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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Umwandeln von Energie, wobei elektrische Energie verwendet wird, um eine Elektrolyse durchzuführen.
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Stand der Technik
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Als „Power-to-Gas“ wird ein Prozess bezeichnet, um bei einem Überangebot von elektrischer Energie, die aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird (z.B. Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Bioenergie), überschüssige Energie zwischen zu speichern. Diese überschüssige elektrische Energie wird dabei verwendet, um mittels einer Wasserelektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Oftmals wird dieser erzeugte Wasserstoff durch Methanisierung zur Herstellung von Methan bzw. synthetischem Erdgas verwendet.
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Somit kann aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und in Form des Wasserstoffs bzw. Erdgases zwischengespeichert werden. Bei Bedarf kann diese gespeicherte chemische Energie wieder rückgewonnen werden und der Wasserstoff bzw. das Erdgas kann zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
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Der Wasserstoff oder das synthetische Erdgas können beispielsweise in ein Gasnetz eingespeist und dort gelagert werden. Bei erhöhter Stromnachfrage kann Gas aus diesem Gasnetz entnommen und wieder verstromt werden. Beispielsweise kann der erzeugte Wasserstoff bzw. das synthetische Erdgas auch zum Antrieb entsprechender Kraftfahrzeuge verwendet werden.
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Ein derartiges Umwandeln und Rückgewinnen elektrischer Energie im Zuge von „Power-to-Gas“ Prozessen ist jedoch mit hohen Verlusten verbunden. Bereits bei der Methanisierung von Wasserstoff zu Methan/Erdgas treten Umwandlungsverluste auf. Bei einer Rückverstromung von Wasserstoff bzw. Erdgas treten weitere Umwandlungsverluste auf, so dass nur ca. 60% der chemischen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Es ist wünschenswert, elektrische Energie, insbesondere überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen, auf effektivere und verlustärmere Weise umwandeln und weiter verwenden zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und ein System zum Umwandeln von Energie mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße System ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung jeweils in analoger Weise.
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Elektrische Energie wird verwendet, um eine Elektrolyse durchzuführen. Wenigstens ein durch die Elektrolyse erzeugtes Elektrolyseprodukt wird verwendet, um durch einen Verbrennungsprozess thermische Energie zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird wenigstens ein durch die Elektrolyse erzeugtes Elektrolyseprodukt direkt, also ohne weitere Zwischenschritte, insbesondere ohne eine Stoffumwandlung oder Methanisierung, im Zuge eines Verbrennungsprozesses zu Verbrennungsprodukten umgesetzt, um thermische Energie zu erzeugen. Das System weist zu diesem Zweck eine entsprechende Elektrolyseeinheit und eine Verbrennungseinheit, z.B. einen Ofen mit einem Brenner, auf. Die Erfindung eignet sich für unterschiedliche Elektrolysen, im Zuge welcher Elektrolyseprodukte erzeugt werden können, die durch Verbrennungsprozesse thermisch genutzt werden können.
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Die Erfindung stellt somit eine Möglichkeit bereit, um von einem Energieerzeuger erzeugte elektrische Energie umzuwandeln und zur Versorgung eines Endanwenders bzw. Verbrauchers mit thermischer Energie zu verwenden. Im Gegensatz zu herkömmlichen „Power-to-Gas“ Prozessen wird nicht elektrische Energie in chemische umgewandelt und anschließend wieder in elektrische Energie zurück gewandelt. Stattdessen wird im Rahmen der Erfindung elektrische in chemische Energie umgewandelt und diese chemische Energie wird direkt in thermische Energie umgewandelt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei einer derartigen direkten Umwandlung von chemischer in thermische Energie erheblich weniger Wandlungsverluste auftreten, als bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.
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Zwar ist es bei einer Rückverstromung im Zuge von „Power-to-Gas“ Prozessen denkbar, indirekt bzw. mittelbar thermische Energie zu erzeugen, indem eine Abwärme bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie weiter verwendet wird. Jedoch ist, wie eingangs erwähnt, eine derartige Rückverstromung von chemischer Energie mit hohen Verlusten verbunden. Darüber hinaus entsteht bei dieser Rückverstromung nur vergleichsweise wenig Abwärme und somit wenig thermische Energie, insbesondere auf einem niedrigen Temperaturniveau. Daher können sowohl elektrische als auch thermische Energie bei derartiger Rückverstromung jeweils nur mit einem geringen Wirkungsgrad erzeugt werden.
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Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung die chemische Energie in dem Elektrolyseprodukt direkt und unmittelbar in thermische Energie durch den Verbrennungsprozess umgewandelt, was mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad und geringen Wandlungsverlusten durchgeführt werden kann. Je nach Art des Verbrennungsprozesses und/oder der verwendeten Verbrennungseinheit kann dabei ein Wirkungsrad von bis zu 80% oder höher erzielt werden. Somit stellt die Erfindung eine Möglichkeit bereit, um elektrische Energie wesentlich effizierter, verlustfreier und mit einem höheren Wirkungsgrad umzuwandeln und weiter zu verwenden, als es bei herkömmlichen Prozessen der Fall ist. Dabei kann thermische Energie umweltschonend und insbesondere CO2 neutral erzeugt und bereitgestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das wenigstens eine durch die Elektrolyse erzeugte Elektrolyseprodukt in wenigstens einem Speicherbehälter gespeichert und dieses wenigstens eine gespeicherte Elektrolyseprodukt wird direkt im Zuge des Verbrennungsprozesses zu Verbrennungsprodukten umgesetzt, um thermische Energie zu erzeugen. Somit wird eine Möglichkeit bereitgestellt, um Energie zu speichern und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt abrufen zu können. Insbesondere ist der wenigstens eine Speicherbehälter nicht als Gasnetz bzw. Rohrleitungsnetz ausgebildet. Elektrolyseeinheit, Speicherbehälter und Verbrennungseinheit sind insbesondere mittels zweckmäßigen Verbindungmitteln, z.B. Rohrleitungen, miteinander verbunden.
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Vorzugsweise werden die Elektrolyse, das Speichern des wenigstens einen Elektrolyseprodukts und der Verbrennungsprozess in unmittelbarer Nähe zueinander durchgeführt. Die Elektrolyseeinheit, der wenigstens eine Speicherbehälter und die Verbrennungseinheit sind zu diesem Zweck vorzugsweise innerhalb von maximal 5000 m zueinander angeordnet, insbesondere von maximal 3000 m zueinander, weiter insbesondere von maximal 2000 m zueinander. Besonders bevorzugt sind die Elektrolyseeinheit, der wenigstens eine Speicherbehälter und die Verbrennungseinheit innerhalb von maximal 1000 m, weiter bevorzugt maximal 300 m, zueinander angeordnet. Die elektrische Energie kann hingegen entfernt von dem System aus Elektrolyseeinheit, Speicherbehältern und Verbrennungseinheit erzeugt werden und beispielsweise über ein Stromnetz zu diesem System transportiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird durch die Elektrolyse und den Verbrennungsprozess eine dezentrale Energieversorgung und/oder eine dezentrale Wärmeversorgung durchgeführt. Die Elektrolyse und der Verbrennungsprozess und, sofern durchgeführt, die Speicherung des wenigstens einen Elektrolyseprodukts werden somit in unmittelbarer Nähe zu einem Verbraucher durchgeführt.
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Vorteilhafterweise wird die elektrische Energie verwendet, um die Elektrolyse durchzuführen, wenn ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden ist, wenn also aktuell mehr elektrische Energie vorhanden ist, als aktuell von Verbrauchern benötigt wird. Vorzugsweise wird das wenigstens eine erzeugte Elektrolyseprodukt in diesem Fall in dem wenigstens einen Speicherbehälter gespeichert. Bei einem derartigen Überschuss kann, je nach Bedarf, die gesamte Menge an erzeugtem Elektrolyseprodukt oder auch nur ein Teil gespeichert werden. Überschüssige Energie geht somit nicht verloren, sondern kann verlustarm und effektiv gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf zur Erzeugung von thermischer Energie verwendet werden. Wenn in diesem Fall die gespeicherte Menge an Elektrolyseprodukt nicht ausreicht, um den Bedarf zu decken, kann mehr Elektrolyseprodukt durch die Elektrolyse nachproduziert werden und/oder es kann thermische Energie beispielsweise durch Verfeuerung von Brennstoffen wie Erdgas erzeugt werden.
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Vorzugsweise kann die elektrische Energie verwendet werden, um die Elektrolyse durchzuführen, wenn Bedarf an thermischer Energie vorhanden ist. Bei einem aktuellen Bedarf an thermischer Energie kann diese somit zweckmäßigerweise durch eine aktuelle Menge an produziertem Elektrolyseprodukt bereitgestellt werden, ohne dass das Elektrolyseprodukt zwischengespeichert wird. Die benötige thermische Energie kann somit „on demand“ produziert werden. Insbesondere bietet sich diese Möglichkeit bei geringen Strompreisen an, insbesondere wenn die benötigte thermische Energie auf diese Weise preisgünstiger bezogen werden kann als auf reguläre Weise (z.B. durch Verfeuern von Brenngas). Somit kann dem Verbraucher die Wärmeenergie kostengünstig bereitgestellt werden.
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Bei Mehrbedarf, wenn also das aktuell produzierte Elektrolyseprodukt nicht ausreicht, um den aktuellen Bedarf an thermischer Energie vollständig zu decken, kann zweckmäßigerweise das in den Speicherbehältern gespeicherte Elektrolyseprodukt hinzugezogen werden, sofern vorhanden. Wenn z.B. das aktuell produzierte und/oder das in dem Speicherbehälter gespeicherte Elektrolyseprodukt nicht ausreichen, um den Bedarf an thermischer Energie zu decken, kann der entsprechende Mehrbedarf zweckmäßigerweise durch Verfeuerung von Brennstoffen, wie z.B. Erdgas, bereitgestellt werden.
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Insbesondere können das Durchführen der Elektrolyse und Nutzung/Bereitstellung der thermischen Energie, zumindest bis zu einem gewissen Maß, unabhängig voneinander erfolgen. Sofern ausreichend elektrische Energie vorhanden ist, kann die Elektrolyse durchgeführt und Elektrolyseprodukte gespeichert werden. Unabhängig davon kann das gespeicherte Elektrolyseprodukt bei Bedarf zur Wärmeenergiebereitstellung verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird die zum Durchführen der Elektrolyse verwendete elektrische Energie, also die Last der Elektrolyse, geregelt. Insbesondere kann diese Regelung in Abhängigkeit von einer aktuell zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und/oder von einer aktuell verbrauchten thermischen Energie durchgeführt werden. Durch Berücksichtigung der aktuell zur Verfügung stehenden elektrischen Energie kann verhindert werden, dass nicht zu viel Energie für die Elektrolyse entzogen wird, so dass es nicht zu Engpässen in der Versorgung mit elektrischer Energie von anderen Verbrauchern kommt. Darüber hinaus kann durch die Berücksichtigung der aktuell verbrauchten thermischen Energie bzw. des aktuellen Bedarfs an thermischer Energie sichergestellt werden, dass dieser auch gedeckt wird.
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Insbesondere kann somit ein „virtueller Verbraucher“, also ein Zusammenschluss von dezentralen Verbrauchern, ermöglicht werden, als ein Gegenstück zu dem sog. „virtuellen Kraftwerk“, also einem Zusammenschluss von dezentralen Stromerzeugungseinheiten aus erneuerbaren Energiequellen, z.B. Biogas-, Windkraft-, Solar- und Wasserkraftanlagen.
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Alternativ oder zusätzlich wird die erzeugte thermische Energie geregelt. Insbesondere wird somit eine Regelung des Verbrauchers durchgeführt. Insbesondere können dabei Lastschwankungen der aktuell zur Verfügung stehenden elektrischen Energie, insbesondere Lastschwankungen im Stromnetz bzw. des aktuell zur Verfügung stehenden Elektrolyseprodukts ausgeglichen werden. Somit kann verhindert werden, dass es zu Komforteinbußen oder Lastengpässen bei der Versorgung mit thermischer Energie kommt.
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Vorteilhafterweise wird die elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen erzeugt und verwendet, um die Elektrolyse durchzuführen. Beispielsweise kann somit Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Bioenergie usw. in thermische Energie umgewandelt werden. Wenn beispielsweise aufgrund aktueller Wetterverhältnisse ein Überschuss an elektrischer Energie erzeugt wird, geht dieser nicht verloren, sondern kann vorteilhaft gespeichert und bei Bedarf dem Verbraucher als thermische Energie bereitgestellt werden. Schwankungen bei der Energieerzeugung aus regenerativen Energiequellen können somit zweckmäßig ausgeglichen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Energie vorzugsweise aus einem Stromnetz entnommen und verwendet werden, um die Elektrolyse durchzuführen. Beispielsweise kann die Energie dabei in Abhängigkeit von einem aktuellen Strompreis aus dem Stromnetz entnommen werden. Bei geringem oder gar negativem Strompreis kann die elektrische Energie günstig bezogen und umgewandelt werden, so dass dem Verbraucher preisgünstig thermische Energie bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann die Energie in Form von Elektrolyseprodukten zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf preisgünstig bereitgestellt werden. Somit können Kosten für den Verbraucher gesenkt werden.
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Vorteilhafterweise wird die erzeugte thermische Energie zum Durchführen von Hochtemperaturanwendungen, insbesondere für industrielle Zwecke, und/oder von Niedertemperaturanwendungen, insbesondere für Privathaushalte, verwendet. Die Erfindung eignet sich dabei insbesondere für sämtliche Verbraucher, welche Bedarf an thermischer Energie haben. Die Erfindung ermöglicht somit ein effektives und preisgünstiges Vermitteln von Energie zwischen Energieerzeuger und Verbraucher.
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Vorzugsweise wird die erzeugte thermische Energie verwendet, um Haushalte mit Heizwärme zu versorgen. Beispielsweise kann das Elektrolyseprodukt zu diesem Zweck direkt zu dem jeweiligen Haushalt transportiert werden, z.B. über ein Leitungssystem oder ein Gasnetz, wo der Verbrennungsprozess durchgeführt und die thermische Energie erzeugt werden kann. Es ist auch denkbar, den Verbrennungsprozess entfernt von dem Haushalt durchzuführen und die erzeugte thermische Energie zu dem Haushalt zu transportieren, z.B. per Fernwärme.
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Bevorzugt wird die erzeugte thermische Energie verwendet, um industrielle Prozesse durchzuführen. Beispielsweise kann durch den Verbrennungsprozess bzw. mittels der erzeugten Wärmeenergie ein Schmelzofen betrieben werden, etwa ein Glasofen zum Schmelzen von Glas.
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Besonders bevorzugt wird die Elektrolyse von Wasser durchgeführt und Wasserstoff wird als das wenigstens eine erzeugte Elektrolyseprodukt verwendet, um thermische Energie durch den Verbrennungsprozess zu erzeugen. Vorzugsweise wird der erzeugte Wasserstoff in dem wenigstens einen Speicherbehälter gespeichert. Alternativ oder zusätzlich kann vorzugsweise Sauerstoff als das wenigstens eine erzeugte Elektrolyseprodukt zum Erzeugen der thermischen Energie durch den Verbrennungsprozess verwendet werden. Zweckmäßigerweise können Wasserstoff und Sauerstoff jeweils in entsprechenden Speicherbehältern gespeichert werden. Alternativ kann eine Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid durchgeführt werden und Kohlenmonoxid und/oder Sauerstoff können als das wenigstens eine erzeugte Elektrolyseprodukt verwendet werden.
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Insbesondere kann der Wasserstoff zur Erzeugung der thermischen Energie im Zuge einer Wasserstoffverbrennung verbrannt bzw. zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft in Wasser und Energie und gegebenenfalls Rauchgas (z.B. Stickoxide) umgewandelt werden. Zweckmäßigerweise kann der Wasserstoff auch zusammen mit einem Brenngas (z.B. Erdgas und/oder Methan) und einem Oxidationsmittel (z.B. Luft und/oder Sauerstoff) im Zuge des Verbrennungsprozesses in ein Rauchgas und Energie und gegebenenfalls Wasser umgewandelt werden. Die im Wasserstoff gebundene chemische Energie kann verlustfrei und mit einem hohen Wirkungsgrad direkt in thermische Energie umgewandelt werden. Vorzugsweise ist es somit nicht notwendig, Wasserstoff durch Methanisierung in synthetisches Erdgas umzuwandeln, was mit Wandlungsverlusten verbunden ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch bevorzugte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Systems zum Umwandeln von Energie, die jeweils dazu eingerichtet sind, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1a und 1b ist jeweils eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems zum Umwandeln von Energie schematisch dargestellt und mit 100a bzw. 100b bezeichnet, die jeweils dazu eingerichtet sind, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Gleiche Bezugszeichen in den 1a und 1b bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.
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Mit 110 ist eine Energieerzeugungseinheit bezeichnet, welche aus erneuerbaren Energiequellen elektrische Energie erzeugt. In 1 ist beispielhaft eine Windkraftanlage dargestellt. Die Energieerzeugungseinheit 110 kann beispielsweise auch als Biogas-, Solar- oder Wasserkraftanlagen ausgebildet sein.
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Die Energieerzeugungseinheit 110 kann auch mehrere unterschiedliche Anlagen umfassen, welche auch räumlich voneinander getrennt sein können. Somit kann die Energieerzeugungseinheit 110 auch als sog. virtuelles Kraftwerk ausgebildet sein.
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Von der Energieerzeugungseinheit 110 erzeugte elektrische Energie 120 wird verwendet, um in einer Elektrolyseeinheit 130 eine Elektrolyse durchzuführen. Dabei ist die Durchführung verschiedener Elektrolysen denkbar, im Zuge welcher Elektrolyseprodukte erzeugt werden, die durch Verbrennungsprozesse thermisch genutzt werden können.
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Die Elektrolyseeinheit 130 kann beispielsweise in der Nähe der Energieerzeugungseinheit 110 angeordnet sein oder auch von dieser entfernt. Insbesondere wenn Energieerzeugungseinheit 110 und Elektrolyseeinheit 130 nahe beieinander angeordnet sind, kann die erzeugte elektrische Energie direkt und unmittelbar von der Energieerzeugungseinheit 110 an die Elektrolyseeinheit 130 transportiert werden.
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Die erzeugte elektrische Energie kann aber auch indirekt bzw. mittelbar an die Elektrolyseeinheit 130 transportiert werden. Beispielsweise kann die erzeugte elektrische Energie zunächst in ein Stromnetz eingespeist werden und die Elektrolyseeinheit 130 kann zum Durchführen der Elektrolyse elektrische Energie aus dem Stromnetz entnehmen.
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Im dargestellten Beispiel wird die Wasserelektrolyse durchgeführt, im Zuge derer mit der elektrischen Energie 120 der Energieerzeugungseinheit 110 aus Wasser die Elektrolyseprodukte Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Zu diesem Zweck weist die Elektrolyseeinheit 130 eine Wasserzufuhr 131 auf.
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Über eine Leitung 140 wird der erzeugte Wasserstoff in einen entsprechenden Speicherbehälter 150 transportiert und kann in diesem gespeichert werden. Von dem Speicherbehälter 150 kann der Wasserstoff über eine Leitung 160 zu einer Verbrennungseinheit 170 transportiert werden, die beispielsweise als ein Ofen mit einem Brenner ausgebildet sein kann. In dieser Verbrennungseinheit 170 kann aus dem Wasserstoff durch einen Verbrennungsprozess thermische Energie erzeugt werden. Beispielsweise kann der Wasserstoff zusammen mit einem Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff und/oder Luft verbrannt werden. Zu diesem Zweck ist eine Zufuhr 171 für das Oxidationsmittel vorgesehen.
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Die im Zuge dieses Verbrennungsprozesses erzeugte thermische Energie 180 wird einem Verbraucher 190 zur Verfügung gestellt. Ein derartiger Verbraucher 190 kann beispielsweise ein Haushalt sein, welcher mit Heizwärme versorgt wird. Beispielsweise kann mit der thermischen Energie 180 auch ein industrieller Prozess durchgeführt werden, beispielsweise ein Glasschmelzprozess.
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Vorzugsweise wird mittels der Elektrolyseeinheit 130, dem Speicherbehälter 150 und der Verbrennungseinheit 170 eine dezentrale Energieversorgung des Verbrauchers 190 realisiert. Elektrolyseeinheit 130, Speicherbehälter 150 und Verbrennungseinheit 170 sind dabei in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet, insbesondere innerhalb von maximal 1000 m zueinander.
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Wie in 1b dargestellt kann vorzugsweise auch der durch die Elektrolyse erzeugte Sauerstoff analog zu dem Wasserstoff über eine Leitung 141 zu einem Speicherbehälter 151 transportiert und dort gespeichert werden. Über eine weitere Leitung 161 kann der Sauerstoff der Verbrennungseinheit 170 zugeführt und von dieser als Oxidationsmittel zusammen mit dem Wasserstoff durch den Verbrennungsprozess in thermische Energie gewandelt werden.
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Durch das System 100a bzw. 100b wird eine Möglichkeit bereitgestellt, um aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte elektrische Energie 120 in chemische Energie in Form des Wasserstoffs zu wandeln und gegebenenfalls in dem Speicherbehälter 150 zu speichern. Die chemische Energie des Wasserstoffs wird durch den Verbrennungsprozess direkt in thermische Energie 180 gewandelt und kann dem Verbraucher bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100a
- System zum Umwandeln von Energie
- 100b
- System zum Umwandeln von Energie
- 110
- Energieerzeugungseinheit
- 120
- elektrische Energie
- 130
- Elektrolyseeinheit
- 131
- Wasserzufuhr
- 140
- Leitung
- 141
- Leitung
- 150
- Speicherbehälter
- 151
- Speicherbehälter
- 160
- Leitung
- 161
- Leitung
- 170
- Verbrennungseinheit
- 171
- Zufuhr für ein Oxidationsmittel
- 180
- erzeugte thermische Energie
- 190
- Verbraucher
