DE102016202259B4 - High-temperature electrolysis apparatus and method for performing a high-temperature electrolysis - Google Patents
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Abstract
Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, miteinem Hochtemperatur-Elektrolyseur (12),einem Parabolspiegel (14), in dessen Brennpunkt ein Receiver (16) zum Empfangen einer angeordnet ist,wobei der Receiver (16) einen Stirlingmotor (18) aufweist, dessen Expansionszylinder (20) die durch die konzentrierte Sonnenstrahlung erzeugte Wärme zugeführt wird,wobei durch den Stirlingmotor (18) ein Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie erfolgt, die dem Hochtemperaturelektrolyseur (12) zugeführt wird,dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (16) einen Brenner (22) zum Verbrennen eines Brennstoffs aufweist, dessen Wärme ebenfalls dem Expansionszylinder (20) des Stirlingmotors zuführbar ist,wobei die Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) einen Verdampfen von Wasser aufweist, dem ein Teil der im Brenner (22) entstehenden Wärmeenergie zuführbar ist, wobei der Zuführen des Wasserdampfs indirekt mit dem Hochtemperaturelektrolyseur (12) verbunden ist,wobei der Ausgang des Verdampfers (24) zum weiteren Aufheizen des Wasserdampfs mit mindestens einem Wärmetauscher (26, 28) verbunden ist, dessen Wärmezuführleitung (26a, 28a) mit einer Ausgangsleitung (12b, 12c) verbunden ist, die ihm erhitzten Wasserstoff und/oder Sauerstoff vom Ausgang des Hochtemperaturelektrolyseurs (12) zuführt.High-temperature electrolysis apparatus (10) for splitting water into hydrogen and oxygen, comprising a high-temperature electrolyzer (12), a parabolic mirror (14), at the focal point of which a receiver (16) is arranged to receive one, the receiver (16) having a Stirling engine (18), the expansion cylinder (20) is supplied to the heat generated by the concentrated solar radiation, wherein by the Stirling engine (18) is a conversion of heat energy into electrical energy, which is the high temperature electrolyzer (12) supplied, characterized in that the receiver (16) has a burner (22) for burning a fuel, the heat of which can also be supplied to the expansion cylinder (20) of the Stirling engine, the high-temperature electrolysis device (10) having an evaporation of water, which is part of the burner ( 22) resulting heat energy can be supplied, wherein the supply of water vapor indirectly with the Hochtemperaturele ktrolyseur (12) is connected, wherein the output of the evaporator (24) for further heating of the water vapor with at least one heat exchanger (26, 28) is connected, the heat supply line (26 a, 28 a) with an output line (12 b, 12 c) is connected, supplying the heated hydrogen and / or oxygen from the outlet of the high-temperature electrolyzer (12) to it.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturelektrolysevorrichtung sowie ein Verfahren zum Durchführen einer Hochtemperatur-Elektrolyse.The invention relates to a high-temperature electrolysis apparatus and to a method for carrying out high-temperature electrolysis.
In den vergangenen Jahren wurde verstärkt die Nutzung von Wasserstoff als alternativen Energielieferant untersucht. Wasserstoff wird heute vor allem durch thermische Verfahren aus fossilen Brennstoffen (Erdgas, Schweröl, Kohle) oder als Nebenprodukt in der chemischen Industrie gewonnen. Eine andere Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist das Elektrolyseverfahren, das heißt die elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei diesem Prozess kann bei hohen Temperaturen ein Teil der zur Wasserspaltung notwendigen Energie als Hochtemperaturwärme eingekoppelt werden, so dass der Bedarf an elektrischer Energie verringert werden kann. In diesem Fall spricht man von einer Hochtemperatur-Elektrolyse. Hier ist ein Mix aus elektrischer Energie und Wärmeenergie notwendig, um Wasserdampf bei einer Temperatur von 700 - 1.000 °C zu spalten.In recent years, the use of hydrogen as an alternative energy supplier has been increasingly investigated. Today, hydrogen is mainly obtained by thermal processes from fossil fuels (natural gas, heavy oil, coal) or as a by-product in the chemical industry. Another possibility for hydrogen production is the electrolysis process, that is the electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen. In this process, at high temperatures, part of the energy required for water splitting can be coupled in as high-temperature heat, so that the demand for electrical energy can be reduced. In this case one speaks of a high-temperature electrolysis. Here is a mix of electrical energy and heat energy necessary to split water vapor at a temperature of 700 - 1,000 ° C.
Der thermische Energiebedarf für die Hochtemperaturelektrolyse kann beispielsweise auch durch konzentrierende Solarsysteme bereitgestellt werden. Hierzu kann beispielsweise ein Parabolspiegel verwendet werden, der die Sonnenstrahlung auf einen Brennpunkt fokussiert. Konzentrierende Solarsysteme haben den Nachteil, dass sie stark vom Wetter abhängig sind. Dies führt zu einer fluktuierenden Energieform, die keinen kontinuierlichen Betrieb der Anlage zur Hochtemperatur-Elektrolyse erlaubt. Weiterhin führt die Energiefluktuation zu einer mechanischen Belastung des Hochtemperatur-Elektrolyseurs, so dass seine Lebensdauer verringert wird. Dies wurde beispielsweise im Rahmen des EU-Projektes Adel gezeigt. Im Stand der Technik wird somit zur Vermeidung dieses Nachteils ein Energiespeicher verwendet, der mit hohen Investitionskosten verbunden ist.The thermal energy requirement for high-temperature electrolysis can also be provided by concentrating solar systems, for example. For this purpose, for example, a parabolic mirror can be used, which focuses the solar radiation to a focal point. Concentrating solar systems have the disadvantage that they are heavily dependent on the weather. This leads to a fluctuating energy form that does not allow continuous operation of the plant for high-temperature electrolysis. Furthermore, the energy fluctuation leads to a mechanical load of the high-temperature electrolyzer, so that its life is reduced. This was shown, for example, in the framework of the EU project Adel. In the prior art, an energy storage device is thus used to avoid this disadvantage, which is associated with high investment costs.
Weiterhin weist ein Hochtemperatur-Elektrolyseur einen sehr hohen elektrischen Energiebedarf auf.Furthermore, a high-temperature electrolyzer on a very high electrical energy consumption.
beschreibt die Verwendung eines Parabolspiegels in Verbindung mit einem Stirlingmotor, um elektrische Energie für eine Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung bereit zu stellen.describes the use of a parabolic mirror in conjunction with a Stirling engine to provide electrical energy for a high temperature electrolyzer.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen einer Hochtemperatur-Elektrolyse zu schaffen, das eine effizientere Bereitstellung der benötigten elektrischen Energie erlaubt.The object of the invention is to provide an apparatus and a method for performing a high-temperature electrolysis, which allows a more efficient provision of the required electrical energy.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.The object is achieved according to the invention by the features of
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff weist einen Hochtemperatur-Elektrolyseur auf. Ferner weist sie einen Parabolspiegel auf, in dessen Brennpunkt ein Receiver zum Empfangen einer konzentrierten Sonnenstrahlung angeordnet ist.The high-temperature electrolysis device according to the invention for splitting water into hydrogen and oxygen has a high-temperature electrolyzer. Furthermore, it has a parabolic mirror, at the focal point of which a receiver for receiving concentrated solar radiation is arranged.
Der Receiver weist einen Stirlingmotor auf, dessen Expansionszylinder die durch die konzentrierte Sonnenstrahlung erzeugte Wärme zugeführt wird. The receiver has a Stirling engine whose expansion cylinder is supplied with the heat generated by the concentrated solar radiation.
Durch den Stirlingmotor erfolgt ein Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie, die dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt wird. Stirlingmotoren sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Ein geeigneter Stirlingmotor ist beispielsweise das Modell V160/V161 das von Schlaich Bergerman und Partner zusammen mit SOLO entwickelt wurde. Die grundsätzliche Funktionsweise eines Stirlingmotors ist aus dem Stand der Technik bekannt.By the Stirling engine, a conversion of heat energy into electrical energy, which is supplied to the high-temperature electrolyzer. Stirling engines have long been known in the art. A suitable Stirling engine, for example, the model V160 / V161 which was developed by Schlaich Bergerman and Partner together with SOLO. The basic operation of a Stirling engine is known from the prior art.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kombiniert somit erstmalig einen Solarreceiver zum empfangen einer Konzentrierten Sonnenstrahlung mit einem Stirlingmotor und einem Hochtemperatur-Elektrolyseur. Hierdurch kann in besonders effizienter Weise die für den Hochtemperatur-Elektrolyseur benötigte elektrische Energie bereitgestellt werden.The device according to the invention thus combines for the first time a solar receiver for receiving a concentrated solar radiation with a Stirling engine and a high-temperature electrolyzer. As a result, the electrical energy required for the high-temperature electrolyzer can be provided in a particularly efficient manner.
Der Receiver weist einen Brenner zum Verbrennen eines Brennstoffs, insbesondere Biogas auf, dessen Wärme ebenfalls dem Expansionszylinder des Stirlingmotors zuführbar ist.The receiver has a burner for burning a fuel, in particular biogas, whose heat can also be fed to the expansion cylinder of the Stirling engine.
Es ist vorgesehen, dass ein Teil der im Brenner entstehenden Wärmeenergie einem Verdampfer zuführbar ist, durch den ein Verdampfen von Wasser erfolgt, wobei ein Zuführen des Wasserdampfs an den Hochtemperatur-Elektrolyseur erfolgt.It is envisaged that a part of the heat energy produced in the burner can be supplied to an evaporator, through which an evaporation of water takes place, whereby a supply of the water vapor to the high-temperature electrolyzer takes place.
Durch die genannte Vorrichtung ist somit ein ununterbrochener und gleichbleibender Betrieb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs möglich. Insbesondere ist es möglich, den Hochtemperatur-Elektrolyseur konstant mit Energie und Elektrizität zu versorgen. Lässt beispielsweise aufgrund von Wetteränderungen die durch die Sonnenstrahlung erzeugte Wärme nach, so kann die Leistung des Brenners erhöht werden, damit dem Hochtemperatur-Elektrolyseur über den Stirlingmotor nach wie vor genug Elektrizität zugeführt werden kann.By the said device is thus an uninterrupted and constant operation of the high-temperature electrolyzer possible. In particular, it is possible to constantly supply the high-temperature electrolyzer with energy and electricity. If, for example, the heat generated by solar radiation decreases as a result of changes in the weather, the output of the burner can be increased so that the high-temperature Electrolyzer on the Stirling engine is still enough electricity can be supplied.
Gleichzeitig ist eine separate Energiequelle zum Zuführen von Wärmeenergie zum Hochtemperatur-Elektrolyseur nicht notwendig, da durch einen Teil der im Brenner entstehenden Wärme ein Verdampfen des Wassers erfolgt. Dieser Wasserdampf wird dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt.At the same time, a separate energy source for supplying heat energy to the high-temperature electrolyzer is not necessary, since evaporation of the water takes place through part of the heat produced in the burner. This water vapor is fed to the high-temperature electrolyzer.
Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ausgang des Verdampfers zum weiteren Aufheizen des Wasserdampfs mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist, dessen Wärmezuführleitung mit einer Ausgangsleitung verbunden ist, die ihm erhitzten Wasserstoff und/oder Sauerstoff vom Ausgang des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zuführt. Die Wärmezuführleitung des Wärmetauschers ist diejenige Leitung, über die dem Wärmetauscher das wärmeabgebende Fluid zugeführt wird. Durch das genannte Merkmal ist es möglich, die im erhitzten Wasserstoff und/oder Sauerstoff aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur befindliche Energie zum weiteren Aufheizen des Wasserdampfs zu nutzen. Dieser kann hierdurch bevorzugt auf eine Temperatur von 700 - 1.000 °C aufheizen.It is further provided according to the invention that the output of the evaporator is connected to further heat the water vapor with at least one heat exchanger, the heat supply is connected to an output line which supplies him heated hydrogen and / or oxygen from the outlet of the high-temperature electrolyzer. The heat supply line of the heat exchanger is the line through which the heat-emitting fluid is supplied to the heat exchanger. By said feature, it is possible to use the energy contained in the heated hydrogen and / or oxygen from the high-temperature electrolyzer for further heating of the water vapor. This can thereby preferably heat to a temperature of 700-1,000 ° C.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Ausgang des Verdampfers zum weiteren Aufheizen des Wasserdampfs mit einem ersten Wärmetauscher verbunden ist, dessen Wärmezuführleitung mit einer Sauerstoffausgangsleitung verbunden ist, die ihm erhitzten Sauerstoff vom Ausgang des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zuführt. Weiterhin ist der Ausgang des Verdampfers mit einem zweiten Wärmetauscher verbunden, dessen Wärmezuführleitung mit einer Wasserstoffausgangsleitung verbunden ist, die ihm erhitzten Wasserstoff vom Ausgang des Hochtemperatur-Elektrolyseurs zuführt. Die im ersten und zweiten Wärmetauscher erhitzten Wasserströme werden anschließend dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt. Hierdurch ist es möglich, sowohl die im erhitzten Wasserstoff als auch die im erhitzten Sauerstoff vorhandene Wärmeenergie zu nutzen.Furthermore, it is preferred that the outlet of the evaporator for further heating of the steam is connected to a first heat exchanger whose heat supply line is connected to an oxygen outlet line which supplies it with heated oxygen from the outlet of the high-temperature electrolyzer. Furthermore, the outlet of the evaporator is connected to a second heat exchanger whose heat supply line is connected to a hydrogen outlet line, which supplies it with heated hydrogen from the outlet of the high-temperature electrolyzer. The heated in the first and second heat exchanger water streams are then fed to the high-temperature electrolyzer. This makes it possible to use both the heat energy present in the heated hydrogen and in the heated oxygen.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Vorrichtung einen Kondensor aufweist, der mit der Wasserstoffausgangsleitung des Hochtemperatur-Elektrolyseurs verbunden ist. Der Kondensor dient dazu, das nicht umgesetzte Wasser aus dem Wasserstoffstrom zum entfernen.It is further preferred that the device has a condenser which is connected to the hydrogen outlet line of the high-temperature electrolyzer. The condenser serves to remove the unreacted water from the hydrogen stream.
Alternativ kann dieser Kondensor mit der Abführleitung zum Abführen des wärmegebenden Fluids des zweiten Wärmetauschers verbunden sein.Alternatively, this condenser may be connected to the discharge line for discharging the heat-generating fluid of the second heat exchanger.
Weiterhin weist die Vorrichtung bevorzugt einen Kompressor auf, der dem Hochtemperatur-Elektrolyseur nachgeschaltet ist. Dieser dient zum Komprimieren des Wasserstoffs aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur.Furthermore, the device preferably has a compressor, which is connected downstream of the high-temperature electrolyzer. This serves to compress the hydrogen from the high-temperature electrolyzer.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Durchführen einer Hochtemperatur-Elektrolyse, unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie bisher beschrieben wurde. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Konzentrieren von Sonnenstrahlung durch einen Parabolspiegel zu einem in dessen Brennpunkt angeordneten Receiver,
- Zuführen der durch die konzentrierte Sonnenstrahlung erzeugten Wärme zum Expansionszylinder eines im Receiver angeordneten Stirlingmotors,
- Zuführen der durch den Stirlingmotor erzeugte elektrischen Energie zu einem Hochtemperaturelektrolyseur.
- Concentrating solar radiation through a parabolic mirror to a receiver arranged in its focal point,
- Supplying the heat generated by the concentrated solar radiation to the expansion cylinder of a Stirling engine arranged in the receiver,
- Supplying the electrical energy generated by the Stirling engine to a high temperature electrolyzer.
das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte:
- zusätzliches oder alternatives Zuführen einer durch einen Brenner erzeugten Wärmeenergie zum Expansionszylinder des Stirlingmotors,
- Zuführen eines Teils der im Brenner entstandenen Wärme zu einem Verdampfer, durch den ein Verdampfen von Wasser erfolgt, wobei ein Zuführen des Wasserdampfs an den Hochtemperaturelektrolyseur erfolgt.
- additionally or alternatively supplying heat energy generated by a burner to the expansion cylinder of the Stirling engine,
- Supplying a portion of the heat generated in the burner to an evaporator, through which an evaporation of water takes place, wherein a supply of water vapor to the high-temperature electrolyzer takes place.
In bevorzugter Ausführungsform erfolgt ein Erhöhen der dem Expansionszylinder des Stirlingmotors durch den Brenner zugeführten Wärmeenergie, wenn die durch die Sonnenstrahlung erzeugte Wärmeenergie einen definierten Schwellwert unterschreitet und/oder für den Betrieb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs nicht ausreicht.In a preferred embodiment, the heat energy supplied to the expansion cylinder of the Stirling engine by the burner is increased when the heat energy generated by the solar radiation falls below a defined threshold value and / or is insufficient for the operation of the high-temperature electrolyzer.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche Merkmale aufweisen, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wurden und umgekehrt.The method according to the invention can have all the features which have been described in connection with the device according to the invention and vice versa.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung, -
2 eine Ausführungsform eines Parabolspiegels, -
3 eine Ausführungsform eines Receivers.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the high-temperature electrolysis apparatus according to the invention, -
2 an embodiment of a parabolic mirror, -
3 an embodiment of a receiver.
Für ein besseres Verständnis der Bewegungsrichtung der verschiedenen Fluide sind diese in
Im hybriden Receiver
Im Hochtemperatur-Elektrolyseur
Der Strom Sauerstoff
Die solare Wasserstofferzeugung kann zentral mit mehreren Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtungen stattfinden. In dieser Ausführungsform können mehrere Hochtemperatur-Elektrolyseure vorgesehen sein, beispielsweise einer für jeden Parabolspiegel.Solar hydrogen production can take place centrally with several high temperature electrolyzers. In this embodiment, a plurality of high-temperature electrolyzers may be provided, for example one for each parabolic mirror.
Ein Parabolspiegel
Der Parabolspiegel
Das Nachführen des Parabolspiegels durch das Trackingsystem kann entweder durch einen Trackingsensor, der den Sonnenstand detektiert, erfolgen oder durch ein Computerprogramm, das die Position der Sonne vorhersagt.The tracking of the parabolic mirror by the tracking system can be done either by a tracking sensor that detects the position of the sun, or by a computer program that predicts the position of the sun.
Die Frontseite des Parabolspiegels kann mit einer Vielzahl von Spiegelsegmenten beklebt sein, so dass eine hohe Reflektivität von ca. 94 % erreicht werden kann.The front of the parabolic mirror can be covered with a variety of mirror segments, so that a high reflectivity of about 94% can be achieved.
Der Receiver
In
Zusätzlich oder alternativ zu der Sonnenenergie kann dem Stirlingmotor
In
Nachdem der Verbrennungsluft Biogas zugeführt wurde, werden diese beiden Komponenten in der in
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