DE102015207478A1

DE102015207478A1 - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender erneuerbarer Energiequellen

Info

Publication number: DE102015207478A1
Application number: DE102015207478.1A
Authority: DE
Inventors: Triin Tamra; Ina Hahndorf
Original assignee: Younicos GmbH
Current assignee: Hahndorf Ina De; Tamra Triin De
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-10-27
Also published as: EP3286282A1; WO2016169744A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender erneuerbarer Energiequellen wird die bei der Energieerzeugung anfallende Überschussenergie zur Langzeitspeicherung, insbesondere zur Saisonalspeicherung, durch Umwandlung von Wasser und/oder Kohlenstoffquellen in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien zur Erzeugung von Backup-Energie zur bedarfsweisen Einspeisung in ein elektrisches Energieversorgungsnetz genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender erneuerbarer Energiequellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Einspeisung elektrischer Energie aus den fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen in ein elektrisches Energieversorgungsnetz unterliegt in erheblichem Maße tageszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen, die zur Bereitstellung des elektrischen Energiebedarfs der an das elektrische Energieversorgungsnetz angeschlossenen Verbraucher durch elektrische und mechanische Speichereinrichtungen sowie konventionelle Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie ausgeglichen werden müssen. Aus Gründen des Umweltschutzes und einer CO₂-neutralen Erzeugung elektrischer Energie scheiden konventionelle Energieerzeuger wie Kernkraftwerke und Kraftwerke, die zur Erzeugung elektrischer Energie fossile Energieträger verarbeiten, für den Ausgleich schwankender Energieabgabe durch Photovoltaik- und Windenergieanlagen aus. CO₂-neutrale mechanische Speichereinrichtungen wie Pump- oder Druckluftspeicherwerke oder Schwungradspeicher erfordern eine bestimmte Infrastruktur, die nicht überall vorhanden ist oder mit erheblichen Kosten eingerichtet werden muss. Elektrische oder elektrochemische Speichereinrichtungen wie Kondensatoren oder Batteriespeicher sind optimal als Kurzzeitspeicher zum Ausgleich tageszeitlich und lastbedingter Schwankungen sowie zur Frequenz- und Spannungsstabilisierung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes geeignet, erfordern aber zur Langzeitspeicherung elektrischer Energie über Tage oder Wochen einen erheblichen gerätetechnischen und damit finanziellen Aufwand.
Wie der grafischen Darstellung der Kosten je Kilowattstunde (€/kW) in Abhängigkeit vom Anteil erneuerbarer Energien RE ohne Saisonalspeicherung in 1 zu entnehmen ist, sinken die Kosten für den Einsatz fluktuierender, erneuerbarer elektrischer Energiequellen ggf. unter Einbeziehung vorhandener konstanter erneuerbarer Energiequellen wie Wasserkraft- und Geothermie-Kraftwerke in Kombination mit einem Kurzzeit-Energiespeicher wie beispielsweise einem Batteriekraftwerk als elektrochemischem Speicher mit einer Kapazität von 1 bis 12 Stunden kontinuierlich bis zu einem Anteil von ca. 65% erneuerbarer Energien an der Energieerzeugung, steigen dann aber bis zu einem Anteil von 100% fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen RE wegen der hohen Kosten entsprechend groß dimensionierter elektrischer und mechanischer Energiespeicher exponentiell an.
Ein weiteres Problem beim Einsatz fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen besteht darin, dass bei starker Sonneneinstrahlung und/oder optimalen Windverhältnissen ein Überschuss an elektrischer Energie durch die fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird, der ohne entsprechende Speichereinrichtungen durch Abregelung der Photovoltaik- und Windenergieanlagen verworfen wird. Bei einem hohen Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen an der Erzeugung elektrischer Energie ist die Überschussenergie daher auch immer ein Bestandteil der Energieversorgung, so dass es bei einer Optimierung auf wettbewerbsfähige Energiegestehungskosten mit einem Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen von mehr als 60% an der Erzeugung elektrischer Energie üblicherweise zu einem Anteil von mehr als 30% Überschussenergie kommt, die weder verbraucht noch in einem Kurzzeit-Energiespeicher mit einer Kapazität von 1 bis 12 Stunden gespeichert werden kann.
Aus der DE 199 56 560 C2 ist ein Verfahren zur Erzeugung von erneuerbaren Brenn- und Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen oder anderen Biomassen, Wasser und regenerativer Energie bekannt, bei dem das für die Synthese erforderliche Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gemisch durch Mischung von über Elektrolyse von Wasser gewonnenem Wasserstoff mit Kohlenmonoxid hergestellt wird. Das Kohlenmonoxid wird durch Vergasung von Koks mit Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse hergestellt, wobei der Koks durch Erhitzen oder partielle Oxidation von Biomasse gewonnen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen anzugeben, das einen Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen an der Erzeugung elektrischer Energie von mehr als 60 % bei wettbewerbsfähigen Energiegestehungskosten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen gelöst, das bei der Energieerzeugung anfallende Überschussenergie zur Langzeitspeicherung, insbesondere zur Saisonalspeicherung, durch Umwandlung von Wasser und/oder Kohlenstoffquellen in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien zur Erzeugung von Backup-Energie zur bedarfsweisen Einspeisung in ein elektrisches Energieversorgungsnetz nutzbar macht.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Erzeugung elektrischer Energie für ein elektrisches Energieversorgungsnetz mit einem Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen von mehr als 60 % bei wettbewerbsfähigen Energiegestehungskosten, indem zur Langzeit- oder Saisonalspeicherung die bei der Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen anfallende Überschussenergie in einen speicherbaren Energieträger in Form chemischer Medien umgewandelt, gespeichert und der gespeicherte Energieträger Tage, Wochen oder Monate später zur Erzeugung von Backup-Energie für das elektrische Energieversorgungsnetz verbraucht wird, so dass eine Energieversorgung mit einem Anteil von bis zur 100 % fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen für das elektrische Energieversorgungsnetz möglich ist.
Die bei der Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen infolge tageszeitlich und witterungsbedingter Schwankungen stets anfallende Überschussenergie wird nicht direkt in elektrischer oder elektrochemischer Form gespeichert, sondern in ein Energieversorgungskonzept mit 100 % fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen integriert, indem sie zum Betrieb von Stoffwandlungsprozessen wie beispielsweise Elektrolyse- oder Pyrolyseverfahren oder zur Unterstützung von Stoffwandlungsprozessen durch eine optimale Vorbereitung der umzuwandelnden Stoffe auf den anschließenden Stoffwandlungsprozess eingesetzt wird.
Die Verwendung von Überschussenergie in speicherbarer Form bei der elektrischen Energieerzeugung mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen erfolgt durch die Überführung in speicherbare Energieträger in Form von chemischen Medien mit zusätzlich bereitgestellten Kohlenstoffquellen wie Biomasse und/oder bereitgestelltem Wasser bei Nutzung vorhandener Infrastruktur zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffquellen und zur Generierung der zum Ausgleich von über einen längeren Zeitraum verringerter Energieabgabe der fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen benötigten elektrischen Backup-Energie zur Erreichung einer 100-prozentigen elektrischen Energieversorgung mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen.
Bei den speicherbaren Energieträgern chemischer Natur wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 zwischen kohlenstoffhaltigen und nicht-kohlenstoffhaltigen Energieträgern sowie eine Veredelung kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger mittels Wasserstoff unterschieden, je nachdem, ob im Energieversorgungsgebiet eine Kohlenstoffquelle, beispielswese Biomasse, zur energetischen Nutzung zur Verfügung steht oder nicht.
Die alleinige Nutzung von Überschussenergie zur Umwandlung von Kohlenstoffquellen in Backup-Energie sowie die Nutzung von Überschussenergie zur Kombination von Wasserelektrolyse und Umwandlung von Kohlenstoffquellen ermöglicht es, einen CO₂-neutralen Energieträger zu erzeugen, der in speicherbarer Form gelagert und zur Erzeugung elektrischer Energie dann eingesetzt werden kann, wenn über einen längeren Zeitraum keine Überschussenergie zur Verfügung steht. Dabei ist die Effizienz beim Einsatz der beiden energetischen Grundlagen Überschussenergie und Kohlenstoffquelle von besonderer Bedeutung, da die Überschussenergie ihrer Bedeutung entsprechend im Überschuss zur Verfügung steht und daher mit geringen Wirkungsgraden weiter verwendet werden kann, während Kohlenstoffquellen von konzentriert vorhandenem oder direkt verwendbarem Kohlenstoff üblicherweise sehr limitiert verfügbar sind und deswegen höchst effizient genutzt werden müssen.
Vorzugsweise wird zur Wasserelektrolyse ein alkalischer Elektrolyseur, ein saurer oder PEM-Elektrolyseur oder ein Hochtemperatur-Elektrolyseur eingesetzt.
Der mittels Wasserelektrolyse unter Nutzung der Überschussenergie erzeugte Wasserstoff wird ebenfalls unter Nutzung von Überschussenergie qualitativ verbessert, indem er komprimiert, getrocknet und gereinigt wird.
Die Qualitätsverbesserung des mittels Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffes kann insbesondere dadurch optimiert werden, dass der Wasserstoff in einem Puffertank zwischengelagert, danach mit niedrigem Druck komprimiert, getrocknet und gereinigt, erneut in einem Puffertank zwischengelagert und anschließend mit hohem Druck komprimiert, getrocknet, gereinigt und gespeichert wird.
Zur Erhöhung der Nutzungseffizienz der Kohlenstoffquelle wird nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kohlenstoffquelle zur weiteren Verarbeitung unter Nutzung der Überschussenergie vor der Umwandlung durch Zerkleinern, Trocknen und Komprimieren oder mittels Filtrationstechniken beruhend auf Absorption und Desorption aufbereitet und zur Umwandlung zwischengelagert.
Als weitere Möglichkeit der Gewinnung eines CO₂-neutralen Energieträgers kommt die CO₂-Gewinnung aus der Luft mittels Elektrodialyse in Frage.
Die aufbereitete Kohlenstoffquelle wird unter Nutzung von Überschussenergie in einen flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger mittels physikalischer, thermischer oder chemischer Verfahren der Kohlenstoff- und/oder CO₂-Wandlung, insbesondere mittels Flash-, Ablations- und Wirbelstrom-Pyrolyse, Biomassevergasung, Biomasseverflüssigung, Sabatier-Verfahren, Fischer-Tropsch-Synthese und dergleichen in einen flüssigen oder gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff umgewandelt.
Zur weiteren Steigerung der Nutzungseffizienz der Kohlenstoffquelle wird der flüssige oder gasförmige, kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff mittels physikalischer Verfahren unter Nutzung der Überschussenergie weiterbehandelt, insbesondere komprimiert, gelagert, erwärmt, gekühlt, filtriert und getrocknet.
In bevorzugter Ausführung wird der flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger mittels Kohlenwasserstoffsynthese unter Einsatz des behandelten Wasserstoffs und Nutzung der Überschussenergie zu einem höherwertigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger derart veredelt, dass er gut speicherbar und in einer vorhandenen Energieerzeugungs-Infrastruktur verwendbar ist.
Dabei erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Veredelung des kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers durch

– Bilanzverbesserung und damit Erhöhung des Kohlenwasserstoffanteils eines Biogasprozesses durch Zuführung von Wasserstoff,
– Bilanzverbesserung und damit Absenkung des Kohlendioxidanteils von Biomassevergasung zu Synthesegas sowie eine Bilanzverbesserung des unter Anwendung des Sabatier-Verfahrens oder der Fischer-Tropsch-Synthese gewonnenen Kraftstoffs durch Zuführung von Wasserstoff,
– Veredlung eines pyrolytisch gewonnenen Bioöls mittels eines Hydrierungsverfahrens oder einer Hydrogenierung.

Der behandelte und ggf. veredelte Wasserstoff wird unter Nutzung von Überschussenergie komprimiert und gekühlt gelagert und nach Dekompression und Erwärmung mittels Überschussenergie einem Gasmotor oder Brennstoffzellen zur Erzeugung von Backup-Energie zugeführt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, das mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen, einer Einheit zur Erzeugung von Backup-Energie, einem elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher, einem Langzeit- oder Saisonalspeicher und einer elektrischen Last verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energieversorgungsnetz von den elektrischen Wirk- und Blindlasten nicht verbrauchte Überschussenergie aus den fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen zur Kurzzeitspeicherung an den elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher und/oder zur Langzeitspeicherung an die Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung zur Umwandlung von Wasser und/oder Kohlenstoffquellen in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien abgibt und dass bedarfsweise von dem elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher kurzzeitig und von der Einrichtung zur Erzeugung von Backup-Energie aus den speicherbaren Energieträgern in Form chemischer Medien erzeugte Backup-Energie langzeitig bzw. saisonal in das elektrische Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
Anhand mehrerer in den Figuren der Zeichnung dargestellter Diagramme sollen der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke sowie die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile eines Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Energiegestehungskosten über dem Anteil fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen an der Erzeugung elektrischer Energie für ein Energieversorgungsnetz;
2 eine schematische Blockbilddarstellung der an ein elektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossenen Energieerzeugungs- und Energieverbrauchersysteme;
3 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von aufsummierter Überschussenergie eines elektrischen Energieversorgungsnetzes mit fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen und dem Energieversorgungsnetz zugeführter aufsummierter Backup-Energie.
4 ein schematisches Flussdiagramm der verschiedenen Verfahren zur Aufbereitung und Umwandlung von Wasser und/oder Kohlenstoffquellen in speicherbare Energieträger sowie deren Nachbehandlung zur Erzeugung von Backup-Energie unter Einsatz von Überschussenergie;
5 ein detailliertes schematisches Flussdiagramm der Wasserelektrolyse von Wasser und Nachbehandlung des erzeugten Wasserstoffs sowie dessen Verwendung in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Backup-Energie;
6 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des mittels Wasserelektrolyse hergestellten Wasserstoffs, des für die Erzeugung von Backup-Energie verbrauchten Wasserstoffs sowie des gespeicherten Wasserstoffs eines Energieversorgungsnetzes;
7 eine schematische Darstellung der Aufbereitung und Umwandlung einer Kohlenstoffquelle sowie des erzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs zur Erzeugung von Backup-Energie in einem Flussdiagramm;
8 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von mit Unterbrechungen hergestelltem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff, des Verbrauchs des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs zur Erzeugung von Backup-Energie sowie des mit Unterbrechungen gespeicherten kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs eines Energieversorgungsnetzes;
2 zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Energieversorgungsnetzes 1 mit den an das Energieversorgungsnetz 1 angeschlossenen Energieerzeugern und Energieverbrauchern. Zu den Energieerzeugern gehören eine Photovoltaikanlage 2, eine Windenergieanlage 3 sowie eine Einrichtung zur Einspeisung von Backup-Energie 4, insbesondere ein Dieselgenerator oder Brennstoffzellen. Zu den Energieverbrauchern zählen elektrische Wirk- und Blindlasten 5 sowie eine Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung 6 zur variablen Entnahme von Überschussenergie. Ein Kurzzeit- oder Batteriespeichersystem 7 dient zur Kurzzeitspeicherung elektrischer Energie und damit zur temporären Entnahme von elektrischer Energie aus dem Energieversorgungsnetz 1 und temporären Einspeisung von Energie in das Energieversorgungsnetz 1 über einen Zeitraum von maximal 1 bis 12 Stunden. Bei variabler Energieeinspeisung und Energieentnahme gleicht das Energieversorgungsnetz 1 kurzzeitige Differenzen zwischen Einspeisung und Entnahme über das Batteriespeichersystem 7 aus und liefert Überschussenergie an die Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung 6, mit der es bedarfsweise Backup-Energie zum längerfristigen Ausgleich von Differenzen zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch austauscht.
3 zeigt an dem Beispiel eines Insel-Energieversorgungsnetzes in der Kurve A den akkumulierten Verlauf der im Inselnetz erzeugten Überschussenergie sowie in der Kurve B den akkumulierten Verlauf der an das Inselnetz abgegebenen Backup-Energie.
4 zeigt in einem Flussdiagramm drei Varianten zur Herstellung von Backup-Energie BE unter Einbeziehung von Überschussenergie EE bei der Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen. Die Backup-Energie BE wird durch Umwandlung von Wasser W und/oder Kohlenstoffquellen C in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien wie Wasserstoff H₂ und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgern CH und deren Saisonalspeicherung gewonnen.
In einer ersten Variante steht keine Kohlenstoffquelle C in Form beispielsweise von Biomasse oder atmosphärischem CO₂ zur Verfügung, so dass als finaler Energieträger reiner Wasserstoff H₂ gewonnen wird. Im Schritt A1 wird aus dem vorhandenen Wasser W Wasserstoff H₂ elektrolytisch unter Zuhilfenahme von Überschussenergie EE erzeugt, wobei als mögliche Elektrolyseverfahren eine alkalische Elektrolyse, eine saure oder PEM-Elektrolyse oder eine Hochtemperatur-Elektrolyse eingesetzt werden kann. Die Elektrolyse wird überwiegend aus der Überschussenergie EE bei der Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen betrieben.
Im darauffolgenden Schritt A2 wird der mittels des Elektrolyseverfahrens erzeugte Wasserstoff H₂ weiter aufbereitet oder behandelt, wobei für die weiteren Aufbereitungs- und Behandlungsschritte wie beispielsweise Komprimierung, Lagerung, Kühlung, Erwärmung, Dekomprimierung und/oder Trocknung des Wasserstoffs H₂ ebenfalls Überschussenergie EE genutzt wird. Im darauffolgenden Prozessschritt wird der behandelte und aufbereitete Wasserstoff H_2N unmittelbar weiterverwendet oder gelagert. Der ggf. zwischengelagerte, behandelte und aufbereitete Wasserstoff H_2N wird im Schritt A3 speziellen Gasmotoren, Brennstoffzellen oder alternativen Verbrennungstechnologien als Energieträger zur Erzeugung von Backup-Energie BE zugeführt.
In einer zweiten Variante wird Überschussenergie EE in ein Saisonalspeicherungs-Konzept einbezogen, das auf einem chemischen Medium in Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers CH in flüssiger oder gasförmiger Form basiert.
Bei dieser Variante ist zu beachten, aus welcher Quelle der erforderliche Kohlenstoff C für die Erzeugung des kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers CH stammt. Da die Erzeugung elektrischer Energie ausschließlich auf dem Einsatz fluktuierender, erneuerbarer Energien beruhen soll, stammt der erforderliche Kohlenstoff nicht aus fossilen Kohlenstoffquellen C wie Kohle oder Erdöl, so dass hierauf beruhende Verfahren zur Umwandlung fossiler Kohlenstoffquellen nicht zum Einsatz kommen. Dementsprechend kommen grundsätzlich zwei Kohlenstoffquellen C infrage, nämlich Kohlenstoff aus nachwachsenden Rohstoffen oder Kohlenstoff aus atmosphärischem CO₂. Grundsätzlich könnte auch CO₂ aus Geothermie-Wasser berücksichtigt werden, was aber nicht dem ausschließlichen Einsatz fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen entsprechen würde, da dieses CO₂ ursprünglich unterirdisch gespeichert war und bei dem Zugriff auf die Energieform Geothermie der Atmosphäre zusätzlich zugeführt wird und dementsprechend zur Erderwärmung beiträgt wie CO₂ aus fossilen Energieträgern.
Als Kohlenstoffquelle C kommt insbesondere Kohlenstoff in Form von Biomasse, Biomasseabfällen, Frischholz, holzartigen Biomasseabfällen, Haushaltsabfällen, Kläranlagenschlamm und atmosphärisches CO₂ infrage. Die Kohlenstoffquelle C wird zunächst im Schritt B1 in geeigneter Form unter Nutzung der Überschussenergie vor der Umwandlung durch Zerkleinern, Trocknen und Komprimieren oder mittels Filtrationstechniken beruhend auf Absorption und Desorption aufbereitet. Anschließend wird im Schritt B2 die aufbereitete Kohlenstoffquelle C unter Zuhilfenahme der vorhandenen Überschussenergie EE in einen flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH umgewandelt. Als Umwandlungsverfahren kommen physikalische oder thermische Verfahren der Biomassewandlung oder CO₂-Wandlung wie beispielsweise Flash-, Ablations- und Wirbelstrom-Pyrolyse, Biomassevergasung, Biomasseverflüssigung, Sabatier-Verfahren, Fischer-Tropsch-Synthese oder dergleichen zum Einsatz.
Im Anschluss an die Umwandlung der aufbereiteten Kohlenstoffquelle C in einen flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH wird dieser im Schritt B3 mittels physikalischer Verfahren wie beispielsweise Komprimierung, Erwärmung, Kühlung, Filtrierung oder Trocknung nachbehandelt und zur weiteren Nutzung als nachbehandelter, kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH_N in Form von Kraftstoff in der vorhandenen Infrastruktur ggf. zwischengelagert, wobei die dafür notwendige Prozessenergie in Form von Überschussenergie EE zur Verfügung gestellt wird. Der nachbehandelte flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger CH_N beispielsweise in Form von Pyrolyseöl kann dann zum Antrieb eines vorhandenen oder modifizierten Dieselgenerators eingesetzt werden.
In einer dritten, bevorzugten Variante wird bei vorhandener Kohlenstoffquelle C mittels eines Elektrolyseverfahrens erzeugter Wasserstoff H₂ zur Veredelung des aus der Kohlenstoffquelle C mittels Pyrolyse erzeugten flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers CH eingesetzt.
Bei dieser Variante wird parallel zur Herstellung des Wasserstoffs H₂ mittels Elektrolyse im Schritt C1 und dessen Aufbereitung im Schritt C2 der im Schritt C3 aufbereitete Kohlenstoff C im Schritt C4 pyrolytisch in einen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH umgewandelt; der im Schritt C5 nachbehandelt wird. Im Schritt C6 werden die erzeugten Produkte Wasserstoff H₂ bzw. nachbehandelter Wasserstoff H_2N und nachbehandelter kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger CH_N als Ausgangsstoffe einer Kohlenwasserstoffsynthese oder Kohlenwasserstoffaufbereitung genommen, wobei es sich bei diesen Wandlungsprozessen beispielsweise um eine Veredelung des nachbehandelten kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers CH_N zu einem flüssigen oder gasförmigen, verdedelten kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH_V wie beispielsweise Bioöl, Biodiesel, synthetischem Methan oder synthetischem Kohlenwasserstoff handelt.
Ziel der Veredelung ist es, einen flüssigen oder gasförmigen Energieträger CH_V zu synthetisieren, der sich sowohl gut speichern als auch in einer vorhandenen Energieerzeugungs-Infrastruktur nutzen lässt. Dafür wird Wasserstoff H₂ bzw. nachbehandelter Wasserstoff H_2N und Überschussenergie EE in Form von Prozessenergie genutzt und der veredelte, flüssige oder gasförmige Energieträger CH_V gespeichert. Bei den dafür infrage kommenden Verfahren handelt es sich beispielsweise um

– eine Bilanzverbesserung und damit Erhöhung des Kohlenwasserstoffanteils eines Biogasprozesses durch Zuführung von Wasserstoff,
– eine Bilanzverbesserung und damit Absenkung des Kohlendioxidanteils von Biomassevergasung zu Synthesegas durch Zuführung von Wasserstoff oder
– eine Veredelung eines pyrolytisch gewonnenen Bioöls mittels eines Hydrierungsverfahrens oder einer Hydrogenierung.

Da viele Energieversorgungssysteme auf der Nutzung fossiler Kraftstoffe zur Erzeugung elektrischer Energie beruhen, d.h. Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie einsetzen, die mit Verbrennungsmaschinen zur Verbrennung von kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen gekoppelt sind, wird der im Schritt C6 veredelte, flüssige oder gasförmige und ggf. gelagerte Energieträger CH_V in der vorhandenen oder in einer neu zu installierenden Infrastruktur zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Die vorhandene Infrastruktur, wie z.B. Dieselgeneratoren, Gasturbinen oder Gasmotoren, zur Verbrennung von kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen in flüssigem oder gasförmigem Zustand wird dafür wie vorhanden oder nach entsprechenden Modifikationen genutzt. Bei den entsprechenden Modifikationen handelt es sich um Veränderungen, die die Nutzung von den im Schritt C6 erzeugten Bio-Kraftstoffen beispielsweise durch

– den Einbau besonders korrosionsfester oder säurefester Bauteile aus speziellen Legierungen,
– die Verwendung von speziellen Zusatzstoffen wie Motorölen für mehr Korrosionsfestigkeit oder
– eine Veränderung der Verbrennungsparameter.

Die Nachbehandlung des mittels Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs H₂ in den Schritten A2 und C2 kann unter Nutzung von Überschussenergie EE – wie nachfolgend anhand des in 5 dargestellten Flussdiagramms erläutert wird – variiert werden.
5 zeigt schematisch die Herstellung von Wasserstoff H₂ im Schritt 5.1 mittels Elektrolyse aus vorhandenem Wasser W unter Einsatz von Überschussenergie EE und die Zwischenlagerung des erzeugten Wasserstoffs H₂ in einem Puffertank im Schritt 5.2. Anschließend erfolgt im Schritt 5.3 bei niedrigem Druck eine Nachbehandlung des erzeugten Wasserstoffs H₂ in Form von Komprimierung, Trocknung und Reinigung des erzeugten Wasserstoffs H₂ ebenfalls unter Einsatz von Überschussenergie EE. Der im Schritt 5.4 erneut zwischengelagerte, nachbehandelte Wasserstoff H₂ wird anschließend im Schritt 5.5 ebenfalls unter Einsatz von Überschussenergie EE durch Komprimierung, Trocknung und Reinigung bei hohem Druck weiter behandelt. Der in dieser Weise nach- und weiterbehandelte Wasserstoff H_2N wird im Schritt 5.6 gelagert und im Schritt 5.7 zur Erzeugung von Backup-Energie BE beispielsweise in Brennstoffzellen oder einem Gasmotor in elektrische Energie umgewandelt.
6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Erzeugung von Wasserstoff (Kurve H₂), den zur Erzeugung von Backup-Energie verbrauchten Wasserstoff (Kurve BE) sowie den gespeicherten, erzeugten Wasserstoff (Kurve S) in einem Insel-Energieversorgungsnetz. Die Kurvenverläufe verdeutlichen, dass bei in etwa linear ansteigender Erzeugung von Wasserstoff H₂ bei geringerer Erzeugung von Backup-Energie BE größere Mengen Wasserstoff H₂ gespeichert und bei ansteigender Erzeugung von Backup-Energie BE die Speicherung von Wasserstoff H₂ deutlich verringert wird, um bei nur geringfügiger Abweichung zwischen erzeugtem und zur Erzeugung von Backup-Energie BE verbrauchtem Wasserstoff H₂ wieder deutlich anzusteigen.
7 zeigt in einem schematischen Flussdiagramm die Erzeugung von Bioöl als kohlenwasserstoffhaltigem Energieträger aus frischem Holz und die Verwendung des Bioöls zur Erzeugung von Backup-Energie.
Im Schritt 7.1 wird das Frischholz C unter Einsatz von Überschussenergie EE geshreddert und getrocknet, im Schritt 7.2 ebenfalls unter Einsatz von Überschussenergie das getrocknete Holz zu Holzchips verarbeitet und im Schritt 7.3 zwischengespeichert. Im Schritt 7.4 werden die Holzchips unter Einsatz von Überschussenergie pyrolytisch in einen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH umgewandelt und dieser im Schritt 7.5 zur Erzeugung von Bioöl nachbehandelt. Der nachbehandelte flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger CH_N wird im Schritt 7.6 gespeichert und im Schritt 7.7 einem modifizierten Diesel-Generator zur Erzeugung von Backup-Energie BE zugeführt.
8 zeigt schematisch die akkumulierte Herstellung von Bioöl mit Unterbrechungen entsprechend der Kurve A, das für die Erzeugung von Backup-Energie verbrauchte Bioöl in der Kurve B sowie in der Kurve C mit Unterbrechungen den Verlauf der Speicherung von Bioöl.

Die Kurvenverläufe A, B und C zeigen den jeweils linearen Anstieg der Erzeugung von Bioöl mit einzelnen Unterbrechungen, den in etwa gleichbleibenden Verbrauch von Bioöl zur Erzeugung von Backup-Energie sowie die Schwankungen des gespeicherten Bioöls infolge der Unterbrechungen der Bioöl-Erzeugung mit jeweiliger Zunahme des gespeicherten Bioöls bei wiederaufgenommener Bioölerzeugung und Abnahme des gespeicherten Bioöls bei den Unterbrechungen der Bioölerzeugung. Bezugszeichenliste

1	elektrischen Energieversorgungsnetzes
2	Photovoltaikanlage
3	Windenergieanlage
4	Dieselgenerator oder Brennstoffzellen
5	elektrische Wirk- und Blindlasten
6	Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung
7	Kurzzeit- oder Batteriespeichersystem
BE	Backup-Energie
C	Kohlenstoffquelle (Biomasse oder atmosphärisches CO₂)
CH	kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger
CHN	Nachbehandelter kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger
CH_V	Veredelter kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger
EE	Überschussenergie
H₂	Wasserstoff
H_2N	Nachbehandelter Wasserstoff
W	Wasser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19956560 C2 [0005]

Claims

Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels fluktuierender erneuerbarer Energiequellen, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Energieerzeugung anfallende Überschussenergie (EE) zur Langzeitspeicherung, insbesondere zur Saisonalspeicherung, durch Umwandlung von Wasser (W) und/oder Kohlenstoffquellen (C) in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien (H₂, CH) zur Erzeugung von Backup-Energie (BE) zur bedarfsweisen Einspeisung in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Backup-Energie (BE) A) unter Verwendung von Wasser (W) ohne Verfügbarkeit einer Kohlenstoffquelle (C) A1 Wasserstoff (H₂) aus dem Wasser (W) mittels Wasserelektrolyse unter Nutzung der Überschussenergie (EE) erzeugt wird, A2 der erzeugte Wasserstoff (H₂) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) nachbehandelt und gegebenenfalls gelagert wird und A3 der nachbehandelte Wasserstoff (H₂) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) einer Einrichtung zur Erzeugung von Backup-Energie (BE) zugeführt wird; B) bei Verfügbarkeit einer Kohlenstoffquelle (C) B1 die Kohlenstoffquelle (C) zur weiteren Verarbeitung unter Nutzung der Überschussenergie (EE) aufbereitet wird, B2 die aufbereitete Kohlenstoffquelle (C) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) in einen flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger (CH) umgewandelt wird, B3 der flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH) nachbehandelt und gegebenenfalls gelagert wird und B4 der flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH) einem Antrieb eines Generators zur Erzeugung von Backup-Energie (BE) zugeführt wird; C) bei Verfügbarkeit einer Kohlenstoffquelle (C) unter Einbeziehung von Wasser (W) C1 Wasserstoff (H₂) aus dem Wasser (W) mittels Wasserelektrolyse unter Nutzung der Überschussenergie (EE) erzeugt wird, C2 der erzeugte Wasserstoff (H₂) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) nachbehandelt und gegebenenfalls gelagert wird, C3 die Kohlenstoffquelle (C) zur weiteren Verarbeitung unter Nutzung der Überschussenergie (EE) aufbereitet wird, C4 die aufbereitete Kohlenstoffquelle (C) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) in einen flüssigen oder gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger (CH), insbesondere in einen Kraftstoff, umgewandelt oder deren Bilanz durch Zufuhr von Wasserstoff verbessert wird, C5 der flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger nachbehandelt und gegebenenfalls gelagert wird, C6 der nachbehandelte flüssige oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH) mittels Kohlenwasserstoffsynthese unter Einsatz des behandelten Wasserstoffs (H₂) und Nutzung der Überschussenergie (EE) zu einem höherwertigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger (CH), insbesondere zu Biodiesel, veredelt wird und C7 der höherwertige kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH) gegebenenfalls nach Zwischenlagerung einem Antrieb eines Generators zur Erzeugung von Backup-Energie (BE) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten B1 und C3 unter Nutzung der Überschussenergie (EE) Biomasse durch Zerkleinern, Trocknen und Komprimieren oder mittels Filtrationstechniken beruhend auf Absorption und Desorption aufbereitet oder Kohlenstoff aus atmosphärischem CO₂ gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasserelektrolyse ein alkalischer Elektrolyseur, ein saurer oder PEM-Elektrolyseur oder ein Hochtemperatur-Elektrolyseur eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff (H₂) im Schritt A2 und C2 unter Nutzung der Überschussenergie (EE) behandelt, insbesondere komprimiert, getrocknet und gereinigt, wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der behandelte Wasserstoff (H_2N) im Schritt A3 unter Nutzung der Überschussenergie (EE) einem Gasmotor oder Brennstoffzellen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff (H₂) in einem Puffertank zwischengelagert, danach unter Nutzung der Überschussenergie (EE) mit niedrigem Druck komprimiert, getrocknet und gereinigt, erneut zwischengelagert und anschließend mit hohem Druck komprimiert, getrocknet, gereinigt und gespeichert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffquelle (C) in den Schritten B1 und C3 unter Nutzung der Überschussenergie (EE) aufbereitet, insbesondere zerkleinert, getrocknet, komprimiert und zwischengelagert, wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffquelle (C) aus atmosphärischem CO₂, Biomasse, Biomasseabfall, insbesondere holzartigem Biomasseabfall, Haushaltsabfall, Kläranlagenschlamm und dergleichen besteht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aufbereitete Kohlenstoffquelle (C) unter Nutzung der Überschussenergie (EE) in den Schritten B2 und C4 mittels physikalischer, thermischer oder chemischer Verfahren der Kohlenstoff- und/oder CO₂-Wandlung, insbesondere mittels Flash-Pyrolyse, Ablations-Pyrolyse oder Wirbelstrom-Pyrolyse, Biomassevergasung, Biomasseverflüssigung, Sabatier-Verfahren, Fischer-Tropsch-Synthese und dergleichen in einen flüssigen oder gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger (CH) umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige oder gasförmige, kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH) im Schritt B3 und C5 mittels physikalischer Verfahren unter Nutzung der Überschussenergie (EE) nachbehandelt, insbesondere komprimiert, gelagert, erwärmt, gekühlt, filtriert und/oder getrocknet, wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt B3 und C5 nachbehandelte kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH_N) derart synthetisiert wird, dass er gut speicherbar und in einer vorhandenen Energieerzeugungs-Infrastruktur verwendbar ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt B3 und C5 nachbehandelte kohlenwasserstoffhaltige Energieträger (CH_N) im Schritt C6 durch Hinzufügen von Wasserstoff (H₂), insbesondere durch Hinzufügen von nachbehandeltem Wasserstoff (H_2N) veredelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Veredelung des nachbehandelten kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers (CH_N) durch – Bilanzverbesserung und damit Erhöhung des Kohlenwasserstoffanteils eines Biogasprozesses durch Zuführung von Wasserstoff, – Bilanzverbesserung und damit Absenkung des Kohlendioxidanteils von Biomassevergasung zu Synthesegas durch Zuführung von Wasserstoff, – Veredelung eines pyrolytisch gewonnenen Bioöls mittels eines Hydrierungsverfahrens oder einer Hydrogenierung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt C6 veredelte kohlenwasserstoffhaltige Energieträges (CH_N) gelagert und im Schritt C7 einem Diesel-Generator zur Erzeugung von Backup-Energie (BE) zugeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, das mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen, einer Einrichtung zur Erzeugung von Backup-Energie, einem elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher, einer Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung und elektrischen Wirk- und Blindlasten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energieversorgungsnetz (1) von den elektrischen Wirk- und Blindlasten (5) nicht verbrauchte Überschussenergie (EE) aus den fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen (2, 3) zur Kurzzeitspeicherung an den elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher (7) und/oder zur Langzeitspeicherung an die Langzeit- oder Saisonalspeichereinrichtung (6) zur Umwandlung von Wasser (W) und/oder Kohlenstoffquellen (C) in speicherbare Energieträger in Form chemischer Medien (H_2, CH) abgibt und dass bedarfsweise von dem elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher (7) kurzzeitig und von der Einrichtung zur Erzeugung von Backup-Energie (4) aus den speicherbaren Energieträgern in Form chemischer Medien (H₂, CH) erzeugte Backup-Energie (BE) langzeitig bzw. saisonal in das elektrische Energieversorgungsnetz (1) eingespeist wird.