DE102017201861A1

DE102017201861A1 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung, Energiespeichervorrichtung und Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102017201861A1
Application number: DE102017201861.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Markus Widenmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung (140). Die Energiespeichervorrichtung (140) weist zumindest einen Reaktor (243) und eine Fluidschnittstelle (150) zu einer Stoffumwandlungseinrichtung auf. Das Verfahren weist einen Schritt des Durchführens einer Oxidation von Eisenpartikeln unter Verwendung von Wasser in dem Reaktor (243) auf, um Eisenoxidpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch zu erzeugen. Auch weist das Verfahren einen Schritt des Ausgebens von Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch an der Fluidschnittstelle (150) auf.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Nachhaltig, beispielsweise photovoltaisch, erzeugter Strom fällt in gemäßigten Breiten vor allem in den Sommermonaten (z. B. Mai bis August) an. Bei einem größeren Anteil von Photovoltaik in einem Energiemix kann insbesondere eine Speicherung der so erzeugten Energie nötig sein.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, eine Energiespeichervorrichtung, ein Energiespeichersystem sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere durch überschüssige elektrische Energie erzeugter Wasserstoff gleichsam chemisch gespeichert werden, indem Eisenoxid mit Wasserstoff reduziert wird, wobei die Partialdrücke von Wasserstoff und bei der Reaktion gebildeten Wassers gezielt eingestellt werden können. Das Einstellen der Partialdrücke kann eine Gleichgewichtsverschiebung zugunsten der Produktseite, d. h. Eisen und Wasser, bewirken. Wird die gespeicherte Energie benötigt, kann eine Oxidation von Eisen mit Wasser durchgeführt werden, wobei wieder Wasserstoff freigesetzt wird.
Vorteilhafterweise kann somit insbesondere die Reduktion effizient und bei reduzierten Temperaturen durchgeführt werden. Hierbei kann auch eine Versinterung der Eisenpartikel und Eisenoxidpartikel vermieden werden. Es kann eine wirtschaftliche Speicherung von Energie ermöglicht werden. Hierbei kann Eisenpulver bzw. können Eisenpartikel als platzsparendes und leicht verfügbares quasi-Speichermedium für Wasserstoff als Energieträger genutzt werden.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung vorgestellt, wobei die Energiespeichervorrichtung zumindest einen Reaktor und eine Fluidschnittstelle zu einer Stoffumwandlungseinrichtung aufweist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:

Durchführen einer Oxidation von Eisenpartikeln unter Verwendung von Wasser in dem Reaktor, um Eisenoxidpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch zu erzeugen; und
Ausgeben von Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch an der Fluidschnittstelle.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Die Stoffumwandlungseinrichtung kann Teil einer erneuerbaren Energiequelle sein oder einer erneuerbaren Energiequelle zugeordnet sein. Die Stoffumwandlungseinrichtung kann eine reversible Brennstoffzelle oder eine Brennstoffzelle und einen Elektrolyseur aufweisen. Das Wasserstoff-Wasser-Gemisch kann auch lediglich einen infinitesimalen Anteil von Wasser aufweisen. Das Wasser kann im Schritt des Durchführens als Wasserdampf vorliegen. Den Eisenpartikeln und Eisenoxidpartikeln kann zumindest ein anderes Element oder zumindest eine andere Elementverbindung, insbesondere ein Oxid, beigemengt sein. Die Eisenpartikel und Eisenoxidpartikel können als Pulver vorliegen. Der Reaktor kann beheizbar ausgeführt sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt aufweisen, in dem ein Abscheiden von Wasser aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch mittels einer Abscheideeinrichtung der Energiespeichervorrichtung bewirkt wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sowohl eine Rückgewinnung von Wasser für eine weitere Oxidation als auch eine Gewinnung von Wasserstoff für den Schritt des Ausgebens realisiert werden kann.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Zwischenspeicherns von Wasserstoff in einem Vorratsbehälter für die Eisenpartikel aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass für kurzfristigen Bedarf Brennstoff zur Energieerzeugung vorgehalten werden kann.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens der Eisenpartikel für die Oxidation aufweisen. Hierbei kann im Schritt des Bereitstellens eine Reduktion von Eisenoxidpartikeln mit Wasserstoff von der Fluidschnittstelle ausgeführt werden, um Eisenpartikel und Wasser zu erzeugen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mittels der Energiespeichervorrichtung zusätzlich auch überschüssige Energie genutzt werden kann, um das Energiespeichermaterial, hier Eisenpartikel, zu erzeugen.
Dabei kann im Schritt des Bereitstellens ein Verhältnis zwischen einem Partialdruck von Wasserstoff und einem Partialdruck von Wasser eingestellt werden. Hierbei kann der Partialdruck von Wasser durch Abführen von erzeugtem Wasser reduziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Partialdruck von Wasserstoff erhöht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die im Schritt des Bereitstellens ausgeführte Reduktion bei verringerter Temperatur und somit bei reduziertem Aufwand erfolgen kann, wobei auch eine Versinterung der Partikel verhindert werden kann.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung von Stellgliedern der Energiespeichervorrichtung. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie Temperatursensorsignale und Drucksensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren bzw. Stellglieder wie Ventile, Pumpen und Heizeinrichtungen.
Es wird auch eine Energiespeichervorrichtung vorgestellt, wobei die Energiespeichervorrichtung zumindest folgende Merkmale aufweist:

eine Fluidschnittstelle zu einer Stoffumwandlungseinrichtung;
einen Vorratsbehälter für Eisenpartikel;
einen Speicherbehälter für Eisenoxidpartikel;
einen Reaktor zum Durchführen von Reaktionen zwischen Eisenpartikeln, Wasser, Eisenoxidpartikeln und Wasserstoff; und
eine Abscheideeinrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Wasserstoff-Wasser-Gemisch,
wobei der Reaktor stofftransportfähig mit der Fluidschnittstelle, dem Vorratsbehälter, dem Speicherbehälter und der Abscheideeinrichtung verbindbar oder verbunden ist.

Die Energiespeichervorrichtung kann durch Ausführen einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens vorteilhaft betrieben werden. Die Fluidschnittstelle kann ferner stofftransportfähig mit der Abscheideeinrichtung verbindbar oder verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Abscheideeinrichtung ausgebildet sein, um einen zyklischen Stofftransport zu bewirken, zumindest eine Kühlfalle, zumindest einen Wärmeübertrager und zusätzlich oder alternativ zumindest eine für Wasserstoff durchlässige Membran aufweisen. Hierbei kann ein zyklischer Stofftransport durch den Reaktor bewirkt werden. Die Membran kann insbesondere als eine Palladium-Membran ausgeformt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Wasser zurück gewonnen und Wasserstoff aufgereinigt werden kann sowie jeweilige Partialdrücke eingestellt werden können.
Insbesondere kann der Reaktor als ein Wirbelschichtreaktor, ein Flugstromreaktor oder ein Festbettreaktor ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass je nach Anwendungsfall ein geeigneter Reaktortyp eingesetzt werden kann, der eine zuverlässige Oxidation oder Oxidation und Reduktion ermöglicht.
Auch kann die Energiespeichervorrichtung ausgebildet sein, um Partikel pneumatisch und zusätzlich oder alternativ unter Ausnutzung der Schwerkraft zwischen dem Reaktor und dem Vorratsbehälter und zusätzlich oder alternativ dem Speicherbehälter zu fördern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Eisenpartikel und zusätzlich oder alternativ die Eisenoxidpartikel kostengünstig und zuverlässig in und aus dem Reaktor gefördert werden können.
Zudem können Leitungen zum Stofftransport angeordnet sein, um eine Wärmeübertragung zwischen Partikeln und Wasserstoff zu bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Energieeffizienz gesteigert werden kann, indem eine Wärmerückgewinnung ermöglicht wird.
Es wird ferner ein Energiespeichersystem vorgestellt, wobei das Energiespeichersystem zumindest folgende Merkmale aufweist:

eine Ausführungsform der vorstehend genannten Energiespeichervorrichtung; und
eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der Energiespeichervorrichtung verbindbar oder verbunden ist.

Bei dem Energiespeichersystem kann eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes vorteilhaft eingesetzt oder verwendet werden, um eine Ausführungsform der vorstehend genannten Energiespeichervorrichtung zu betreiben bzw. einen Betrieb derselben zu steuern.
Vorteilhaft ist ferner eine Verwendung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Energiespeichervorrichtung zum Speichern von Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle, wobei die Fluidschnittstelle der Energiespeichervorrichtung mit einer Stoffumwandlungseinrichtung der Energiequelle gekoppelt ist.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsart;
3 eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer zweiten Betriebsart;
4 eine schematische Darstellung eines Teilabschnittes einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung eines Teilabschnittes einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In der Darstellung von 1 ist das Energiespeichersystem 120 einer Energiequelle 100, insbesondere einer erneuerbaren Energiequelle 100, zugeordnet. Die Energiequelle 100 weist eine Stoffumwandlungseinrichtung 110 auf. Das Energiespeichersystem 120 weist ein Steuergerät 130 und eine Energiespeichervorrichtung 140 auf. Dabei sind das Steuergerät 130 und die Energiespeichervorrichtung 140 signalübertragungsfähig miteinander verbunden. Das Steuergerät 130 ist ausgebildet, um die Energiespeichervorrichtung 140 zu betreiben bzw. einen Betrieb derselben zu steuern. Dabei ist das Steuergerät 130 ausgebildet, um ein Verfahren wie das unter Bezugnahme auf 6 nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen. Die Stoffumwandlungseinrichtung 110 der Energiequelle 100 ist stofftransportfähig mit der Energiespeichervorrichtung 140 verbunden. Hierbei ist eine Fluidschnittstelle 150 der Energiespeichervorrichtung 140 mit der Stoffumwandlungseinrichtung 110 gekoppelt. Auf die Energiespeichervorrichtung 140 wird nachfolgend noch detaillierter eingegangen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 140 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsart. Dabei entspricht oder ähnelt die Energiespeichervorrichtung 140 der Energiespeichervorrichtung aus 1. In der ersten Betriebsart erfolgt mittels der Energiespeichervorrichtung 140 beispielsweise bei Stromüberschuss von einer Energiequelle eine Reduktion von Eisenoxidpartikeln durch Wasserstoff sowie eine Abtrennung von Wasser aus einem Produktgasgemisch.
Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Energiespeichervorrichtung 140 einen Vorratsbehälter 241, einen Speicherbehälter 242, einen Reaktor 243, eine Heizeinrichtung 244, eine Abscheideeinrichtung 245 und einen Feststoffabscheider 246 auf. Ferner ist die Fluidschnittstelle 150 der Energiespeichervorrichtung 140 in 2 gezeigt.
Der Vorratsbehälter 241 ist für Eisenpartikel vorgesehen, beispielsweise Eisenpulver. Der Speicherbehälter 242 ist für Eisenoxidpartikel vorgesehen. Der Reaktor 243 ist mittels der Heizeinrichtung 244 beheizbar. Der Reaktor 243 ist ausgebildet, um Reaktionen zwischen Eisenpartikeln, Wasser bzw. Wasserdampf, Eisenoxidpartikeln und Wasserstoff durchzuführen bzw. ablaufen zu lassen. Die Reaktionen laufen hierbei in dem Reaktor 243 ab. Die Abscheideeinrichtung 245 ist ausgebildet, um Wasser aus einem Gas-Wasser-Gemisch, hier einem Wasserstoff-Wasser-Gemisch abzuscheiden. Der Feststoffabscheider 246 ist ausgebildet, um Partikel aus Gas oder einem Gas-Wasserdampf-Gemisch abzuscheiden.
Der Reaktor 243 ist stofftransportfähig mit der Fluidschnittstelle 150, dem Vorratsbehälter 241, dem Speicherbehälter 242, der Abscheideeinrichtung 245 und dem Feststoffabscheider 246 verbunden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abscheideeinrichtung 245 ausgebildet, um einen zyklischen Stofftransport insbesondere durch den Reaktor 243 zu bewirken. Ferner weist die Abscheideeinrichtung 245 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine für Wasserstoff durchlässige Membran beispielsweise aus Palladium (Pd) auf. Alternativ kann die Abscheideeinrichtung 245 auch zumindest eine Kühlfalle und/oder zumindest einen Wärmeübertrager aufweisen.
In der ersten Betriebsart erfolgt mittels der Energiespeichervorrichtung 140 eine Reduktion von Eisenoxid zu Eisen als quasi-Wasserstoffspeicher bzw. zum Speichern von überschüssiger Energie von der Energiequelle. Zum Speichern von z. B. photovoltaisch erzeugter Energie, die insbesondere in den Sommermonaten im Überschuss erzeugt werden kann, wird überschüssiger elektrischer Strom verwendet, um mittels einer Stoffumwandlungseinrichtung Wasserstoff zu produzieren. Hierbei werden dem Reaktor 243 von der Fluidschnittstelle 150 her Wasserstoff (H₂) sowie von dem Speicherbehälter 242 her Eisenoxidpartikel (beispielsweise Fe₃O₄) zugeführt. Mit dem anfallenden Wasserstoff wird Eisenoxidpulver (z. B. Fe₃O₄ oder Fe₂O₃) zu elementarem Eisen (Fe) reduziert. Als Koppelprodukt entsteht Wasser (H₂O). Nach der Reaktion gelangen die Eisenpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch bzw. Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch in den Feststoffabscheider 246. Von dem Feststoffabscheider 246 aus gelangen Eisenpartikel in den Vorratsbehälter 241, gelangen verbliebene Eisenoxidpartikel zurück in den Reaktor 243 und gelangt das Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch in die Abscheideeinrichtung 245. Nach dem Abscheiden von Wasser mittels der Abscheideeinrichtung 245 gelangt in dem Gemisch verbliebener Wasserstoff zurück in den Reaktor 243.
Damit die Reaktion aus thermodynamischen Gründen bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, wodurch insbesondere bei feinen Pulvern bzw. Partikeln Sintervorgänge verhindert werden können, wird der Quotient p(H₂)/p(H₂O) erhöht, wobei p(H₂) der Partialdruck von Wasserstoff ist, wobei p(H₂O) der Partialdruck von Wasserdampf bzw. Wasser ist. Bevorzugt ist, z. B. bei einem Partialdruck von Wasserstoff von 1 bar den Partialdruck von Wasserdampf bei der Reaktion niedrig zu halten, z. B. unter 0,1 bar, bevorzugt unter 0,05 bar, weiter bevorzugt unter 0,02 bar. Im Hinblick auf die Reaktionsgleichung Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O steigt der Term der Gibb'schen Energie RT·ln(p(H₂)⁴/p(H₂O)⁴) oder 4RT·ln(p(H₂)/p(H₂O)) an. Wenn z. B. p(H₂) = 50 p(H₂O) realisiert ist, erhöht sich bei z. B. 500 Grad Celsius der Betrag der freien Energie um rund 100 kJ/mol. Dadurch sind Reaktionstemperaturen von z. B. im Bereich von 500 bis 700 Grad Celsius möglich. Bevorzugt können dabei Temperaturen unter 680 Grad Celsius, weiter bevorzugt unter 640 Grad Celsius, noch weiter bevorzugt unter 600 Grad Celsius sein. Weiterhin kann der Wasserstoffdruck bei der Reaktion größer als 1 bar sein, z. B. größer als 2 bar oder größer als 5 bar, um eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen. Würde der Wasserdampf-Partialdruck in der Reaktionszone nicht niedrig gehalten, müssten höhere Temperaturen im Reaktor 243 eingesetzt werden, z. B. über 1000 Grad Celsius. Das Einstellen der Partialdrücke insbesondere mittels der Abscheideeinrichtung 245 ist nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 bzw. 5 noch detaillierter erläutert.
Der Reaktionsraum bzw. der Reaktor 243 kann als Wirbelschichtreaktor, Flugstromreaktor oder Festbettreaktor ausgeführt sein. Für die Reduktion wird der Reaktionsraum mit Eisenoxid (Fe₃O₄) in Partikelform bzw. Pulverform beschickt. Die Feststoffförderung aus dem Speicherbehälter 242 kann beispielsweise pneumatisch erfolgen. Weiterhin kann auch eine Ausnutzung der Schwerkraft mit Platzierung des Speicherbehälters 242 oberhalb des Reaktors 243 realisiert sein. Nach erfolgter Reaktion, die kontinuierlich oder diskontinuierlich ablaufen gelassen werden kann, wird das Eisen (Fe) in Partikelform bzw. Pulverform in den Vorratsbehälter 241 gefördert. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass das heiße Eisenpulver seine Wärme an frischen, noch kühleren Wasserstoff abgeben kann. Wo Wasserstoff abzukühlen ist, kann entsprechend dessen Wärme z. B. an Eisen- oder Eisenoxidpartikel abgegeben werden. Ebenso sind andere Formen der Wärmerückgewinnung realisierbar.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 140 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer zweiten Betriebsart. Die Energiespeichervorrichtung 140 entspricht hierbei der Energiespeichervorrichtung aus 2. In der zweiten Betriebsart erfolgt mittels der Energiespeichervorrichtung 140 beispielsweise bei Strombedarf von einer Energiequelle eine Oxidation von Eisenpartikeln mittels Wasser bzw. Wasserdampf und eine Abtrennung von Wasserstoff aus einem Produktgasgemisch bzw. eine Freisetzung von Wasserstoff.
Wird elektrische Energie z. B. in Herbst- und Wintermonaten oder nachts benötigt, wenn beispielsweise eine Photovoltaikanlage weniger oder keinen elektrischen Strom erzeugen kann, wird hierbei Wasserstoff benötigt, um eine Stoffumwandlungseinrichtung, beispielsweise eine reversible Brennstoffzelle zu betreiben. Dazu werden Eisenpartikel mit Wasserdampf gemäß der Reaktionsgleichung 3 Fe + 4 H₂O → Fe₃O₄ + 4 H₂ zu Eisenoxidpartikeln und Wasserstoff umgesetzt. Dies erfolgt beispielsweise bei Temperaturen von unter 600 oder unter 500 Grad Celsius. Hierbei werden dem Reaktor 243 Wasser bzw. Wasserdampf sowie aus dem Vorratsbehälter Eisenpartikel zugeführt. Nach der Reaktion gelangen die Eisenoxidpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch bzw. Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch in den Feststoffabscheider 246. Von dem Feststoffabscheider 246 aus gelangen Eisenoxidpartikel in den Speicherbehälter 242, gelangen verbliebene Eisenpartikel zurück in den Reaktor 243 und gelangt das Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch in die Abscheideeinrichtung 245. Nach dem Abscheiden von Wasser mittels der Abscheideeinrichtung 245 gelangt das abgeschiedene Wasser zurück in den Reaktor 243 und gelangt der abgetrennte Wasserstoff zu der Fluidschnittstelle 150.
Dabei wird der Wasserpartialdruck bei der Reaktion hoch gehalten. Der anfallende Wasserstoff wird abgeführt und mittels der Abscheideeinrichtung 245 z. B. durch Abkühlen und Kondensieren von Wasser befreit oder über eine Pd-Membran aus dem Reaktionsraum entfernt. Das für die Reaktion benötigte Eisenpulver wird aus dem Vorratsbehälter 241 in den Reaktor 243 geführt und das entstandene Eisenoxid-Pulver kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem Reaktor 243 in den Speicherbehälter 242 geführt.
Insbesondere für Überbrückungen von kurzen Zeiten oder geringen Elektrizitätsmengen sind z. B. kostengünstige Wasserstoffspeicher oder Stromspeicher mit der hier beschriebenen Energiespeichervorrichtung 140 kombinierbar. Der Vorratsbehälter 241, in dem das Eisenpulver gelagert wird, kann dabei gleichzeitig als Puffer für Wasserstoff genutzt werden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Energiespeichervorrichtung 140 lediglich einen Reaktor 243 bzw. einen Reaktorraum auf, der sowohl für die Hinreaktion als auch für die Rückreaktion verwendet wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilabschnittes einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Energiespeichereinrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der Energiespeichereinrichtung aus 2 bzw. 3. Von der Energiespeichereinrichtung sind in der Darstellung von 4 der Reaktor 243 und die Abscheideeinrichtung 245 gezeigt. Gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abscheideeinrichtung 245 zwei Wärmetauscher 445 und einen Kondensationsbereich 447 mit einem Auslass auf. Dabei ist der Kondensationsbereich 447 zwischen einem ersten der Wärmetauscher 445 und einem zweiten der Wärmetauscher 445 angeordnet. Jeder der Wärmetauscher 445 ist zwischen dem Kondensationsbereich 447 und dem Reaktor 243 angeordnet. In einem Reaktionsraum des Reaktors 243 herrscht eine erste Temperatur T1 und in dem Kondensationsbereich 447 herrscht eine zweite Temperatur T2, wobei die zweite Temperatur T2 niedriger ist als die erste Temperatur T1. Der Auslass in dem Kondensationsbereich 447 ist ausgebildet, um kondensiertes Wasser austreten zu lassen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilabschnittes einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Energiespeichereinrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der Energiespeichereinrichtung aus 2 bzw. 3. Von der Energiespeichereinrichtung sind in der Darstellung von 5 der Reaktor 243 und die Abscheideeinrichtung 245 gezeigt. Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abscheideeinrichtung 245 eine Membran 545 und einen Ablass 548 für Wasserdampf bzw. ein Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisch auf. Die Membran 545 ist beispielsweise aus Palladium ausgeformt und lediglich für Wasserstoff durchlässig. Über den Ablass 548 ist an der Membran 545 zurückgehaltener Wasserdampf bzw. zurückgehaltenes Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisch abführbar.
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 ist anzumerken, dass ein Niedrighalten des Wasser-Partialdrucks insbesondere dadurch realisiert werden kann, dass der Wasserstoff zyklisch durch die Abscheideeinrichtung 245 und den Reaktor 243 geführt wird und bei jedem Zyklus weiter von Wasser befreit wird. Eine Möglichkeit ist die Kondensation bei niedriger Temperatur, z. B. kleiner 20 Grad Celsius oder kleiner 5 Grad Celsius. Dabei kann für den Vollstrom eine Kühlfalle eingesetzt werden, wobei ein Wärmeaustausch erfolgen kann und z. B. mindestens ein Wärmetauscher 445 eingesetzt werden kann, um Energieverluste zu vermeiden. Es kann jedoch auch eine Membran 545, z. B. eine beheizte Palladiummembran, eingesetzt werden, die selektiv Wasserstoff passieren lässt. In diesem Fall braucht das Wasserstoffgas nicht oder nicht wesentlich abgekühlt zu werden. Ist eine Temperatursenkung vorgesehen, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch in 5 zusätzlich ein Wärmetauscher angeordnet werden. Für das Membranverfahren wird Wasserdampf an der Anströmseite der Membran 545 angereichert. Der Wasserdampf bzw. mit Wasserdampf stark angereicherter Wasserstoff kann über den Ablass 548 abgelassen werden, wobei ein kleiner Bruchteil, z. B. 1/20, bevorzugt 1/50 des Wasserstoffgesamtstroms abgelassen und z. B. als Brennstoff für das Aufheizen des Reaktors 243 verwendet wird. Alternativ kann in einem Nebenstrang, der z. B. weniger als 1/10, bevorzugt weniger als 1/30 des Stoffstroms des Gesamtstroms enthalten kann, das Wasser-Wasserstoff-Gemisch abgekühlt, das Wasser auskondensiert und der vom Wasser befreite Wasserstoff wieder dem parallel an der Membran 545 von Wasser befreiten Hauptstrom zugeführt werden. Auch hier kann optional zusätzlich ein Wärmetauscher eingesetzt werden.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 ist ausführbar, um eine Energiespeichervorrichtung zu betreiben. Die Energiespeichervorrichtung weist dabei zumindest einen Reaktor und eine Fluidschnittstelle zu einer Stoffumwandlungseinrichtung auf. Genau gesagt ist das Verfahren 600 zum Betreiben ausführbar, um die Energiespeichervorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren oder eine ähnliche Energiespeichervorrichtung zu betreiben.
In einem Schritt 610 des Durchführens wird bei dem Verfahren 600 eine Oxidation von Eisenpartikeln unter Verwendung von Wasser in dem Reaktor durchgeführt, um Eisenoxidpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch zu erzeugen. Nachfolgend wird in einem Schritt 620 des Ausgebens Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch an der Fluidschnittstelle der Energiespeichervorrichtung ausgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 600 einen Schritt 630 des Bewirkens eines Abscheidens von Wasser aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch mittels einer Abscheideeinrichtung der Energiespeichervorrichtung auf. Zusätzlich oder alternativ weist das Verfahren 600 einen Schritt 640 des Zwischenspeicherns von Wasserstoff in einem Vorratsbehälter für die Eisenpartikel auf. Dabei sind der Schritt 630 des Bewirkens und/oder der Schritt 640 des Zwischenspeicherns vor dem Schritt 620 des Ausgebens ausführbar.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 600 einen Schritt 650 des Bereitstellens der Eisenpartikel für die Oxidation auf. Im Schritt 650 des Bereitstellens wird eine Reduktion von Eisenoxidpartikeln mit Wasserstoff von der Fluidschnittstelle ausgeführt, um Eisenpartikel und Wasser zu erzeugen. Insbesondere wird im Schritt 650 des Bereitstellens ein Verhältnis zwischen einem Partialdruck von Wasserstoff und einem Partialdruck von Wasser eingestellt. Dabei wird der Partialdruck von Wasser durch Abführen von erzeugtem Wasser reduziert und/oder der Partialdruck von Wasserstoff erhöht. Der Schritt 650 des Bereitstellens ist hierbei vor dem Schritt 610 des Durchführens ausführbar.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele sowie Grundlagen und Vorteile von Ausführungsbeispielen zusammenfassend und mit anderen Worten vorgestellt und/oder nochmals erläutert.
Die Speicherung von Energie mittels des Energiespeichersystems 120 kann dezentral erfolgen und kann z. B. Wohnhäuser zumindest in höherem Maße unabhängig vom Stromnetz machen. Eisen wird als Quasi-Wasserstoffspeicher eingesetzt. Wasserstoff kann Eisenoxide zu metallischem Eisenpulver reduzieren und dieses kann mit Wasserdampf wieder zu Wasserstoff und Eisenoxid umgesetzt werden. Eine Tonne Eisen kann mit Wasserdampf zur Erzeugung von theoretisch 47,6 Kilogramm Wasserstoff (1600 Kilowattstunden) verwendet werden. Damit lassen sich ca. 800 Kilowattstunden elektrische Energie über eine Brennstoffzelle erzeugen. Ein durchschnittlicher Haushalt in Deutschland benötigt etwa 3000 Kilowattstunden Strom im Jahr. Um autark vom Strom zu sein, sollte ein Teil von mittels Fotovoltaik erzeugtem Strom saisonal gespeichert werden. Die Energiemenge im Langzeitspeicher in diesem Fall kann bei ca. 1400 kwh_th H₂ liegen.
Eine gasförmige Speicherung würde 470 Nm³ H₂ bedeuten. Eine Speicherung eines solchen Volumens ist daher nur unter Druck sinnvoll, wodurch unter Umständen eine zusätzliche energieintensive Kompression notwendig würde (abhängig vom Ausgangsdruck eines Elektrolyseurs). Bezahlbare Gasspeicher enden bei ca. 200bar. Das heißt, dass für 1400 Kilowattstunden mindestens 2,5 Kubikmeter Gasspeichervolumen (50 Standard-Stahl-Gasflaschen) benötigt würden. Bei typischen Niederdruckspeichern (5-10bar) läge das Volumen bei 50-100 Kubikmetern.
Zur Speicherung der gleichen Energiemenge in Eisen werden lediglich etwa 880 Kilogramm Eisen benötigt (entsprechend ca. 0,11 Kubikmeter oder 110 Liter). Dies ist aufgrund des geringen Preises von Eisen realistisch. Im hier technisch interessanten Fall würde insbesondere im Sommer überschüssiger Solarstrom zur Elektrolyse von Wasserstoff verwendet werden. Dieser Wasserstoff wird wiederum verwendet, um Eisenoxidpartikel zu Eisenpartikeln zu reduzieren, die bei Strombedarf wieder mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Eisenoxidpartikeln umgewandelt werden können. Gemäß Ausführungsbeispielen braucht die Reduktion nicht bei normalerweise erforderlichen Temperaturen von z. B. mehr als 1000 Grad Celsius durchgeführt werden. Somit braucht der Reaktor 245 beispielsweise nicht hochtemperaturfest, d. h. mit teuren Werkstoffen gefertigt sein. Auch kann Energie zum Aufheizen des Reaktors 245 auf ein solches Temperaturniveau eingespart werden. Zudem kann eine Versinterung der Partikel vermieden werden, was einen sinnvollen zyklischen Betrieb (mit vielen Ein-/Aus-Speicherungen, d. h. Oxidations-Reduktionsschritten) ermöglicht. Zur Vermeidung dieser Versinterung braucht das Eisenoxid nicht zwingend mit anderen Metalloxiden wie Chromoxid gemischt werden, um eine Sinterfestigkeit zu bewirken. Die Materialkosten des Speichersystems 120 bzw. der Speichervorrichtung 140 können somit gering gehalten werden.
Bei der Reduktion des Eisenoxids mit Wasserstoff wird der Partialdruck des Koppelprodukts Wasser niedrig gehalten bzw. das Verhältnis des Partialdrucks von Wasser zum Partialdruck von Wasserstoff niedrig gehalten. Dies führt zu der Gleichgewichtsverschiebung zugunsten der Produktseite (Wasser und Eisen). Dadurch kann die Reaktion effizient bei Temperaturen von z. B. unter 680 Grad Celsius durchgeführt werden. Unterhalb von 800 Grad Celsius spielt die Versinterung kaum noch eine Rolle. So kann eine wirtschaftliche Speicherung ermöglicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können dem Eisenpulver bzw. Eisenoxidpulver andere Elemente oder Elementverbindungen, insbesondere Oxide beigemengt sein, wobei deren Verwendung vor allem durch die Materialkosten limitiert sein kann. Solche Zusätze beschleunigen katalytisch die Reduktion des Eisenoxids und/oder die Oxidation des Eisens mit Wasserdampf oder sie verringern, wie erwähnt, die Sinterneigung. Beispiele sind die Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Bor, Aluminium, Silizium, Zinn, Scandium, Yttrium oder Elemente der seltenen Erden, Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Ruthenium, Osmium, Cobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin oder Zink. Insbesondere können die Elemente Aluminium, Silizium, Titan, Vanadium, Molybdän, Mangan, Chrom, Nickel eingesetzt werden. Um z. B. die Sinterneigung zu verringern, können die Elemente Silicium und Mangan aus ökonomischen Gründen eingesetzt werden, da diese ohnehin in Roheisen vorkommen. Ein Atom-Anteil dieser Elemente relativ zum Eisen kann beispielsweise weniger als 5 Prozent oder weniger als 3 Prozent und bei Platinmetallen beispielsweise weniger als 5 ppm oder weniger als 3 ppm betragen.
Das Energiespeichersystem 120 kann zur Versorgung eines oder mehrerer Haushalte, eines Quartiers (z. B. 100 oder mehr Haushalte) oder kleiner Siedlungen (z. B. 1000 oder mehr Haushalte) eingesetzt werden. Bei größeren Anlagen sind geringere relative Speicherkosten durch Skaleneffekte möglich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Oxidation und Reduktion auch getrennt sein. Das Eisen kann in diesem Fall als Wasserstoff-Reservoir am Bestimmungsort in gasförmigen Kraftstoff umgewandelt werden, während die Reduktion des anfallenden Eisenoxids großtechnisch bzw. getrennt von der Energiespeichervorrichtung 140 erfolgen kann. Der Transport von Partikeln bzw. Pulver ist dabei einfacher und unaufwendiger als im Falle von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (600) zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung (140), wobei die Energiespeichervorrichtung (140) zumindest einen Reaktor (243) und eine Fluidschnittstelle (150) zu einer Stoffumwandlungseinrichtung (110) aufweist, wobei das Verfahren (600) zumindest folgende Schritte aufweist: Durchführen (610) einer Oxidation von Eisenpartikeln unter Verwendung von Wasser in dem Reaktor (243), um Eisenoxidpartikel und ein Wasserstoff-Wasser-Gemisch zu erzeugen; und Ausgeben (620) von Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch an der Fluidschnittstelle (150).
Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt des Bewirkens (630) eines Abscheidens von Wasser aus dem Wasserstoff-Wasser-Gemisch mittels einer Abscheideeinrichtung (245) der Energiespeichervorrichtung (140).
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt (640) des Zwischenspeicherns von Wasserstoff in einem Vorratsbehälter (241) für die Eisenpartikel.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt (650) des Bereitstellens der Eisenpartikel für die Oxidation, wobei im Schritt (650) des Bereitstellens eine Reduktion von Eisenoxidpartikeln mit Wasserstoff von der Fluidschnittstelle (150) ausgeführt wird, um Eisenpartikel und Wasser zu erzeugen.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (650) des Bereitstellens ein Verhältnis zwischen einem Partialdruck von Wasserstoff und einem Partialdruck von Wasser eingestellt wird, wobei der Partialdruck von Wasser durch Abführen von erzeugtem Wasser reduziert wird und/oder der Partialdruck von Wasserstoff erhöht wird.
Steuergerät (130), das eingerichtet ist, um Schritte des Verfahrens (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.
Energiespeichervorrichtung (140), wobei die Energiespeichervorrichtung (140) zumindest folgende Merkmale aufweist: eine Fluidschnittstelle (150) zu einer Stoffumwandlungseinrichtung (110); einen Vorratsbehälter (241) für Eisenpartikel; einen Speicherbehälter (242) für Eisenoxidpartikel; einen Reaktor (243) zum Durchführen von Reaktionen zwischen Eisenpartikeln, Wasser, Eisenoxidpartikeln und Wasserstoff; und eine Abscheideeinrichtung (245) zum Abscheiden von Wasser aus einem Wasserstoff-Wasser-Gemisch, wobei der Reaktor (243) stofftransportfähig mit der Fluidschnittstelle (150), dem Vorratsbehälter (241), dem Speicherbehälter (242) und der Abscheideeinrichtung (245) verbindbar oder verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung (140) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinrichtung (245) ausgebildet ist, um einen zyklischen Stofftransport zu bewirken, zumindest eine Kühlfalle, zumindest einen Wärmeübertrager (445) und/oder zumindest eine für Wasserstoff durchlässige Membran (545) aufweist.
Energiespeichervorrichtung (140) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (243) als ein Wirbelschichtreaktor, ein Flugstromreaktor oder ein Festbettreaktor ausgeführt ist.
Energiespeichervorrichtung (140) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (140) ausgebildet ist, um Partikel pneumatisch und/oder unter Ausnutzung der Schwerkraft zwischen dem Reaktor (243) und dem Vorratsbehälter (241) und/oder dem Speicherbehälter (242) zu fördern.
Energiespeichervorrichtung (140) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen zum Stofftransport angeordnet sind, um eine Wärmeübertragung zwischen Partikeln und Wasserstoff zu bewirken.
Energiespeichersystem (120), wobei das Energiespeichersystem (120) zumindest folgende Merkmale aufweist: die Energiespeichervorrichtung (140) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11; und das Steuergerät (130) gemäß Anspruch 6, wobei das Steuergerät (130) signalübertragungsfähig mit der Energiespeichervorrichtung (140) verbindbar oder verbunden ist.
Verwendung einer Energiespeichervorrichtung (140) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 zum Speichern von Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle (100), wobei die Fluidschnittstelle (150) der Energiespeichervorrichtung (140) mit einer Stoffumwandlungseinrichtung (110) der Energiequelle (100) gekoppelt ist.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.