DE102015222695A1

DE102015222695A1 - Speichervorrichtung, Energiesystem und Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff

Info

Publication number: DE102015222695A1
Application number: DE102015222695.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Linder; Inga Bürger; Maha Bhouri
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: DE102015222695B4

Abstract

Um eine Speichervorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff zu schaffen, welche eine energieeffiziente Wasserstoffspeicherung und/oder Wasserstoffbereitstellung ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Speichervorrichtung Folgendes umfasst: Einen Wasserstoffspeicherbehälter, welcher mit einem hydridbildenden Material gefüllt ist, und einen thermochemischen Wärmespeicher, welcher mit einem thermochemischen Wärmespeichermaterial gefüllt und thermisch mit dem Wasserstoffspeicherbehälter gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speichervorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff, bei welcher ein Wasserstoffspeicherbehälter und ein Wärmespeicher vorgesehen sind.
Eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff ist beispielsweise aus der US 8,636,834 B2 bekannt. Hierbei ist ein als Latentwärmespeicher ausgebildeter Wärmespeicher vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speichervorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff zu schaffen, welche eine energieeffiziente Wasserstoffspeicherung und/oder Wasserstoffbereitstellung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Speichervorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff gelöst, welche Folgendes umfasst:
Einen Wasserstoffspeicherbehälter, welcher mit einem hydridbildenden Material gefüllt ist, und
einen thermochemischen Wärmespeicher, welcher mit einem thermochemischen Wärmespeichermaterial gefüllt und thermisch mit dem Wasserstoffspeicherbehälter gekoppelt ist.
Dadurch, dass die Speichervorrichtung einen thermochemischen Wärmespeicher umfasst, kann die Speicherung und Bereitstellung von Wasserstoff besonders energieeffizient erfolgen.
Der thermochemische Wärmespeicher ist vorzugsweise derart mit dem Wasserstoffspeicherbehälter gekoppelt, dass Wärme von dem thermochemischen Wärmespeichermaterial auf das hydridbildende Material und/oder von dem hydridbildenden Material auf das thermochemische Wärmespeichermaterial übertragbar ist.
Unter einem "hydridbildenden Material" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen vorzugsweise ein Material zu verstehen, welches durch Reaktion mit Wasserstoff ein Hydrid bilden kann oder welches als Hydrid vorliegt und Wasserstoff abgeben kann. Der Begriff "hydridbildendes Material" bezeichnet somit vorzugweise ein Wasserstoffspeichermaterial sowohl im beladenen Zustand als auch im entladenen Zustand.
Unter einem "Speichern" oder einer "Speicherung" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Aufnahme von Wasserstoff mittels des hydridbildenden Materials und/oder ein Verbleib des Wasserstoffs in dem hydridbildenden Material zu verstehen.
Günstig kann es sein, wenn das hydridbildende Material Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) umfasst und/oder in einem entladenen Zustand durch Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) gebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) umfasst und/oder in einem entladenen Zustand durch Magnesiumoxid (MgO) und/oder Calciumoxid (CaO) gebildet ist.
Ein entladener Zustand des hydridbildenden Materials ist ein Zustand, in welchem das hydridbildende Material nicht mit Wasserstoff beladen ist.
Ein beladener Zustand des hydridbildenden Materials ist ein Zustand, in welchem das hydridbildende Material mit Wasserstoff beladen ist.
Ein entladener Zustand des thermochemischen Wärmespeichermaterials ist ein Zustand, in welchem das thermochemische Wärmespeichermaterial nicht mit einem Reaktionsmedium beladen ist.
Ein beladener Zustand des thermochemischen Wärmespeichermaterials ist ein Zustand, in welchem das thermochemische Wärmespeichermaterial mit einem Reaktionsmedium beladen ist.
Das thermochemische Wärmespeichermaterial reagiert ausgehend von dem entladenen Zustand vorzugsweise exotherm mit dem Reaktionsmedium.
Der thermochemische Wärmespeicher ist folglich vorzugsweise beladen, wenn das thermochemische Wärmespeichermaterial in einem entladenen Zustand, das heißt getrennt vom Reaktionsmedium, vorliegt.
Ferner ist der thermochemische Wärmespeicher vorzugsweise entladen, wenn das thermochemische Wärmespeichermaterial mit Reaktionsmedium beladen ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Speichervorrichtung einen Behälter für ein Reaktionsmedium umfasst, welches zum Entladen oder zum Beladen des thermochemischen Wärmespeichers mit Wärme dem thermochemischen Wärmespeichermaterial zuführbar ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung eine Mediumleitung und/oder eine Mediumfördervorrichtung umfasst, mittels welcher das Reaktionsmedium von dem Behälter für das Reaktionsmedium zu dem thermochemischen Wärmespeicher zuführbar, insbesondere in denselben einleitbar, ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial in einem entladenen Zustand und/oder in einem beladenen Zustand in einem festen oder flüssigen Aggregatzustand vorliegt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das thermochemische Wärmespeichermaterial in einem mit Reaktionsmedium beladenen Zustand Magnesiumhydroxid (MG(OH)₂) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) umfasst oder durch Magnesiumhydroxid (MG(OH)₂) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) gebildet ist.
Der Wasserstoffspeicherbehälter und der thermochemische Wärmespeicher bilden vorzugsweise ein im Wesentlichen thermisch geschlossenes System.
Vorzugsweise verbleiben mindestens ungefähr 90%, insbesondere mindestens ungefähr 95%, der Wärme oder des energetischen Wärmeäquivalents innerhalb dieses thermisch geschlossenen Systems aus Wasserstoffspeicherbehälter und thermochemischem Wärmespeicher, wenn die Speichervorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff verwendet wird.
Der thermochemische Wärmespeicher und der Wasserstoffspeicherbehälter verbleiben vorzugsweise während des gesamten Betriebs der Speichervorrichtung zumindest näherungsweise auf dem gleichen Temperaturniveau.
Der thermochemische Wärmespeicher und der Wasserstoffspeicherbehälter bilden vorzugsweise ein adiabates System oder ein quasi-adiabates System.
Günstig kann es sein, wenn die Wasserstoffspeichervorrichtung und der thermochemische Wärmespeicher im Wesentlichen wärmedicht nach außen abgeschlossen sind. Vorzugsweise wird lediglich aufgrund der Abfuhr von Reaktionsmedium eine geringe Wärmemenge abgeführt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung eine Kondensationsvorrichtung zur Kondensation eines Reaktionsmediums umfasst.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen eines Reaktionsmediums umfasst.
Die Kondensationsvorrichtung und die Verdampfungsvorrichtung können als voneinander verschiedene Vorrichtungen ausgebildet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kondensationsvorrichtung und die Verdampfungsvorrichtung als eine einzige Vorrichtung, insbesondere mit unterschiedlichen Betriebsmodi, ausgebildet sind.
Der Wasserstoffspeicherbehälter ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise von dem thermochemischen Wärmespeicher umgeben, insbesondere ummantelt.
Der Wasserstoffspeicherbehälter ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und zylindermantelförmig mit thermochemischem Wärmespeichermaterial umgeben.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Wasserstoffspeicherbehälter mehrere plattenförmige Elemente, insbesondere Speicherelemente, umfasst.
Günstig kann es sein, wenn der thermochemische Wärmespeicher mehrere plattenförmige Elemente, insbesondere Wärmespeicherelemente, umfasst.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die plattenförmigen Elemente des Wasserstoffspeicherbehälters und die plattenförmigen Elemente des thermochemischen Wärmespeichers in einer alternierenden Reihe benachbart und/oder unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. Auf diese Weise kann ebenfalls eine effiziente Wärmeübertragung von dem Wasserstoffspeicherbehälter auf den thermochemischen Wärmespeicher erfolgen.
Günstig kann es dabei insbesondere sein, wenn das hydridbildende Material und das thermochemische Wärmespeichermaterial in einer alternierenden Reihe angeordnet sind.
Vorzugsweise ist eine Kombination aus einem Wasserstoffspeicherbehälter und einem thermochemischen Wärmespeicher durch einen Stapel aus plattenförmigen Elementen des Wasserstoffspeicherbehälters und plattenförmigen Elementen des thermochemischen Wärmespeichers gebildet, wobei die plattenförmigen Elemente des Wasserstoffspeicherbehälters und die plattenförmigen Elemente des thermochemischen Wärmespeichers vorzugsweise alternierend angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Energiesystem.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Energiesystem, welches einen Wasserstoffverbraucher, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, und eine erfindungsgemäße Speichervorrichtung umfasst.
Das erfindungsgemäße Energiesystem weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Günstig kann es sein, wenn der Wasserstoffverbraucher thermisch mit einer Verdampfungsvorrichtung der Speichervorrichtung gekoppelt ist. Auf diese Weise kann insbesondere im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers entstehende Abwärme zur Bereitstellung von Reaktionsmediumdampf genutzt werden, um das Reaktionsmedium vorzugsweise gleichmäßig und/oder mit möglichst hoher Temperatur in den thermochemischen Wärmespeicher einleiten zu können.
Es kann vorgesehen sein, dass das Energiesystem eine Wasserstoffquelle, insbesondere eine Elektrolysevorrichtung, umfasst.
Der Wasserstoffquelle ist vorzugsweise beim Beladen des thermochemischen Wärmespeichers aus demselben entferntes Reaktionsmedium zuführbar.
Insbesondere ist hierzu vorzugsweise eine Mediumleitung vorgesehen, über welche das Reaktionsmedium aus dem thermochemischen Wärmespeicher abgeführt und der Wasserstoffquelle zugeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Wasserstoff energieeffizient gespeichert und/oder bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Zuführen von Wasserstoff zu einem hydridbildenden Material zum Beladen desselben mit Wasserstoff;
Übertragen von bei diesem Beladen entstehender Wärme auf ein thermochemisches Wärmespeichermaterial.
Dadurch, dass die beim Beladen des hydridbildenden Materials mit Wasserstoff entstehende Wärme auf ein thermochemisches Wärmespeichermaterial übertragen wird, kann die freiwerdende Wärme vorzugsweise effizient gespeichert werden.
Vorzugsweise wird durch die Übertragung der beim Beladen des hydridbildenden Materials mit Wasserstoff entstehenden Wärme auf das thermochemische Wärmespeichermaterial dieses thermochemische Wärmespeichermaterial entladen, wobei insbesondere Reaktionsmedium aus dem thermochemischen Wärmespeichermaterial entweicht oder von dem thermochemischen Wärmespeichermaterial getrennt wird.
Günstig kann es sein, wenn ein Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff alternativ oder ergänzend zu den vorstehend genannten Merkmalen Folgendes umfasst:
Zuführen von Reaktionsmedium zu einem thermochemischen Wärmespeichermaterial, welches mit dem Reaktionsmedium exotherm reagiert; Übertragen von dabei entstehender Wärme auf ein hydridbildendes Material, wodurch das hydridbildende Material vorzugsweise Wasserstoff abgibt.
Das Reaktionsmedium kann beispielsweise Wasser sein.
Günstig kann es sein, wenn als Wasser ausgebildetes Reaktionsmedium in einer Brennstoffzellenvorrichtung erzeugt und dem thermochemischen Wärmespeichermaterial zugeführt wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass, insbesondere zur Durchführung eines Kaltstarts des Energiesystems, zunächst der Wasserstoffverbraucher im Wesentlichen ohne Vorheizung in Betrieb genommen wird. Die im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers freigesetzte Wärme wird dann vorzugsweise auf den Wasserstoffspeicherbehälter übertragen, um das hydridbildende Material von dem Wasserstoff zu trennen und somit Wasserstoff bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung und/oder dem erfindungsgemäßen Energiesystem beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weisen die erfindungsgemäße Speichervorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Energiesystem vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner können die Speichervorrichtung, das Energiesystem und/oder das Verfahren einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Es kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium in einem geschlossenen System oder in einem offenen System innerhalb der Speichervorrichtung und/oder des Energiesystems geführt ist.
Bei einem offenen System kann beispielsweise vorgesehen sein, dass aus dem thermochemischen Wärmespeichermaterial entweichendes Reaktionsmedium, insbesondere Wasser, an eine Umgebung der Speichervorrichtung und/oder des Energiesystems abgegeben wird oder abgebbar ist.
Bei einem geschlossenen System ist vorzugsweise eine Kondensation und/oder Speicherung von Reaktionsmedium vorgesehen, wenn dieses von dem thermochemischen Wärmespeichermaterial getrennt wird. Anschließend ist das Reaktionsmedium vorzugsweise zur erneuten Wärmebereitstellung dem thermochemischen Wärmespeichermaterial zuführbar.
Das Reaktionsmedium ist vorzugsweise Wasser (H₂O), welches insbesondere dampfförmig zu dem thermochemischen Wärmespeichermaterial zuführbar ist oder zugeführt wird.
Ferner wird das Reaktionsmedium, insbesondere Wasser, vorzugsweise dampfförmig aus dem thermochemischen Wärmespeicher abgeführt, wenn der thermochemische Wärmespeicher beladen (regeneriert) wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung und/oder das Energiesystem eine Druckregelung umfasst, mittels welcher insbesondere ein Wasserstoffdruck und/oder ein Reaktionsmediumdruck steuerbar und/oder regelbar sind. Insbesondere kann hierdurch vorzugsweise ein gewünschtes Temperaturniveau und/oder Druckniveau zur wahlweisen Speicherung oder Bereitstellung von Wasserstoff gezielt eingestellt werden.
Günstig kann es sein, wenn mittels einer Brennstoffzellenvorrichtung erzeugter Wasserdampf komprimiert und dem thermochemischen Wärmespeichermaterial zugeführt wird. Eine Bereitstellung von Wasserdampf durch Erhitzen und Verdampfen von Wasser ist hierdurch vorzugsweise entbehrlich.
Vorzugsweise ist durch die Verwendung von thermochemischem Wärmespeichermaterial anstelle von Latentwärmespeichermaterial eine höhere gravimetrische Speicherdichte erhältlich. Beispielsweise kann die gravimetrische Speicherdichte von geeignetem thermochemischem Wärmespeichermaterial ungefähr 1380 kJ/kg betragen, während die gravimetrische Speicherdichte eines geeigneten Latentwärmespeichermaterials beispielsweise ungefähr 175 kJ/kg beträgt.
Vorzugsweise können die gewünschten Temperaturen für die Beladung und/oder die Entladung des hydridbildenden Materials und/oder des thermochemischen Wärmespeichermaterials durch Steuerung und/oder Regelung des Druckniveaus des Wasserstoffs und/oder des Druckniveaus des Reaktionsmediums gezielt eingestellt werden. Hierdurch kann die gesamte Speichervorrichtung vorzugsweise flexibler gestaltet werden, als ein System auf der Basis eines Latentwärmespeichermaterials, bei welchem die Schmelztemperatur zu Beginn durch geeignete Materialwahl festgelegt wird.
Die Speicherung der Reaktionswärme, welche sich aufgrund der Reaktion des hydridbildenden Materials mit dem Wasserstoff ergibt, erfolgt vorzugsweise mittels des thermochemischen Wärmespeichermaterials, insbesondere quasi verlustfrei.
Falls die Speichervorrichtung für längere Zeit im beladenen oder unbeladenen Zustand verbleibt und dabei abkühlt, muss vorzugsweise lediglich die sensibel im thermochemischen Wärmespeichermaterial und/oder im hydridbildenden Material gespeicherte Wärme erneut zugeführt werden. Bei der Verwendung von Latentwärmespeichermaterial ist die Isolation hingegen deutlich kritischer, da eine Erstarrung desselben mit einer Verringerung der gesamten gespeicherten Energie verbunden ist.
Günstig kann es sein, wenn das hydridbildende Material und das thermochemische Wärmespeichermaterial lediglich mittels einer gasdichten und/oder thermisch leitfähigen Wandung voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise sind der Wasserstoffspeicherbehälter und der thermochemische Wärmespeicher mittels einer Isolationsvorrichtung gemeinsam thermisch gegenüber einer Umgebung isoliert.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiesystems;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung des Energiesystems aus 1, wobei das Energiesystem in einem Beladezustand vorliegt, in welchem einem Wasserstoffspeicherbehälter einer Speichervorrichtung des Energiesystems Wasserstoff zugeführt wird;
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung des Energiesystems aus 1, wobei die Speichervorrichtung des Energiesystems in einem Entladezustand vorliegt, in welchem der Wasserstoffspeicherbehälter zur Bereitstellung von Wasserstoff mittels eines thermochemischen Wärmespeichers erhitzt wird;
4 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Energiesystems, bei welchem zusätzliche thermische Kopplungen sowie eine ergänzende Bereitstellung und Nutzung von Reaktionsmedium vorgesehen sind;
5 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Energiesystems, bei welchem eine alternative thermische Kopplung vorgesehen ist; und
6 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Energiesystems, bei welchem eine als Elektrolysevorrichtung ausgebildete Wasserstoffquelle vorgesehen ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Energiesystems dient beispielsweise der bedarfsweisen Bereitstellung von elektrischer Energie unter Nutzung von Wasserstoff.
Das Energiesystem 100 umfasst hierzu vorzugsweise eine Speichervorrichtung 102 zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Wasserstoff und einen Wasserstoffverbraucher 104, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung 106, zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Die Speichervorrichtung 102 umfasst einen Wasserstoffspeicherbehälter 108, welcher mit hydridbildendem Material 110 gefüllt ist.
Ferner umfasst die Speichervorrichtung 102 einen thermochemischen Wärmespeicher 112, welcher mit einem thermochemischen Wärmespeichermaterial 114 gefüllt ist.
Der Wasserstoffspeicherbehälter 108 und der thermochemische Wärmespeicher 112 sind mittels einer thermischen Kopplung 116 thermisch miteinander gekoppelt.
Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Wasserstoffspeicherbehälter 108 mit dem thermochemischem Wärmespeicher 112 ummantelt ist (in den Figuren ist zur einfacheren Veranschaulichung der Funktionsweise eine räumlich getrennte Darstellung gewählt).
Der thermochemische Wärmespeicher 112 umfasst vorzugsweise einen Behälter 115 zur Aufnahme des thermochemischen Wärmespeichermaterials 114. Dieser Behälter 115 ist somit vorzugsweise ein Mantel für den Wasserstoffspeicherbehälter 108.
Das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 ist vorzugsweise ein Material, welches exotherm mit einem Reaktionsmedium 118 reagiert.
Dieses Reaktionsmedium 118 ist beispielsweise in einem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 aufnehmbar oder aufgenommen.
Mittels einer Mediumleitung 122 ist vorzugsweise eine Verbindung zwischen dem Behälter 120 für das Reaktionsmedium 118 und dem Behälter 115 für das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 gebildet.
Über die Mediumleitung 122 ist somit vorzugsweise Reaktionsmedium 118 aus dem Behälter 120 zu dem thermochemischen Wärmespeichermaterial 114 zuführbar oder aus dem Behälter 115 für thermochemisches Wärmespeichermaterial 114 zurück in den Behälter 120 für das Reaktionsmedium 118 führbar.
Die Speichervorrichtung 102 umfasst ferner vorzugsweise eine Verdampfungsvorrichtung 124 und/oder eine Kondensationsvorrichtung 126.
Mittels der Verdampfungsvorrichtung 124 kann das Reaktionsmedium 118 vorzugsweise vor der Zuführung und/oder zur Zuführung zu dem thermochemischen Wärmespeichermaterial 114 verdampft werden.
Mittels der Kondensationsvorrichtung 126 kann vorzugsweise das aus dem Behälter 115 für thermochemisches Wärmespeichermaterial 114 abgeführte Reaktionsmedium 118 kondensiert werden, insbesondere um dieses in flüssiger Form in dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 speichern zu können.
Ferner ist vorzugsweise noch ein Wasserstoffanschluss 128 vorgesehen, über welchen dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 Wasserstoff zuführbar ist.
Eine oder mehrere Wasserstoffleitungen 130 dienen zur Verbindung des Wasserstoffanschlusses 128, des Wasserstoffspeicherbehälters 108 und/oder des Wasserstoffverbrauchers 104, um Wasserstoff zu dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 zuführen oder aus dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 abführen und dem Wasserstoffverbraucher 104 zuführen zu können.
Die in den 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsform des Energiesystems 100 funktioniert wie folgt:
In einem Ausgangszustand ist beispielsweise kein Wasserstoff in dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 gespeichert. Der thermochemische Wärmespeicher 112 ist dann vorzugsweise thermisch entladen, das heißt, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 in einem mit Reaktionsmedium 118 beladenen Zustand vorliegt und zur Wärmeaufnahme bereit ist.
Mittels der Speichervorrichtung 102 des Energiesystems 100 kann dann Wasserstoff gespeichert werden. Hierzu wird über den Wasserstoffanschluss 128 Wasserstoff in den Wasserstoffspeicherbehälter 108 eingeleitet.
Der Wasserstoff wird dann an das hydridbildende Material 110 angelagert, so dass sich ein Hydridmaterial bildet. Diese Reaktion ist exotherm, so dass in dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 Wärme frei wird.
Diese Wärme wird über die thermische Kopplung 116 auf den thermochemischen Wärmespeicher 112 übertragen.
In dem thermochemischen Wäremespeicher 112 führt dies dazu, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 die Wärme aufnimmt und aufgrund einer physikalischen und/oder chemischen Reaktion Reaktionsmedium 118 abgibt.
Dieses Reaktionsmedium 118 wird über die Mediumleitung 122 aus dem Behälter 115 für thermochemisches Wärmespeichermaterial 114 abgeführt, gegebenenfalls mittels der Kondensationsvorrichtung 126 kondensiert und in dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 aufgenommen und gespeichert.
Dieser in 2 dargestellte Beladezustand der Speichervorrichtung 102 wird vorzugsweise aufrechterhalten, bis eine gewünschte Wasserstoffmenge in dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 gespeichert ist.
Zur Bereitstellung von Wasserstoff wird die Speichervorrichtung 102 dann vorzugsweise in den in 3 dargestellten Entladezustand versetzt.
Hierzu wird Reaktionsmedium 118 aus dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 abgeführt, gegebenenfalls mittels der Verdampfungsvorrichtung 124 verdampft und über die Mediumleitung 122 in den Behälter 115 für thermochemisches Wärmespeichermaterial 114 eingeleitet.
Aufgrund der exothermen Reaktion zwischen dem thermochemischen Wärmespeichermaterial 114 und dem Reaktionsmedium 118 wird in dem thermochemischen Wärmespeicher 112 Wärme freigesetzt, die über die thermische Kopplung 116 auf den Wasserstoffspeicherbehälter 108 und das darin angeordnete beladene hydridbildende Material 110 übertragen wird.
Die Zuführung von Wärme zu dem mit Wasserstoff beladenen hydridbildenden Material 110 führt dazu, dass Wasserstoff aus dem hydridbildenden Material 110 entweicht und somit zur Nutzung in dem Wasserstoffverbraucher 104 verfügbar ist. Der Wasserstoff wird hierzu aus dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 entnommen und über die Wasserstoffleitung 130 zu dem Wasserstoffverbraucher 104 geführt.
In dem Wasserstoffverbraucher 104 wird der Wasserstoff dann beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Energie chemisch umgesetzt.
Eine in 4 dargestellte zweite Ausführungsform eines Energiesystems 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass weitere thermische Kopplungen 116 vorgesehen sind.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmespeicher 112 mit dem Wasserstoffverbraucher 104 thermisch gekoppelt ist, um beispielsweise im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers 104 entstehende Wärme zur Regeneration des thermochemischen Wärmespeichers 112, das heißt zum Entladen des thermochemischen Wärmespeichermaterials 114, zu nutzen. Ferner kann durch eine solche thermische Kopplung 116 vorzugsweise der thermochemische Wärmespeicher 112 zum Erwärmen des Wasserstoffverbrauchers 104 genutzt werden, beispielsweise um einen Kaltstart des Wasserstoffverbrauchers 104 zu optimieren.
Eine weitere thermische Kopplung 116 ist vorzugsweise zwischen dem Wasserstoffverbraucher 104 und dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 vorgesehen. Auf diese Weise kann insbesondere Abwärme, welche im Betrieb des Wasserstoffverbrauchs 104 entsteht, zum sensiblen Erwärmen des Reaktionsmediums 118 genutzt werden.
Schließlich kann bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform des Energiesystems 100 vorgesehen sein, dass die Mediumleitung 122 auch zu dem Wasserstoffverbraucher 104 führt. Beispielsweise bei einem als Brennstoffzellenvorrichtung 106 ausgebildeten Wasserstoffverbraucher 104 kann hierdurch das im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers 104 erzeugte Wasser genutzt werden, um letztlich als Reaktionsmedium 118 in dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 gespeichert oder direkt zur Bereitstellung von Wärme dem thermochemischen Wärmespeicher 112 zugeführt zu werden.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte zweite Ausführungsform des Energiesystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 5 dargestellte dritte Ausführungsform eines Energiesystems 100 unterscheidet sich von der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Wasserstoffverbraucher 104 mit der Verdampfungsvorrichtung 124 und/oder der Kondensationsvorrichtung 126 thermisch gekoppelt ist.
Somit kann bei der in 5 dargestellten dritten Ausführungsform insbesondere Abwärme, welche im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers 104 entsteht, zum Verdampfen von Reaktionsmedium 118 genutzt werden.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte dritte Ausführungsform des Energiesystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 dargestellte vierte Ausführungsform eines Energiesystems 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Energiesystem 100 eine Wasserstoffquelle 132 umfasst.
Die Wasserstoffquelle 132 ist beispielsweise eine Elektrolysevorrichtung 134, mittels welcher unter Verwendung von elektrischem Strom Wasserstoff bereitstellbar ist.
Die Elektrolysevorrichtung 134 ist somit insbesondere an den Wasserstoffanschluss 128 angeschlossen und ermöglicht das Bereitstellen und Zuführen von Wasserstoff zu dem Wasserstoffspeicherbehälter 108.
Wie 6 zu entnehmen ist, kann ferner vorgesehen sein, dass der Wasserstoffquelle 132 Reaktionsmedium 118 zugeführt wird oder zuführbar ist, wenn dieses Reaktionsmedium 118 beim Beladen des Wasserstoffspeicherbehälters 108 mit Wasserstoff sowie dem hieraus resultierenden gleichzeitigen Beladen des thermochemischen Wärmespeichers 112 mit Wärme aus dem Behälter 115 für thermochemisches Wärmespeichermaterial 114 abgeführt wird. Hierdurch kann die Effizienz der Wasserstoffquelle 132 optimiert werden.
Der sich hieraus ergebende Verbrauch von Reaktionsmedium 118 kann vorzugsweise kompensiert werden, indem zu einem späteren Zeitpunkt im Betrieb des Wasserstoffverbrauchers 104 entstehendes Reaktionsmedium 118 nicht an die Umgebung abgegeben, sondern dem Behälter 120 für Reaktionsmedium 118 zugeführt wird.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte vierte Ausführungsform des Energiesystems 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen des Energiesystems 100 ist vorzugsweise vorgesehen, dass das hydridbildende Material 110 Magnesium und/oder Calcium umfasst, so dass sich beim Beladen desselben mit Wasserstoff Magnesiumhydrid bzw. Calciumhydrid bildet.
Ferner umfasst das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 vorzugsweise Magnesium und/oder Calcium. Beispielsweise kann das thermochemische Wärmespeichermaterial 114 im entladenen Zustand (kein aufgenommenes Reaktionsmedium 118) aus Magnesiumoxid (MgO) und/oder Calciumoxid (CaO) gebildet sein.
Bei einem derartigen System kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Absorption (Aufnahme) von Wasserstoff im hydridbildenden Material 110, insbesondere zur Bildung von Magnesiumhydrid, ein Druck von ungefähr 10 bar eingestellt wird. Dies erfordert eine Wärmeabfuhr der exothermen Reaktionswärme bei der Gleichgewichtstemperatur der Hydridreaktion von ungefähr 370 °C. Diese Wärme muss folglich beispielsweise bei einer um mindestens ungefähr 10 K tieferen Temperatur durch endotherme Reaktion in dem thermochemischen Wärmespeicher 112 gespeichert werden, insbesondere durch Wasserdampfabgabe des Magnesiumhydroxids. Hierfür muss der Wasserdampfdruck (Wasserdampfpartialdruck) über dem Magnesiumhydroxid vorzugsweise weniger als 12 bar betragen. Vorzugsweise werden hier noch geringere Druckniveaus vorgesehen.
Für die Desorption von Wasserstoff wird vorzugsweise ein Wasserstoffdruck von 2 bar vorgegeben, insbesondere um eine Brennstoffzellenvorrichtung 106 zuverlässig zu versorgen. Hierzu muss dem hydridbildenden Material 110 vorzugsweise Wärme auf einem Temperaturniveau von ungefähr 305 °C zugeführt werden. Beispielsweise unter Berücksichtigung einer Temperaturdifferenz zwischen dem thermochemischen Wärmespeicher 112 als Wärmequelle und dem Wasserstoffspeicherbehälter 108 als Wärmesenke ist dann beispielsweise ein Wasserdampfdruck im thermochemischen Wärmespeicher 112 von ungefähr 4 bar erforderlich, um die erforderliche Wärmemenge durch exotherme Reaktion mit dem Magnesiumoxid zu erreichen. Vorzugsweise können hier auch höhere Drücke als ungefähr 4 bar, beispielsweise bis ungefähr 20 bar, realisiert werden.
Im Vergleich mit einem Latentwärmespeicher bietet der thermochemische Wärmespeicher 112 vorzugsweise eine wesentlich geringere Masse bei gleicher Speicherleistung. Beispielsweise kann zur Speicherung von einem Kilogramm Wasserstoff in einem Magnesiumhydrid mit einer Reaktionsenthalpie von 75 kJ/molH₂ eine Magnesiumhydroxidmenge von 27 kg zur Wärmespeicherung ausreichen, während bei einem bekannten Latentwärmespeichermaterial (Mg₆₉Zn₂₈Al₃) mit einer Schmelzenthalpie von 175 kJ/kg eine Masse von ungefähr 210 kg erforderlich wäre.
Das beschriebene Energiesystem 100 ist durch die Verwendung des thermochemischen Wärmespeichers 112 somit deutlich leichter als ein vergleichbares Latentwärmespeichersystem. Zudem ist beispielsweise Magnesium(hydrid) als hydridbildendes Material 110 ungefährlich, einfach verfügbar und kostengünstig.
Das Energiespeichersystem 100 eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in stationären oder mobilen Anwendungen, beispielsweise bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.
Da die Kombination aus Wasserstoffspeicherbehälter 108 und thermochemischem Wärmespeicher 112 vorzugsweise nach außen hin adiabat ist, stellen hohe Betriebstemperaturen von beispielsweise bis zu 400 °C vorzugsweise keine Beschränkung dar.
Insbesondere dann, wenn die Speichervorrichtung 102 in einem wasserdampfbetriebenen System zum Einsatz kommt, kann auch eine Integration des Reaktionsmediumteils der Speichervorrichtung 102 in die bestehende Wasserdampfinfrastruktur erfolgen.
Bezugszeichenliste

100: Energiesystem
102: Speichervorrichtung
104: Wasserstoffverbraucher
106: Brennstoffzellenvorrichtung
108: Wasserstoffspeicherbehälter
110: hydridbildendes Material
112: thermochemischer Wärmespeicher
114: thermochemisches Wärmespeichermaterial
115: Behälter
116: thermische Kopplung
118: Reaktionsmedium
120: Behälter
122: Mediumleitung
124: Verdampfungsvorrichtung
126: Kondensationsvorrichtung
128: Wasserstoffanschluss
130: Wasserstoffleitung
132: Wasserstoffquelle
134: Elektrolysevorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8636834 B2 [0002]

Claims

Speichervorrichtung (102) zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff, umfassend: – einen Wasserstoffspeicherbehälter (108), welcher mit einem hydridbildenden Material (110) gefüllt ist, und – einen thermochemischen Wärmespeicher (112), welcher mit einem thermochemischen Wärmespeichermaterial (114) gefüllt und thermisch mit dem Wasserstoffspeicherbehälter (108) gekoppelt ist.
Speichervorrichtung (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydridbildende Material (110) Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) umfasst und/oder in einem entladenen Zustand durch Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) gebildet ist.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial (114) Magnesium (Mg) und/oder Calcium (Ca) umfasst und/oder in einem entladenen Zustand durch Magnesiumoxid (MgO) und/oder Calciumoxid (CaO) gebildet ist.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (102) einen Behälter für ein Reaktionsmedium (118) umfasst, welches zum Entladen oder zum Beladen des thermochemischen Wärmespeichers (112) mit Wärme dem thermochemischen Wärmespeichermaterial (114) zuführbar ist.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial (114) in einem entladenen Zustand und/oder in einem beladenen Zustand im festen Aggregatzustand vorliegt.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeichermaterial (114) in einem mit Reaktionsmedium (118) beladenen Zustand Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) umfasst oder durch Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) gebildet ist.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffspeicherbehälter (108) und der thermochemische Wärmespeicher (112) ein im Wesentlichen thermisch geschlossenes System bilden.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (102) (i) eine Kondensationsvorrichtung (126) zur Kondensation eines Reaktionsmediums (118) und/oder (ii) eine Verdampfungsvorrichtung (124) zum Verdampfen eines Reaktionsmediums (118) umfasst.
Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffspeicherbehälter (108) zumindest abschnittsweise von dem thermochemischen Wärmespeicher (112) umgeben, insbesondere ummantelt, ist oder dass der Wasserstoffspeicherbehälter (108) und der thermochemische Wärmespeicher (112) durch alternierend angeordnete plattenförmige Elemente gebildet sind.
Energiesystem (100), umfassend einen Wasserstoffverbraucher (104), insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung (106), und eine Speichervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Energiesystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffverbraucher (104) thermisch mit einer Verdampfungsvorrichtung (124) der Speichervorrichtung (102) gekoppelt ist.
Energiesystem (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiesystem (100) eine Wasserstoffquelle (132), insbesondere eine Elektrolysevorrichtung (134), umfasst, welcher beim Entladen des thermochemischen Wärmespeichers (112) aus demselben entferntes Reaktionsmedium (118) zuführbar ist.
Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff, umfassend: – Zuführen von Wasserstoff zu einem hydridbildenden Material (110) zum Beladen desselben mit Wasserstoff; – Übertragen von bei diesem Beladen entstehender Wärme auf ein thermochemisches Wärmespeichermaterial (112).
Verfahren zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wasserstoff, insbesondere nach Anspruch 13, umfassend: – Zuführen von Reaktionsmedium (118) zu einem thermochemischen Wärmespeichermaterial (112), welches mit dem Reaktionsmedium (118) exotherm reagiert; – Übertragen von dabei entstehender Wärme auf ein hydridbildendes Material (110).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasser ausgebildetes Reaktionsmedium (118) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (106) erzeugt und dem thermochemischen Wärmespeichermaterial (114) zugeführt wird.