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.

DE 10 2009 036 005 A1 beschreibt die Nutzung von Abwärme thermodynamischer Prozesse zur Erwärmung von Wasser für die Hochtemperatur-Elektrolyse. DE 10 2009 036 005 A1 describes the use of waste heat from thermodynamic processes to heat water for high-temperature electrolysis.

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 claims 1 and 8.

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.
The invention further relates to a method for carrying out a high-temperature electrolysis, using a device as has been described so far. The method comprises the following steps:
  • 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.
the procedure the following additional steps:
  • 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.
Show it:
  • 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.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung 10. Die Sonnenstrahlung wir durch den Parabolspiegel 14 auf den Receiver 16 konzentriert. Der Receiver 16 ist das Bindeglied zwischen dem Parabolspiegel 14 und dem Stirlingmotor 18. Er muss die Solarstrahlung zu einem hohen Anteil absorbieren und zugleich infrarote Abstrahlung minimieren. Die durch den Receiver 16 absorbierte konzentrierte Solarstrahlung wird dazu verwendet, das Arbeitsmedium des Stirlingmotors 18 zu erhitzen. Hierzu kann beispielsweise Helium verwendet werden, das bei einem mittleren Druck von 150 bar eine Gastemperatur von 650 °C erreicht. Die innere Energie des Arbeitsgases wird in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt. An der Kurbelwelle des Stirlingmotors kann ein Generator, beispielsweise ein Asynchrongenerator, angebracht sein, durch den die Rotation der Abtriebswelle des Stirlingmotors 18 in Elektrizität umgewandelt wird. 1 shows the basic structure of an embodiment of the high-temperature electrolysis device according to the invention 10 , The solar radiation through the parabolic mirror 14 on the receiver 16 concentrated. The receiver 16 is the link between the parabolic mirror 14 and the Stirling engine 18 , He must absorb the solar radiation to a high extent and at the same time minimize infrared radiation. The through the receiver 16 absorbed concentrated solar radiation is used to the working medium of the Stirling engine 18 to heat. For this example, helium can be used, which reaches a gas temperature of 650 ° C at an average pressure of 150 bar. The internal energy of the working gas is converted into usable mechanical work. On the crankshaft of the Stirling engine, a generator, such as an asynchronous generator, be mounted, through which the rotation of the output shaft of the Stirling engine 18 is converted into electricity.

Für ein besseres Verständnis der Bewegungsrichtung der verschiedenen Fluide sind diese in 1 entlang der Leitungen mit aufsteigenden Nummern gekennzeichnet.For a better understanding of the direction of movement of the different fluids these are in 1 marked along the lines with ascending numbers.

Im hybriden Receiver 16 wird ein Gemisch aus Biogas (Strom Biogas2) und Luft (Strom Luft 3) verbrannt, um zusätzliche Wärme zu generieren, die dem Stirlingmotor 18 zugeführt wird. Das Verbrennungsgas (Strom Abgas 1) wird dazu verwendet, das Wasser des Elektrolyseprozesses im Verdampfer 24 zu verdampfen. Nach der Verdampfung erfolgt die Überhitzung des Wassers auf die Betriebstemperatur des Elektrolyseurs 12 (ca. 700 °C) im Wärmerückgewinnungssystem, das die beiden Wärmetauscher 26, 28 aufweist. Um eine bessere Ausnutzung der Wärme in diesem Wärmerückgewinnungssystem zu erzielen, wird der Wasserstrom Wasser 3 in zwei Teilströme aufgeteilt (Wasser 4 und Wasser 5). Der Teilstrom Wasser 4 wird durch den aus dem Elektrolyseur 12 austretenden Strom Sauerstoff 1 überhitzt, während der Teilstrom Wasser 5 durch den Strom Wasserstoff 1 überhitzt wird, der aus Wasserstoff und nicht umgesetzten Wasser besteht. Die zwei Wasserteilströme werden dann zusammengemischt und der resultierende Strom Wasser 8 wird dem Elektrolyseur 12 zugeführt.In the hybrid receiver 16 is a mixture of biogas (electricity biogas 2 ) and air (electricity air 3 ) burned to generate extra heat, which is the Stirling engine 18 is supplied. The combustion gas (stream exhaust 1 ) is used to water the electrolysis process in the evaporator 24 to evaporate. After evaporation, the water overheats to the operating temperature of the electrolyzer 12 (about 700 ° C) in the heat recovery system, the two heat exchangers 26 . 28 having. In order to better utilize the heat in this heat recovery system, the water flow becomes water 3 divided into two sub-streams (water 4 and water 5 ). The partial flow of water 4 gets through by the electrolyser 12 escaping stream of oxygen 1 overheated, while the partial flow of water 5 through the stream of hydrogen 1 is overheated, which consists of hydrogen and unreacted water. The two streams of water are then mixed together and the resulting stream is water 8th becomes the electrolyser 12 fed.

Im Hochtemperatur-Elektrolyseur 12 findet die Wasserspaltung unter Zufuhr von elektrischer Energie statt, die vom Stirlingmotor 18 bereitgestellt wird. Aus dem Elektrolyseur 12 treten zwei Ströme aus:In the high-temperature electrolyzer 12 the splitting of water takes place with the supply of electrical energy from the Stirling engine 18 provided. From the electrolyzer 12 two streams exit:

Der Strom Sauerstoff 1, der aus Sauerstoff besteht und der Strom Wasserstoff 1. Nach Verlassen des Wärmerückgewinnungssystems muss das nicht umgesetzte Wasser im Strom Wasserstoff 2 abgetrennt werden. Hierzu wird der Strom Wasserstoff 2 im Kondensor 30 oder Wärmetauscher abgekühlt. Als Kühlmedium dient Umgebungsluft (Strom Luft 4). Das Produktgas, das nunmehr nur aus Wasserstoff besteht, wird im nachgeschalteten Kompressor 32 komprimiert und kann ins Erdgasnetz eingespeist werden oder in einem Tank gespeichert werden.The stream of oxygen 1 which consists of oxygen and the stream of hydrogen 1 , After leaving the heat recovery system, the unreacted water in the stream must be hydrogen 2 be separated. For this purpose, the stream becomes hydrogen 2 in the condenser 30 or cooled heat exchanger. The cooling medium is ambient air (stream of air 4 ). The product gas, which now consists only of hydrogen, is in the downstream compressor 32 compressed and can be fed into the natural gas network or stored in a tank.

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 14 ist in 2 dargestellt. Dieser ist über Stützstreben 34 mit dem Receiver 16, der den Stirlingmotor 18 aufweist, verbunden.A parabolic mirror 14 is in 2 shown. This one is about support struts 34 with the receiver 16 who made the Stirling engine 18 has connected.

Der Parabolspiegel 14 wird durch ein Trackingsystem dem Sonnenverlauf nachgeführt. Dies erfolgt durch eine Rotation um zwei Achsen.The parabolic mirror 14 is tracked by a tracking system the course of the sun. This is done by a rotation about two axes.

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 16, der im Brennpunkt des Parabolspiegels 14 angeordnet ist, wird dazu verwendet, die konzentrierte Sonnenstrahlung so weit wie möglich zu absorbieren und in Form von Wärme dem Stirlingmotor 18 zuzuführen. Hierzu kann der Receiver direkt mit den Zylinderköpfen des Stirlingmotors 18 verbunden sein. Der Receiver 16 muss derart ausgebildet sein, dass die absorbierte Wärme dem Stirlingmotor 18 mit den geringsten möglichen Verlusten zugeführt wird. Der Receiver kann sehr dünne Leitungen aufweisen, die beispielsweise einen Durchmesser von ca. 3 mm haben und die sehr hohen Temperaturen widerstehen können. Durch die Vielzahl dieser Leitungen wird eine annähernd geschlossene Fläche gebildet, die als Absorber-Oberfläche fungiert. Auf diese trifft die konzentrierte Sonnenstrahlung. Durch die dünnen Leitungen fließt das Arbeitsgas für den Stirlingmotor 18 und kann auf ca. 650 °C erhitzt werden. Die Sonnenstrahlung wird somit durch die poröse Struktur des Receivers 16 absorbiert und die absorbierte Wärme wird auf das Arbeitsmedium des Stirlingmotors 18 übertragen. Die innere Energie des Arbeitsmediums wird im Stirlingmotor in nutzbare mechanische Arbeit umgesetzt.The receiver 16 , the focal point of the parabolic mirror 14 is used to absorb the concentrated solar radiation as much as possible and in the form of heat the Stirling engine 18 supply. For this purpose, the receiver directly with the cylinder heads of the Stirling engine 18 be connected. The receiver 16 must be designed so that the heat absorbed the Stirling engine 18 is supplied with the least possible losses. The receiver can have very thin lines, for example, have a diameter of about 3 mm and can withstand very high temperatures. Due to the multiplicity of these lines, an approximately closed surface is formed, which acts as an absorber surface. This is where the concentrated solar radiation meets. The working gas flows through the thin lines for the Stirling engine 18 and can be heated to about 650 ° C. The solar radiation is thus due to the porous structure of the receiver 16 absorbed and absorbed heat is transferred to the working fluid of the Stirling engine 18 transfer. The internal energy of the working medium is converted into usable mechanical work in the Stirling engine.

In 3 ist eine Ausführungsform des hybriden Receivers 16 näher dargestellt. Dieser weist den Stirlingmotor 18 auf, der von der linken Seite des Receivers durch konzentrierte Sonnenstrahlung erzeugte Wärme zugeführt wird. Die Sonnenstrahlung trifft auf das flächige Absorberelement 36, das, wie bereits beschrieben, eine Vielzahl von Leitungen aufweist, durch die das Arbeitsgas des Stirlingmotors 18 verläuft. Dieses Absorberelement 36 ist mit den beiden Zylinderköpfen des Stirlingmotors 18 verbunden.In 3 is an embodiment of the hybrid receiver 16 shown in more detail. This has the Stirling engine 18 on, which is supplied by the left side of the receiver by concentrated solar radiation heat generated. The solar radiation hits the flat absorber element 36 , which, as already described, having a plurality of lines through which the working gas of the Stirling engine 18 runs. This absorber element 36 is with the two cylinder heads of the Stirling engine 18 connected.

Zusätzlich oder alternativ zu der Sonnenenergie kann dem Stirlingmotor 18 Wärmeenergie über den Brenner 22 zugeführt werden. Dieser ist am Außenmantel des hybriden Receivers 16 angeordnet, wo die Verbrennung eines Gemisches stattfindet, dass beispielsweise Verbrennungsluft und Biogas aufweisen kann.Additionally or alternatively to the solar energy, the Stirling engine may 18 Heat energy over the burner 22 be supplied. This is on the outer jacket of the hybrid receiver 16 arranged where the combustion of a mixture takes place, for example, can have combustion air and biogas.

In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Receivers 16 mit einem Stirlingmotor 18 dargestellt. Dieser weist zum Erzeugen zusätzlicher Energie einen Brenner 22 auf, in dem die Verbrennung eines Gemisches aus Verbrennungsluft und Biogas stattfindet. Die Verbrennungsluft wird dem Brenner über die Einlassöffnung 40 zugeführt, während ihm das Biogas über die Einlassöffnung 42 zugeführt wird. Um die Effizienz des Prozesses zu steigern, wird die Verbrennungsluft durch das heiße Verbrennungsgas vorgewärmt. Dieses verlässt den Brenner durch die Abgasöffnung 44. Die Einbindung des Receivers 16 in das Gesamtsystem kann der 1 entnommen werden. Der dort dargestellte Receiver 16 entspricht dem in 3 dargestellten Receiver 16.In 3 is an exemplary embodiment of a receiver 16 with a Stirling engine 18 shown. This has a burner for generating additional energy 22 on, in which the combustion of a mixture of combustion air and biogas takes place. The combustion air is directed to the burner via the inlet opening 40 while feeding him the biogas through the inlet opening 42 is supplied. To increase the efficiency of the process, the combustion air is preheated by the hot combustion gas. This leaves the burner through the exhaust port 44 , The integration of the receiver 16 in the overall system can the 1 be removed. The receiver shown there 16 corresponds to the in 3 illustrated receiver 16 ,

Nachdem der Verbrennungsluft Biogas zugeführt wurde, werden diese beiden Komponenten in der in 3 waagerecht verlaufenden Mischleitung 46 gemischt. Anschließend wird das Gemisch durch den Flammenhalter 48 verbrannt. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet eine poröse Struktur, die die Wärme absorbiert und an den Stirlingmotor 18 weiterleitet.After biogas has been supplied to the combustion air, these two components are stored in the 3 horizontal mixing pipe 46 mixed. Subsequently, the mixture through the flame holder 48 burned. The reference number 50 refers to a porous structure that absorbs the heat and to the Stirling engine 18 forwards.

Claims (7)

Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, mit einem 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) for receiving one is arranged, wherein the receiver (16) a Stirling engine (18), the expansion cylinder (20) of which is supplied by the concentrated solar radiation heat, wherein by the Stirling engine (18) is a conversion of heat energy into electrical energy, which is supplied to the Hochtemperaturelektrolyseur (12), characterized in that the receiver (16) has a burner (22) for burning a fuel whose heat can also be supplied to the expansion cylinder (20) of the Stirling engine, the high-temperature electrolysis device (10) having a vaporization of water, which is part of the burner (22) resulting heat energy can be supplied, wherein the supply of water vapor indirectly with the high temperature aturelektrolyseur (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. Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Verdampfers (24) zum weiteren Aufheizen des Wasserdampfs mit einem ersten Wärmetauscher (26) verbunden ist, dessen Wärmezuführleitung (26a) mit einer SauerstoffAusgangsleitung (12b) verbunden ist, die ihm erhitzten Sauerstoff vom Ausgang des Hochtemperaturelektrolyseurs (12) zuführt und mit einem zweiten Wärmetauscher (28), dessen Wärmezuführleitung (28a) mit einer Wasserstoff-Ausgangsleitung (12c) verbunden ist, die ihm erhitzten Wasserstoff vom Ausgang des Hochtemperaturelektrolyseurs (12) zuführt, wobei die im ersten und zweiten Wärmetauscher (26, 28) erhitzten Wasserströme dem Hochtemperaturelektrolyseur (12) zugeführt werden.High-temperature electrolysis device (10) after Claim 1 characterized in that the outlet of the evaporator (24) is connected to a first heat exchanger (26), the heat supply duct (26a) of which is connected to an oxygen outlet duct (12b) supplying the heated oxygen from the outlet of the high temperature electrolyzer (26). 12) and with a second heat exchanger (28) whose Wärmezuführleitung (28a) is connected to a hydrogen outlet line (12c) which supplies him heated hydrogen from the outlet of the Hochtemperaturelektrolyseurs (12), wherein in the first and second heat exchangers (26 , 28) heated water streams are fed to the high temperature electrolyzer (12). Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 1-2, gekennzeichnet durch einen Kondensor (30), der mit der Wasserstoffausgangsleitung (12c) des Hochtemperaturelektrolyseurs (12) verbunden ist.High-temperature electrolysis device (10) after Claim 1 - 2 characterized by a condenser (30) connected to the hydrogen exit duct (12c) of the high temperature electrolyzer (12). Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kondensor (30), der mit der Abführleitung (28b) zum Abführen des wärmegebenden Fluids des zweiten Wärmetauschers (28) verbunden ist.High-temperature electrolysis device (10) after Claim 2 characterized by a condenser (30) connected to the discharge line (28b) for discharging the heat - generating fluid of the second heat exchanger (28). Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (10) nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet durch einen Kompressor (32), der dem Hochtemperaturelektrolyseur (12) nachgeschaltet ist zum Komprimieren des Wasserstoffs aus dem Hochtemperaturelektrolyseur.High-temperature electrolysis device (10) after Claim 1 - 4 characterized by a compressor (32) connected downstream of the high temperature electrolyzer (12) for compressing the hydrogen from the high temperature electrolyzer. Verfahren zum Durchführen einer Hochtemperatur-Elektrolyse, unter Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Konzentrieren von Sonnenstrahlung durch einen Parabolspiegel (14) zu einem in dessen Brennpunkt angeordneten Receiver (16), Zuführen der durch die konzentrierte Sonnenstrahlung erzeugten Wärme zum Expansionszylinder (20) eines im Receiver (16) angeordneten Stirlingmotors (18), Zuführen der durch den Stirlingmotor (18) erzeugten elektrischen Energie, zu einem Hochtemperaturelektrolyseur (12), gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: zusätzliches oder alternatives Zuführen einer durch einen Brenner (22) erzeugten Wärmeenergie zum Expansionszylinder (20) des Stirlingmotors (18), Zuführen eines Teils der im Brenner (22) entstandenen Wärme zu einem Verdampfer (24), durch den ein Verdampfen von Wasser erfolgt, wobei ein Zuführen des Wasserdampfs an den Hochtemperaturelektrolyseur (12) erfolgt, 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.A method of performing a high temperature electrolysis using a device (10) according to any one of Claims 1 - 4 the method comprising the following steps: Concentrating solar radiation through a parabolic mirror (14) to a receiver (16) arranged in its focus, supplying the heat generated by the concentrated solar radiation to the expansion cylinder (20) of a Stirling engine (18) arranged in the receiver (16), feeding it through the Stirling engine (18) generating electrical energy to a high temperature electrolyzer (12) characterized by the further steps of: additionally or alternatively supplying heat energy generated by a burner (22) to the expansion cylinder (20) of the stirling engine (18), supplying a portion of the burner (22) heat to an evaporator (24) through which an evaporation of water takes place, wherein supplying the water vapor to the high temperature electrolyzer (12), wherein the output of the evaporator (24) for further heating the water vapor with at least one heat exchanger (26, 28) is connected, the heat supply line (26 a, 28 a) with an A Output line (12b, 12c) is connected, which supplies him heated hydrogen and / or oxygen from the outlet of the high-temperature electrolyzer (12). Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt: Erhöhen der dem Expansionszylinder (20) des Stirlingmotors (18) durch den Brenner (22) zugeführten Wärmeenergie, wenn die durch die Sonnenstrahlung erzeugte Wärmeenergie einen definierten Schwellwert unterschreitet und/oder für den Betrieb des Hochtemperaturelektrolyseurs (12) nicht ausreicht.Method according to Claim 6 characterized by the step of: increasing the thermal energy supplied to the expansion cylinder (20) of the Stirling engine (18) by the burner (22) when the thermal energy generated by the solar radiation falls below a defined threshold and / or not for the operation of the high temperature electrolyzer (12) sufficient.
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