered to the grid.

Erzeugtes Kohlenmonoxid (CO) wird nach einer Gasreinigungsstufe (GR) in einer Gasturbine (GT) verbrannt. Die Gasturbine erzeugt über einen gekoppelten Generator ebenfalls Strom der ans Netz abgegeben wird. Generated carbon monoxide (CO) is burned after a gas purification stage (GR) in a gas turbine (GT). The gas turbine also generates power via a coupled generator which is delivered to the grid.

Um einer zu hohen Temperatur entgegenzuwirken und damit die Turbinenschaufeln zu schützen, wird dem Verbrennungsgas (CO) Kohlendioxid (CO2) zugefügt. To counteract too high a temperature and thus protect the turbine blades, carbon dioxide (CO2) is added to the combustion gas (CO).

Der Gesamtwirkungsgrad dieser Art der kombinierten Energieerzeugung erreicht so den maximalen Wirkungsgrad der Elektroenergieerzeugung.
RG = 0 Eintrag regenerativer Energie nicht vorhanden
DT = Dampfturbine
GR = Gasreinigung
GT = Gasturbine
The overall efficiency of this type of combined power generation thus achieves the maximum efficiency of electric power generation.
RG = 0 entry of regenerative energy not available
DT = steam turbine
GR = gas cleaning
GT = gas turbine

Beschreibung Fig. 2Description Fig. 2

Bei einem Überangebot an regenerativer Energie, hier mit (RG = +) dargestellt, muss die Leistung des Kohlekraftwerkes zurückgefahren werden um die Einspeisung des Stromes aus den regenerativen Quellen nutzen zu können. In the event of a surplus of regenerative energy, shown here with (RG = +), the power of the coal-fired power plant has to be reduced in order to be able to use the supply of electricity from the regenerative sources.

Erfindungsgemäß wird dabei nur die nachgeschaltete Gasturbine (GT) zur Stromerzeugung zurückgefahren. Im Gegensatz zum Zurückfahren des gesamten Kraftwerkes kann dieser Vorgang genügend schnell erfolgen. According to the invention, only the downstream gas turbine (GT) is driven back to generate electricity. In contrast to the return of the entire power plant, this process can be done quickly enough.

Das durch das Zurückfahren der Gasturbine freiwerdende CO Gas wird zum Teil direkt in Anlagen zur Umwandlung in Methan, Kohlenwasserstoffe oder z. B. auch NH3 geführt und dort in chemische Energie umgewandelt. Zum anderen Teil wird das Gas verflüssigt und gespeichert und dient als chemischer Energie Speicher. The released by the return of the gas turbine CO gas is partly directly in plants for conversion into methane, hydrocarbons or z. B. also guided NH3 and converted there into chemical energy. On the other hand, the gas is liquefied and stored and serves as a chemical energy storage.

Die Verflüssigung des Kohlenstoffmonoxids ist im Gegensatz zur Verflüssigung von Wasserstoff technisch weniger aufwendig. Siehe dazu auch die 4 und 5.The liquefaction of the carbon monoxide is less technically complicated than the liquefaction of hydrogen. See also the 4 and 5 ,

Bei einem Mangel an regenerativer Energie muss die Gasturbine unter Verbrauch an Kohlenmonoxid Gas wieder mehr elektrische Leistung erbringen um den Bedarf an Elektroenergie zu decken. When there is a lack of renewable energy, the gas turbine, using carbon monoxide gas, has to generate more electrical power to meet the demand for electric energy.

Jetzt müssten die nachgeschalteten Chemieanlagen zurückgefahren oder gar abgeschaltet werden. Now the downstream chemical plants would have to be reduced or even switched off.

Das würde einerseits auf große technische Schwierigkeiten stoßen, andererseits könnten die Anlagen nicht ökonomisch betrieben werden. On the one hand, this would cause great technical difficulties, on the other hand, the plants could not be operated economically.

Erfindungsgemäß wird der kontinuierliche Betrieb durch die Bereitstellung des Basisgrundstoffes und Energieträgers CO [Verdampfung] kurz bis mittelfristig aus dem CO Flüssigspeicher bereitgestellt, jedoch gesichert.
GT = Gasturbine
According to the invention, the continuous operation is provided by the provision of the basic base material and energy carrier CO [evaporation] in the short to medium term from the CO liquid storage, but secured.
GT = gas turbine

Beschreibung Fig. 3Description FIG. 3

Wenn es durch die Erzeuger erneuerbarer Energie (hier vereinfachend als Windenergie RE = max dargestellt) zu einem „Überschuss” an elektrischer Energie kommt, müsste die Gasturbine eines Kohlekraftwerkes (siehe auch Beschreibung zu 2) entsprechend zurückgefahren werden. If it comes through the producers of renewable energy (here simplified as wind energy RE = max shown) to a "surplus" of electrical energy, the gas turbine of a coal power plant would have (see also description to 2 ) be reduced accordingly.

Erfindungsgemäß soll die Gasturbine zukünftig durch eine SOFC ersetzt werden die im sog. (reverse Betrieb) auch als SOEP [solid oxide elektro pyrolysis cell] genutzt werden kann. According to the invention, the gas turbine is to be replaced in the future by a SOFC which can be used in so-called. (Reverse operation) as SOEP [solid oxide electro pyrolysis cell].

Mithilfe dieser elektrochemischen Zelle wird CO2 in CO umgewandelt. Dabei wird im Netz nicht benötigter Strom für den Betrieb der Zelle verwendet und bewirkt dadurch eine Senkung der CO2 Emission. This electrochemical cell converts CO2 into CO. In this case, unneeded power is used in the network for the operation of the cell and thereby causes a reduction of the CO2 emission.

Der bei der Reaktion gekoppelt in der Zelle gleichzeitig erzeugte Sauerstoff wird in einem Kraftwerk anstelle des Luftsauerstoffs verwendet. Für den Fall eines Energiedefizits im Stromnetz wegen verringertem Eintrag an regenerativer Energie muss der Sauerstoff gespeichert werden. The oxygen produced concurrently in the cell during the reaction is used in a power plant instead of the atmospheric oxygen. In the event of an energy deficit in the power grid due to reduced input of renewable energy, the oxygen must be stored.

Diese Fahrweise erleichtert die Abtrennung von CO sowie von CO2 aus den Kraftwerksabgasen ohne die Verwendung einer Anlage zur Luftzerlegung. This procedure facilitates the separation of CO and CO2 from the power plant exhaust without the use of an air separation plant.

Der Typ eines elektrochemischen Apparates dieser Art ist derzeit jedoch für einen großtechnischen Einsatz noch nicht ausgereift. However, the type of electrochemical apparatus of this type is currently not mature for large-scale use.

Basierend auf den Erkenntnissen bei der Entwicklung der Hochtemperatur Wasserelektrolyse ist jedoch mittelfristig damit zu rechnen.
REmax = Regenerative Energie im Überschuss vorhanden
SOFC = Solid Oxide Fuel Cell
SOEP = Solid Oxide Elektropyrolysis Cell
Based on the findings in the development of high-temperature water electrolysis, however, is expected in the medium term.
REmax = Regenerative energy in excess
SOFC = Solid Oxide Fuel Cell
SOEP = Solid Oxide Electropyrolysis Cell

Beschreibung Abb. 6Description Fig. 6

Die 6 beschreibt skizzenhaft die Arbeit einer Hoch Temperatur Brennstoffzelle in der CO zu CO2 unter Generation von elektrischen Strom verbrannt wird. The 6 Sketchy describes the work of a high-temperature fuel cell in which CO is burned to CO2 under generation of electric current.

In der elektrolytischen Zelle sind Kathoden und Anodenraum durch eine Membran aus oxydischem Material getrennt. Die Membran ist bei Temperaturen von 600–800°C leitfähig für Sauerstoff-Ionen. Die beiden Oberflächen der Membran sind mit katalytisch wirkenden Metalloxyden belegt und elektronisch leitfähig. Die katalytischen Metalloxyde bewirken die Umsetzung des Sauerstoffs zu Sauerstoff-Ionen, sowie auf der anderen Seite die Oxydation des CO zu CO2. In the electrolytic cell, cathodes and anode space are separated by a membrane of oxidic material. The membrane is conductive at temperatures of 600-800 ° C for oxygen ions. The two surfaces of the membrane are coated with catalytically active metal oxides and electronically conductive. The catalytic metal oxides cause the conversion of oxygen into oxygen ions and, on the other hand, the oxidation of CO to CO2.

Die Aufheizung und Abkühlung der Gasströme erfolgt regenerativ (nicht dargestellt).
SO = Solid Oxide Membran
K = Kathode
A = Anode
The heating and cooling of the gas streams is regenerative (not shown).
SO = solid oxide membrane
K = cathode
A = anode

Beschreibung Abb. 7Description Fig. 7

In der 7 wird skizzenhaft die elektrolytische Reduktion von CO2 zu CO dargestellt. In the 7 sketched the electrolytic reduction of CO2 to CO.

In der elektrolytischen Zelle sind Kathoden und Anodenraum ebenfalls durch eine Membran aus oxydischem Material getrennt. Die Membran ist bei Temperaturen von 600–800°C leitfähig für Sauerstoff-Ionen. Die beiden Oberflächen der Membran sind mit katalytisch wirkenden Metalloxyden belegt und elektronisch leitfähig. In the electrolytic cell, cathodes and anode space are also separated by a membrane of oxidic material. The membrane is conductive at temperatures of 600-800 ° C for oxygen ions. The two surfaces of the membrane are coated with catalytically active metal oxides and electronically conductive.

Die sehr geringe Konzentration an Sauerstoff-Ionen auf der Kathodenseite wird durch die von außen angelegte Gleichspannung von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Membran gepumpt. The very low concentration of oxygen ions on the cathode side is pumped by the externally applied DC voltage from the cathode side to the anode side of the membrane.

Der elektronische Pumpprozess erfolgt dabei gegen den Partialdruck des Sauerstoffs im Anodenraum der Zelle. The electronic pumping process is carried out against the partial pressure of oxygen in the anode compartment of the cell.

Die notwendige Pumpspannung kann deshalb durch einen verminderten Druck auf der Anodenseite gesenkt werden. Das ist jedoch technisch schwierig. Erfindungsgemäß ist es besser den Sauerstoff-Partialdruck und damit die Pumpspannung zu senken, indem man den Partialdruck des Sauerstoffs durch Zuspeisung eines anderen Gases vorzugsweise durch CO2 in den Anodenraum senkt. The necessary pumping voltage can therefore be reduced by a reduced pressure on the anode side. This is technically difficult. According to the invention, it is better to lower the oxygen partial pressure and thus the pumping voltage by lowering the partial pressure of the oxygen by feeding another gas, preferably by CO 2, into the anode compartment.

Die CO2 Zugabe ist in der 7 in Klammern gezeigt. The CO2 addition is in the 7 shown in parentheses.

Claims (2)

Verfahren zur Integration regenerativ erzeugten Stroms in ein Stromnetz, umfassend Verbrennen von gemahlener getrockneter Kohle in einem Reaktor zu Kohlenmonoxid zum Erzeugen von Strom in einer Gasturbine, zur Speicherung in einem Flüssigspeicher oder zur Herstellung von Chemikalien in nachgeschalteten Chemieanlagen, • wobei dem Reaktor zum Generieren hochprozentigen Kohlenmonoxids reiner Sauerstoff in verminderter Menge zur partiellen Oxidation, für die Reaktion C + 1/2O2 = CO, zugeführt wird, und • wobei dem Reaktor die gemahlene getrocknete Kohle in einem Kohlendioxid-Strom zugeführt wird, um mit der endothermen Reaktion CO2 + C = 2CO die Temperatur im Reaktor zu reduzieren, Erzeugen von elektrischem Strom durch Verbrennen des hochprozentigen Kohlenmonoxids in einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator und Einspeisen des Stroms in das Stromnetz, • wobei die Stromerzeugung mittels der Gasturbine wie auch die nachgeschalteten Chemieanlagen, bei Variationen des Stromangebotes oder der Stromnachfrage mit einem optimalen Wirkungsgrad weiter betrieben werden können, wobei bei einem Überangebot an regenerativ erzeugtem Strom im Stromnetz zur reduzierten Erzeugung von Strom nur die Gasturbine, nicht der Reaktor, zurückgefahren wird und dabei ein Teilstrom des im Reaktor erzeugten Kohlenmonoxids verflüssigt und im Flüssigspeicher als chemische Energie gespeichert wird und kurz und mittelfristig bei Elektro-Energiemangel im Stromnetz wieder mittels der Gasturbine in elektrische Energie umgewandelt wird.Method for integrating regeneratively generated electricity into a power grid, comprising Burning grounded dried coal in a reactor to carbon monoxide to generate electricity in a gas turbine, for storage in a liquid storage facility or for producing chemicals in downstream chemical plants, Wherein the reactor for generating high-percentage carbon monoxide pure oxygen in a reduced amount for partial oxidation, for the reaction C + 1 / 2O2 = CO, is supplied, and Wherein the ground pulverized coal is fed to the reactor in a carbon dioxide stream to reduce the temperature in the reactor with the endothermic reaction CO2 + C = 2CO, Generating electricity by burning the high-percentage carbon monoxide in a gas turbine with a coupled generator and feeding the electricity into the power grid, • whereby the power generation by means of the gas turbine as well as the downstream chemical plants, with variations of electricity supply or electricity demand can continue to operate with optimum efficiency, with an oversupply of regeneratively generated electricity in the grid for reduced generation of electricity, only the gas turbine, not the Reactor, is driven back and thereby a partial flow of the carbon monoxide produced in the reactor liquefied and stored in the liquid storage as chemical energy and short and medium term in electrical energy shortage in the power grid is converted by the gas turbine into electrical energy. Verfahren nach Anspruch 1, wobei entsprechend dem Eintrag aus regenerativ erzeugtem Strom in das Stromnetz ein anderer Teilstrom des Kohlenmonoxids als chemischer Energieträger und Rohstoff für nachgeschaltete Chemieanlagen der Methanerzeugung, der Benzinsynthese (Fischer Tropsch Verfahren) oder auch der NH3 Synthese zur Verfügung steht und diesen Anlagen zugeführt wird.The method of claim 1, wherein according to the entry of renewable electricity in the power grid, another partial stream of carbon monoxide as a chemical energy source and raw material for downstream chemical plants of methane production, gasoline synthesis (Fischer Tropsch method) or the NH3 synthesis is available and these plants is supplied.
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