DE102018007001A1 - Process for the decentralized generation of electrical energy for electromobility - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur dezentralen Erzeugung erneuerbarer elektrischer Energie und dessen Verwendung als Ladestrom für E-Mobilität, bei dem elektrische Sonnen- oder Windenergie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird und der Wasserstoff mit Kohlendioxid oder mit Kohlenmonoxid zu Methan umgesetzt wird und Methan in das Erdgasnetz eingeleitet wird und Methan zusammen mit dem Erdgas im Gasnetz transportiert wird und Methan oder die äquivalente Menge an Erdgas aus dem Gasnetz entnommen wird und in einer Stromerzeugungsanlage wieder in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsanlage in der Nähe von Ladestationen oder von Parkplätzen/Parkhäusern für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Batterie aus dem Gasnetz entnommen wird und die Stromerzeugungsanlage bezüglich ihrer Kapazität dem Strombedarf der in den auf den Parkplätzen oder den Ladestationen befindlichen Fahrzeugen angepasst ist.Process for the decentralized generation of renewable electrical energy and its use as charging current for e-mobility, in which electrical solar or wind energy is converted into hydrogen by water electrolysis and the hydrogen is converted to methane with carbon dioxide or with carbon monoxide and methane is introduced into the natural gas network and Methane is transported together with the natural gas in the gas network and methane or the equivalent amount of natural gas is taken from the gas network and converted back into electrical energy in a power generation plant, characterized in that the power generation plant is located in the vicinity of charging stations or parking lots / car parks for electrically powered vehicles with batteries are removed from the gas network and the capacity of the power generation system is adapted to the power requirements of the vehicles in the parking lots or the charging stations.

Description

Die Verbreitung der Elektromobilität (E-Mobilität) stellt die Versorger mit elektrischer Energie vor enorme Herausforderungen. Die bestehenden Stromnetze, die bereits mit dem Transport der fluktuierenden erneuerbaren Energien überlastet sind, werden nicht zusätzlich die Versorgung der E-Mobilität in größerem Umfang leisten können. Überdies ist die E-Mobilität nur dann ökologisch sinnvoll, wenn Sonnen- oder Windenergie genutzt werden.The spread of electromobility (e-mobility) presents utilities with electrical energy with enormous challenges. The existing power grids, which are already overloaded with the transport of fluctuating renewable energies, will not be able to supply e-mobility on a larger scale. Furthermore, e-mobility only makes ecological sense if solar or wind energy is used.

Die E-Mobilität betrifft Fahrzeuge, die dem Transport von Personen, Gütern oder Werkzeugen (Maschinen oder Hilfsmittel) dienen. Je nach Anwendungsfall lassen sich Landfahrzeuge (PKW, LKW, Flurförderfahrzeuge), schienengebundene Verkehrssysteme (Eisenbahn, U-Bahn, S-Bahn) sowie Wasser- und Luftfahrzeuge (Schiffe, Flugzeuge, Drohnen) unterscheiden. Die Fahrzeuge können dabei bemannt oder unbemannt betrieben werden und für kommerzielle, militärische und private Zwecke zum Einsatz kommen.E-mobility concerns vehicles that are used to transport people, goods or tools (machines or aids). Depending on the application, a distinction can be made between land vehicles (cars, trucks, industrial trucks), rail-bound traffic systems (rail, subway, S-Bahn) and water and aircraft (ships, planes, drones). The vehicles can be operated manned or unmanned and can be used for commercial, military and private purposes.

Als Lösung für die Herausforderungen der E-Mobilität bietet es sich an, elektrische Sonnen- oder Windenergie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umzuwandeln und den Wasserstoff mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid in erdgasähnliches Methan umzuwandeln. Methan kann in das Gasnetz eingeleitet und zusammen mit dem Erdgas im Gasnetz transportiert werden. Die elektrische Energie für E-Mobilität kann dann dezentral in der Nähe der Ladestationen für E-Mobilität aus Erdgas/Methan, welches aus dem Gasnetz entnommen wird, erzeugt werden. Die elektrische Energie für die E-Mobilität wird als Methan im Erdgasnetz transportiert und dezentral bei den E-Ladestationen rückverstromt. Die Rückverstromung erfolgt in einer Stromerzeugungsanlage, vorzugsweise einem Erdgasmotor mit Generator oder einer Brennstoffzelle.A solution to the challenges of e-mobility is to convert electrical solar or wind energy into hydrogen by water electrolysis and convert the hydrogen with carbon monoxide or carbon dioxide into methane similar to natural gas. Methane can be introduced into the gas network and transported along with the natural gas in the gas network. The electrical energy for e-mobility can then be generated decentrally in the vicinity of the charging stations for e-mobility from natural gas / methane, which is taken from the gas network. The electrical energy for e-mobility is transported as methane in the natural gas network and converted back into electricity at the e-charging stations. The back-electricity generation takes place in a power generation plant, preferably a natural gas engine with a generator or a fuel cell.

Zur Ladung von Batterien wird Gleichstrom benötigt. Bei den konventionellen Ladestationen oder Ladegeräten muss daher der in kommunalen Stromnetzen befindliche Wechselstrom gleichgerichtet werden, was mit zusätzlichem Aufwand und Energieverlusten einhergeht. Daher wird in den Erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlagen vorzugsweise Gleichstrom hergestellt, welcher auf kurzen Leitungswegen zu den Ladestationen/Ladepunkten mit geringen Verlusten transportiert wird. Bevorzugt sind demzufolge Stromerzeugungsanlagen mit Brennstoffzelle deshalb, weil damit zwangsläufig Gleichstrom erzeugt wird.Direct current is required to charge batteries. With conventional charging stations or chargers, the alternating current in municipal power grids must therefore be rectified, which is associated with additional effort and energy loss. Therefore, direct current is preferably produced in the power generation systems according to the invention, which direct current is transported with short losses to the charging stations / charging points. Electricity generating plants with a fuel cell are therefore preferred because they inevitably generate direct current.

Eine bevorzugte Verfahrensweise ist daher eine Stromerzeugungsanlage, besonders eine Brennstoffzelle, welche Gleichstrom erzeugt und der Gleichstrom ohne Transformation oder Wandlung in die zu ladende Batterie geleitet wird. Voraussetzung ist hier, dass Batterien von E-Fahrzeugen einer Kategorie bezüglich der Eigenschaften des Ladestroms standardisiert sind.A preferred procedure is therefore a power generation plant, in particular a fuel cell, which generates direct current and the direct current is conducted into the battery to be charged without transformation or conversion. The prerequisite here is that batteries of electric vehicles of a category are standardized with regard to the properties of the charging current.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur dezentralen Erzeugung erneuerbarer elektrischer Energie, indem elektrische Sonnen- oder Windenergie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird und der Wasserstoff mit Kohlendioxid oder mit Kohlenmonoxyd zu Methan umgesetzt wird und Methan in das Erdgasnetz eingeleitet wird und Methan zusammen mit dem Erdgas im Gasnetz transportiert wird und Methan oder die äquivalente Menge an Erdgas in der Nähe von Ladestationen oder Parkplätzen/Parkhäusern von E-Fahrzeugen aus dem Gasnetz entnommen wird und in einer Stromerzeugungsanlage, welche bezüglich ihrer Kapazität dem Strombedarf der Anzahl der zu ladenden E-Fahrzeuge entspricht, vorzugsweise in einer Stromerzeugungsanlage mit Brennstoffzelle, wieder in elektrische Energie rückumgewandelt wird und die elektrische Energie zur Beladung von E-Fahrzeugen verwendet wird und die Stromerzeugungsanlage den Ladestationen oder Parkplätzen/Parkhäusern für E-Fahrzeuge zugeordnet ist.The present invention relates to a process for the decentralized generation of renewable electrical energy by converting electrical solar or wind energy into hydrogen by water electrolysis and converting the hydrogen with carbon dioxide or with carbon monoxide to methane and introducing methane into the natural gas network and methane together with the Natural gas is transported in the gas network and methane or the equivalent amount of natural gas in the vicinity of charging stations or parking lots / car parks of e-vehicles is withdrawn from the gas network and in a power generation plant which, in terms of its capacity, corresponds to the power requirement of the number of e-vehicles to be charged corresponds, preferably in a power generation plant with a fuel cell, is converted back into electrical energy and the electrical energy is used to charge electric vehicles and the power generation system is assigned to the charging stations or parking lots / parking garages for electric vehicles rdnet is.

Bevorzugt ist eine Stromerzeugungsanlage, welche Gleichstrom erzeugt und der Gleichstrom ohne Wandlung und ohne Umspannen in die zu ladende Batterie geleitet wird.A power generation system is preferred which generates direct current and the direct current is fed into the battery to be charged without conversion and without reclamping.

In der Stromerzeugungsanlage kann bei der Verbrennung gebildetes Kohlendioxid abgetrennt, gespeichert und zum Ort der Umsetzung mit Wasserstoff zu Methan zurücktransportiert werden, wobei ein Methan/Kohlendioxid-Kreislauf entsteht.In the power generation plant, carbon dioxide formed during the combustion can be separated off, stored and transported back to the site of the reaction with hydrogen to methane, a methane / carbon dioxide cycle being formed.

Wird der Kreislauf mit fossilem Erdgas begonnen, so erfolgt die Erzeugung elektrischer Energie ohne Kohlendioxid-Emission, da Kohlendioxid abgetrennt und nachfolgend zu Methan zurückgebildet wird. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil die Gesamtanlage meist in Wohngebieten aufgestellt ist und dort Emissionen zu vermeiden sind. Außerdem sollte die Stromversorgung der E-Mobilität grundsätzlich mit erneuerbaren Energien erfolgen.If the cycle is started with fossil natural gas, electrical energy is generated without carbon dioxide emissions, since carbon dioxide is separated and subsequently converted back to methane. This is important because the entire system is usually set up in residential areas and emissions are to be avoided there. In addition, e-mobility should always be powered by renewable energies.

Wird der Kreislauf mit Biomethan begonnen, so wird das Kohlendioxid, welches die zur Biomethan-Herstellung verwendeten Pflanzen zuvor der Atmosphäre entzogen haben, im Methan/Kohledioxid-Kreislauf gehalten und gelangt nicht mehr in die Atmosphäre zurück. Der Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre nimmt dann proportional zum bei der Methan-Verstromung abgetrennten und gespeicherten Kohlendioxid ab.If the cycle is started with biomethane, the carbon dioxide which the plants used for the production of biomethane have previously removed from the atmosphere is kept in the methane / carbon dioxide cycle and does not return to the atmosphere. The carbon dioxide content in the atmosphere then decreases in proportion to the carbon dioxide separated and stored during methane generation.

Wird bei der Erstverstromung von aus dem Gasnetz entnommenem Erdgas das dabei gebildete Kohlendioxid abgetrennt und mit Wasserstoff, welcher durch Elektrolyse mit erneuerbarer Energie erzeugt wird, zu Methan rekonstruiert und nachfolgend Methan oder die entsprechende Menge an Erdgas Erfindungsgemäß rückverstromt, so verteilt sich der Aufwand der Rekonstruktion von Methan aus Kohlendioxid mit Elektrolyse stämmigem Wasserstoff auf Zwei Erdgas/Methan-Verstromungen. Nämlich auf die Erstverstromung von Erdgas und die Rückverstromung des rekonstruierten Methans. Bei Verwendung von Biomethan kann das gebildete Biokohlendioxid auch klimaneutral emittiert werdenWill this be the case during the first generation of electricity from natural gas extracted from the gas network formed carbon dioxide separated and reconstructed to methane with hydrogen, which is generated by electrolysis with renewable energy and subsequently converted back into electricity according to the invention methane or the corresponding amount of natural gas, the effort of the reconstruction of methane from carbon dioxide with electrolysis of hydrogen originating from two natural gas Methane electricity generation. Namely on the first generation of electricity from natural gas and the conversion of the reconstructed methane back into electricity. When using biomethane, the biocarbon dioxide formed can also be emitted in a climate-neutral manner

Zur Umwandlung von Erdgas/Methan in elektrische Energie sind alle Verfahren zur thermischen oder elektrochemischen Energieumwandlung geeignet. Bevorzugt sind wegen ihrer Effizienz elektrochemische Prozesse bei denen Methan oder aus Methan im Reformer erhaltener Wasserstoff in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt wird.All processes for thermal or electrochemical energy conversion are suitable for converting natural gas / methane into electrical energy. Because of their efficiency, electrochemical processes are preferred in which methane or hydrogen obtained from methane in the reformer is converted into electrical energy in a fuel cell.

Methan/Erdgas kann in einer Feststoffbrennstoffzelle direkt verstromt werden. Oder es kann zunächst in einem Dampfreformer in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt werden. Dann wird Wasserstoff und Kohlendioxid getrennt, der Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle verstromt und das Kohlendioxid wird gespeichert. Der Vorteil dieser Verfahrensweise ist, dass nach Trennung von Wasserstoff und Kohlendioxid direkt speicherfähiges Kohlendioxid anfällt.Methane / natural gas can be directly converted into electricity in a solid fuel cell. Or it can first be broken down into hydrogen and carbon dioxide in a steam reformer. Then hydrogen and carbon dioxide are separated, the hydrogen is converted into electricity in a fuel cell and the carbon dioxide is stored. The advantage of this procedure is that after separation of hydrogen and carbon dioxide, directly storable carbon dioxide is produced.

Um bei Bedarfsspitzen eine größere Stromdichte zur Verfügung zu stellen, kann es sinnvoll sein, elektrische Energie in einer stationären Batterie zu speichern.In order to provide a greater current density in the event of demand peaks, it can be useful to store electrical energy in a stationary battery.

Bei extremem Bedarf kann auch zusätzliche Energie aus dem Stromnetz entnommen werden. Ebenso kann von der Stromerzeugungsanlage bei kontinuierlichem Betrieb Energie in das Stromnetz abgegeben werden. Dies ist wichtig bei Verwendung einer Feststoffbrennstoffzelle, bei welcher häufiges an- und abstellen zu vermeiden ist.If there is extreme demand, additional energy can also be drawn from the power grid. Likewise, energy can be released into the power grid by the power generation system during continuous operation. This is important when using a solid fuel cell, in which frequent switching on and off must be avoided.

Das Kohlendioxid kann aus den Verbrennungsgasen durch Druckverflüssigung oder durch Ausfrieren als Feststoff (Trockeneis) von den anderen Gasen (hauptsächlich Luftstickstoff) abgetrennt, gespeichert und transportiert werden.The carbon dioxide can be separated from the combustion gases by pressure liquefaction or by freezing out as a solid (dry ice) from the other gases (mainly atmospheric nitrogen), stored and transported.

Eine Gesamt-Anlage zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie für E-Mobilität umfasst:

  • • (A) Parkplätze/Ladestationen mit Stromanschluss oder Batterie-Ladestationen, welche mit einer Stromerzeugungsanlage/Kraftwerk (B) verbunden sind.
  • • (B) Stromerzeugungsanlage/Kraftwerk, vorzugsweise einer Brennstoffzelle, welche aus Methan/Erdgas elektrische Energie erzeugt, wobei die Kapazität der Anzahl der mit elektrischer Energie zu versorgenden Parkplätze oder Ladestationen angepasst ist und mindestens 1KW/h je Parkplatz oder Ladestation beträgt.
  • • (C) Anschluss der Stromerzeugungsanlage/Kraftwerk an das Erdgasnetz um Erdgas/Methan für (B) aus dem Erdgasnetz zu entnehmen
  • • (D) Bei Abtrennung von Kohlendioxid ein Druckbehälter für Speicherung und Transport von flüssigem Kohlendioxid oder ein wärmegedämmter Behälter für Aufnahme und Transport von festem Kohlendioxid (Trockeneis).
  • • (E) Bei Verwendung von Methan aus Elektrolyse stämmigem Wasserstoff Anlage zur Rückbildung von Methan aus Kohlendioxid und elektrolyse-stämmigem Wasserstoff
  • • (F) Anschluss an das Erdgasnetz, um in (E) erzeugtes Methan in das Erdgasnetz einzuleiten
  • • (G) Elektrolyseur um elektrische Energie in Wasserstoff umzuwandeln, welcher bei (E) eingesetzt wird
A complete system for the decentralized generation of electrical energy for e-mobility includes:
  • • (A) Parking lots / charging stations with electricity connection or battery charging stations, which are connected to a power generation plant / power plant (B).
  • • (B) power generation plant / power plant, preferably a fuel cell, which generates electrical energy from methane / natural gas, the capacity being adapted to the number of parking spaces or charging stations to be supplied with electrical energy and being at least 1 KW / h per parking space or charging station.
  • • (C) Connection of the power generation plant / power plant to the natural gas network to extract natural gas / methane for (B) from the natural gas network
  • • (D) When separating carbon dioxide, a pressure container for storing and transporting liquid carbon dioxide or a thermally insulated container for collecting and transporting solid carbon dioxide (dry ice).
  • • (E) When methane from electrolysis-derived hydrogen is used, plant for the regression of methane from carbon dioxide and electrolysis-derived hydrogen
  • • (F) Connection to the natural gas network to introduce methane generated in (E) into the natural gas network
  • • (G) electrolyzer to convert electrical energy into hydrogen, which is used in (E)

Die Anlagenteile (A) bis (C) sind die Kernanlagenteile und werden vorzugsweise bei der Verstromung von Methan mit biologischem Kohlenstoff eingesetzt, bei denen BioKohlendioxid Klimaneutral freigesetzt werden kann.The system parts (A) to (C) are the core system parts and are preferably used for the production of methane with biological carbon, in which bio-carbon dioxide can be released in a climate-neutral manner.

Zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie für Bedarfsspitzen wird der Gesamtanlage bei (B) eine stationäre Batterie (H) hinzugefügt.A stationary battery (H) is added to the overall system at (B) to temporarily store electrical energy for peak demand.

Die Stromerzeugungsanlage kann, da sie sich in der Nähe der zugeordneten Ladestationen befindet und die elektrische Energie nicht über größere Entfernungen transportiert werden muss, direkt in der zu verwendenden Spannung und Stromart erzeugt werden.The power generation system, since it is located in the vicinity of the assigned charging stations and the electrical energy does not have to be transported over long distances, can be generated directly in the voltage and current type to be used.

Für das Einleiten oder die Entnahme von elektrischer Energie aus dem Stromnetz bei entsprechendem Bedarf ist zusätzlich eine Leitung der Stromerzeugungsanlage zum Stromnetz, gegebenenfalls mit Vorrichtung zur Anpassung der Spannung und Stromart (I) vorgesehen.For the introduction or removal of electrical energy from the power grid, if necessary, a line from the power generation system to the power grid is provided, optionally with a device for adapting the voltage and current type (I).

Ein bevorzugter Gegenstand der Erfindung ist die dezentrale Erzeugung elektrischer Energie, bei der eine Energieerzeugungsanlage durch elektrische Leitungen mit einer Gruppe von Parkplätzen bzw. Ladestationen mit elektrischem Anschluss zum Aufladen Batterie betriebener E-Fahrzeuge.A preferred object of the invention is the decentralized generation of electrical energy, in which an energy generation system by means of electrical lines with a group of parking spaces or charging stations with an electrical connection for charging battery-operated electric vehicles.

Die Stromerzeugung sollte möglichst effizient erfolgen, wobei Brennstoffzellen bevorzugt sind. Die Brennstoffzelle kann eine Feststoff-Brennstoffzelle (SFC) sein, in der Erdgas/Methan direkt verströmt werden kann. Alternativ kann auch eine Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle eingesetzt werden. Dabei wird zunächst Erdgas in einem Reformer in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten. Der Vorteil der letzteren Verfahrensweise ist, dass Wasserstoff in einer Brennstoffzelle besonders verlustfrei in elektrische Energie umgewandelt wird und dass Kohlendioxid für eine spätere Verwendung direkt anfällt und nicht aus Brandgasen abgetrennt werden muss.Electricity should be generated as efficiently as possible, with fuel cells being preferred. The fuel cell can be a solid fuel cell (SFC) in which natural gas / methane can be emitted directly. Alternatively, one Hydrogen fuel cells are used. First, natural gas is split into hydrogen and carbon dioxide in a reformer. The advantage of the latter procedure is that hydrogen is converted into electrical energy in a fuel cell in a particularly loss-free manner and that carbon dioxide is produced directly for later use and does not have to be separated from combustion gases.

Die Stromerzeugung sollte ferner Kohlendioxid frei oder Kohlendioxid neutral erfolgen. Dies geschieht, indem:

  • • bei der Stromerzeugung aus Erdgas/Methan freiwerdendes Kohlendioxid abgetrennt und vorzugsweise zur Methanherstellung wiederverwendet wird
  • • bei der Stromerzeugung wird Biomethan, welches zuvor in das Erdgasnetz eingeleitet worden ist, oder sein Äquivalent an Erdgas verwendet.
Electricity generation should also be carbon dioxide free or carbon dioxide neutral. This is done by:
  • • Carbon dioxide released during the generation of electricity from natural gas / methane is separated off and preferably reused for the production of methane
  • • Biomethane, which was previously introduced into the natural gas network, or its equivalent to natural gas is used in the generation of electricity.

Die Abtrennung von Kohlendioxid bei der vorangegangenen Spaltung von Methan/Erdgas in Wasserstoff und Kohlendioxid ist direkt und bedarf keiner Verfahrenstechnischen Aufwandes. Dagegen muss bei der Abtrennung von Kohlendioxid aus den Brandgasen dieses vom in den Brandgasen hauptsächlich enthaltenen Luftstickstoff befreit werden. Dies erfolgt bevorzugt, indem Kohlendioxid durch Druckverflüssigung oder durch Ausfrieren vom Stickstoff abgetrennt wird.The separation of carbon dioxide during the previous splitting of methane / natural gas into hydrogen and carbon dioxide is direct and does not require any process engineering effort. In contrast, when carbon dioxide is separated from the combustion gases, this must be freed from the atmospheric nitrogen mainly contained in the combustion gases. This is preferably done by separating carbon dioxide from the nitrogen by pressure liquefaction or by freezing out.

Abgetrenntes Kohlendioxid wird mit Wasserstoff, welcher durch Wasserelektrolyse erzeugt wird, wieder zu Methan zurückgebaut. So erhaltenes Methan wird in das Gasnetz zurückgeleitet. Dabei bietet sich an, elektrische Energie im Erdgasnetz zu transportieren, indem Stromerzeugung und Rückbau zu Methan durch Elektrolyse mit elektrischer Energie an unterschiedlichen Orten aufgestellt werden. Das bei der Stromerzeugung anfallende Kohlendioxid wird dann vom Ort der Stromerzeugung als Flüssiggas im Druckbehälter oder im wärmegedämmten Behälter als Feststoff (Trockeneis) zum Ort des Rückbaues zu Methan mit Wind- und Solarstrom zurückgebracht. Nach diesem Verfahren wird fluktuierende Wind- und Sonnenenergie gespeichert und verstetigt.Separated carbon dioxide is converted back to methane using hydrogen, which is generated by water electrolysis. The methane thus obtained is returned to the gas network. It makes sense to transport electrical energy in the natural gas network by setting up electricity generation and decommissioning to methane by electrolysis with electrical energy at different locations. The carbon dioxide generated in the generation of electricity is then returned from the place of electricity generation as a liquid gas in the pressure vessel or in the insulated container as a solid (dry ice) to the place of dismantling to methane with wind and solar power. With this process, fluctuating wind and solar energy is stored and stabilized.

Nach dem vorliegenden Verfahren wird Erdgas unter Vermeidung der Kohlendioxid-Emission in elektrische Öko-Energie umgewandelt wie in der DE102012025722.8 beschrieben. Neu ist hierbei, dass Erdgas dezentral verstromt wird, die Stromerzeugungsanlage direkt mit Ladestationen für Elektro Fahrzeuge verbunden ist und das bei der Verstromung von Erdgas auftretende Kohlendioxid gesammelt und zu einem Ort des Rückbaues zu Methan mit erneuerbarer Energie zurückgebracht wird. Wind- und Sonnenstrom werden im Gasnetz zu Parkplätzen/Ladestationen von E-Fahrzeugen transportiert und das dabei gebildete Kohlendioxid, das der Carrier für elektrische Energie ist, wird zur Rekonstruktion von Methan zurücktransportiert. Die E-Mobilität wird selektiv mit erneuerbarer Energie beliefert ohne die ohnehin überlasteten Stromnetze zu beanspruchen.According to the present process, natural gas is converted into electrical eco-energy, as in that, while avoiding carbon dioxide emissions DE102012025722.8 described. What is new here is that natural gas is decentrally converted into electricity, the power generation system is directly connected to charging stations for electric vehicles, and the carbon dioxide that occurs during the conversion of electricity into natural gas is collected and brought back to a place of decommissioning to methane with renewable energy. Wind and solar power are transported in the gas network to parking spaces / charging stations for electric vehicles, and the carbon dioxide formed, which is the carrier for electrical energy, is transported back for the reconstruction of methane. E-mobility is selectively supplied with renewable energy without using the already overloaded power grids.

Der besondere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die dezentrale Erzeugung elektrischer Energie unter Vermeidung der Kohlendioxid-Emission zur selektiven Versorgung der E-Mobilität, indem Erdgas aus dem Gasnetz entnommen wird und in Stromerzeugungsanlagen, welche ihnen zugeordnete Ladestationen selektiv mit elektrischer Energie versorgen, in elektrische Energie umgewandelt wird und dabei anfallendes Kohlendioxid abgetrennt, gesammelt und zum Ort der Rekonstruktion zu Methan nach dem „Power to Gas“ Verfahren zurückgebracht wird.
Da die Erfindungsgemäße Stromerzeugungsanlage oftmals in Wohngebieten stehen wird, ist die Emissionsfreiheit Grundvoraussetzung.The particular object of the present invention is thus the decentralized generation of electrical energy while avoiding carbon dioxide emissions for the selective supply of e-mobility by withdrawing natural gas from the gas network and in electrical power plants which selectively supply charging stations associated with them with electrical energy Energy is converted and the resulting carbon dioxide is separated, collected and returned to the methane reconstruction site using the "Power to Gas" process.
Since the power generation system according to the invention will often be located in residential areas, zero emissions is a basic requirement.

Eine Anlage zur dezentralen Versorgung von Parkplätzen und Ladestationen für E-Fahrzeuge umfasst neben den üblichen Power-to-Gas Vorrichtungen (Elektrolyseur und Methanisierungsanlage):

  1. 1. Stromerzeugungsanlage mit Vorrichtung zur Abtrennung von Kohlendioxid
  2. 2. Verbindungskabel zu und elektrische Anschlüsse an den Ladestationen mit Stromzählgerät zum Verkauf elektrischer Energie.
  3. 3. Behälter um flüssiges Kohlendioxid unter Druck oder festes Kohlendioxid gedämmt aufzubewahren
  4. 4. Drucktank oder gedämmte Behältnisse um flüssiges oder festes Kohlendioxid zu transportieren
A system for the decentralized supply of parking spaces and charging stations for electric vehicles includes the usual power-to-gas devices (electrolyzer and methanation system):
  1. 1. Power generation plant with a device for separating carbon dioxide
  2. 2. Connection cable to and electrical connections at the charging stations with electricity meter for selling electrical energy.
  3. 3. Containers to store liquid carbon dioxide under pressure or insulated solid carbon dioxide
  4. 4. Pressure tank or insulated containers to transport liquid or solid carbon dioxide

Die Stromerzeugungsanlage (1) ist bevorzugt eine mit Erdgas betriebene Feststoffbrennstoffzelle. Beansprucht wird auch eine Wasserstoff-betriebene Brennstoffzelle, wobei Erdgas zuvor in einem Reformer (in 1 hinzugefügt) in Kohlendioxid und Wasserstoff zerlegt wird. Neben elektrischer Energie wird Wärme frei, welche in naheliegenden Gebäuden zum Heizen verwendet werden kann. Es kann auch der Rücklauf von Fernwärmeleitungen, sofern in der Nähe vorhanden, zum Kühlen der Stromerzeugungsanlage verwendet werden.The power generation plant (1) is preferably a solid fuel cell operated with natural gas. A hydrogen fuel cell is also claimed, where natural gas is previously broken down into carbon dioxide and hydrogen in a reformer (added in FIG. 1). In addition to electrical energy, heat is released, which can be used for heating in nearby buildings. The return of district heating lines, if available nearby, can also be used to cool the power generation system.

Die Stromerzeugungsanlage sollte, z.B. bemessen für ca. 20 Parkplätze mit Ladestation, eine Kapazität von100 bis 200KWh aufweisen. Je nach Effizienz der Stromerzeugungsanlage werden dabei 20 bis 40 cbm/h Erdgas verbrannt und wobei 40 bis 80 kg Kohlendioxid/h entstehen und in 3 gespeichert werden müssen. Bei einer durchschnittlichen Auslastung der Anlage von 30% wären in 24 Stunden 280 bis 550kg zu speichern. Für mehrere Tage Speicherkapazität sollte der Behälter ein Fassungsvermögen von etwa 3 cbm vorhalten.The power generation plant should have a capacity of 100 to 200KWh, for example, dimensioned for approx. 20 parking spaces with a charging station. Depending on the efficiency of the power generation plant, 20 to 40 cbm / h of natural gas are burned and 40 to 80 kg of carbon dioxide / h are generated and must be stored in 3. With average occupancy 30% of the system would have to store 280 to 550kg in 24 hours. The container should have a capacity of approximately 3 cbm for several days of storage capacity.

Verbindungskabel und elektrische Anschlüsse (2) sind so zu dimensionieren, dass je zugeordnetem Parkplatz 5 - 10KWh zur Verfügung gestellt werden. Gegebenenfalls sollten auch höher Stromdichte für Induktionsladung zur Verfügung stehen.Connection cables and electrical connections (2) must be dimensioned so that 5 - 10 kWh are made available for each allocated parking space. If necessary, a higher current density should also be available for induction charging.

Der Kohlendioxid-Behälter muss allen Sicherheitsanforderungen genügen. Zwar ist Kohlendioxid nicht toxisch und nicht brennbar, aber aufgrund seiner im Vergleich zur Luft ist es schwerer und kann sich im Falle einer Leckage am Boden ansammeln und so zum Ersticken führen. Es empfiehlt sich daher, in Wohngebieten den Kohlendioxid Behälter gasdicht zu ummanteln und den Zwischenraum in die Kanalisation zu entlüften.The carbon dioxide container must meet all safety requirements. Although carbon dioxide is non-toxic and non-flammable, it is heavier than the air and can accumulate on the floor in the event of a leak, leading to suffocation. It is therefore advisable to cover the carbon dioxide container gas-tight in residential areas and to vent the space into the sewage system.

Angesichts der niedrigen Emission der Gesamtanlage kann sie in kompakter Bauweise erstellt und, sofern oberirdisch erstellt, in einer Einhausung in Containergröße untergebracht werden. Diese sollte in das Stadtbild eingepasst werden und es bietet sich an, die Seitenflächen zur Werbung zu nutzen.In view of the low emissions of the overall system, it can be built in a compact design and, if created above ground, in a container-sized housing. This should be fitted into the cityscape and it makes sense to use the side surfaces for advertising.

In einer erweiterten Ausführungsform der Stromerzeugungsanlage wird das Erdgas zunächst in einem Dampfreformer in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten und Wasserstoff und Kohlendioxid getrennt und der Wasserstoff in einer stationären Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt und Kohlendioxid gesammelt und mit Elektrolyse-Wasserstoff zu Methan zurückgebaut.In an expanded embodiment of the power generation plant, the natural gas is first split into hydrogen and carbon dioxide in a steam reformer and hydrogen and carbon dioxide separated and the hydrogen is converted into electrical energy in a stationary fuel cell and carbon dioxide is collected and converted back to methane using electrolysis hydrogen.

Gegenüber der Direktverbrennung von Erdgas/Methan hat diese Ausführungsform folgende wichtigen Vorteile:

  • • Der Wasserstoff wird in einer dafür vorgesehenen stationären Brennstoffzelle effizienter in elektrische Energie umgewandelt als Erdgas/Methan in einer Feststoffbrennstoffzelle
  • • Im Reformer lässt sich Kohlendioxid einfacher Abtrennen als aus den Rauchgasen
  • • In der Brennstoffzelle entsteht direkt benötigter Gleichstrom, der auch in der Spannung angepasst werden kann.
This embodiment has the following important advantages over the direct combustion of natural gas / methane:
  • • The hydrogen is converted into electrical energy more efficiently in a dedicated fuel cell than natural gas / methane in a solid fuel cell
  • • Carbon dioxide is easier to separate in the reformer than from the flue gases
  • • Directly required direct current is generated in the fuel cell, which can also be adjusted in voltage.

Bei dieser Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, die Spaltung von Erdgas /Methan in Wasserstoff und Kohlendioxid zentral in einem Reformer mit großer Kapazität durchzuführen und den Wasserstoff in Leitungen oder im Druckbehälter oder als Flüssigwasserstoff in wärmegedämmtem Behälter zu einer dezentralen Stromerzeugungsanlage zu transportieren. Die Dampfreformer zur Spaltung von Erdgas in Wasserstoff und Kohlendioxid arbeiten umso effizienter und umweltfreundlicher je grösser sie dimensioniert sind.In this embodiment, it is also possible to carry out the splitting of natural gas / methane into hydrogen and carbon dioxide centrally in a reformer with a large capacity and to transport the hydrogen in lines or in the pressure vessel or as liquid hydrogen in a thermally insulated vessel to a decentralized power generation system. The steam reformers for splitting natural gas into hydrogen and carbon dioxide work the more efficiently and environmentally friendly the larger they are dimensioned.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der Wasserstoff auch Betankungsanlagen für E-Fahrzeuge mit mobiler Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann Dabei können E-Fahrzeuge mit Brennstoffzelle, welche längere Zeit (z.B. über Nacht) abgestellt sind, mit ihrer Brennstoffzelle die Batterien anderer E-Fahrzeuge laden, indem Strom von den E-Fahrzeugen mit Brennstoffzelle in die Ladestation eingeleitet wird und von da in das Stromnetz der Erfindungsgemäßen Anlage gelangt. Ein E-Fahrzeug mit Brennstoffzelle kann dann über Nacht die Batterie mehrerer E-Fahrzeuge aufladen, wobei das Fahrzeug mit Brennstoffzelle gegebenenfalls mit Wasserstoff nachzuladen ist. E-Fahrzeuge mit Brennstoffzelle können so die Ladekapazität der Gesamtanlage erhöhen.A further advantage of this embodiment is that the hydrogen can also be provided for refueling systems for e-vehicles with a mobile fuel cell. E-vehicles with a fuel cell, which are parked for a long time (for example overnight), can use their fuel cell to charge the batteries of other e-vehicles charge by introducing electricity from the electric vehicles with fuel cell into the charging station and from there into the power network of the system according to the invention. An electric vehicle with a fuel cell can then charge the battery of several electric vehicles overnight, the vehicle with a fuel cell possibly having to be recharged with hydrogen. E-vehicles with fuel cells can increase the loading capacity of the entire system.

Bei der Verwendung von mobilen Brennstoffzellen für das Laden von anderen E-Fahrzeugen ist wichtig, dass das Fahrzeug mit der Brennstoffzelle eine Vorrichtung besitzt, nach der die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wahlweise in den Elektromotor des die Brennstoffzelle enthaltenden Fahrzeuges oder in ein externes Stromnetz, aus dem andere E-Fahrzeuge geladen werden, leitet. Zusätzlich kann der Wasserstoff während einer externen Stromabgabe entweder aus dem Wasserstofftank des die Brennstoffzelle enthaltenden Fahrzeuges stammen oder durch eine stationäre Zuleitung von außen unter Umgehen des Wasserstofftanks direkt in die Brennstoffzelle geleitet werden.When using mobile fuel cells for charging other electric vehicles, it is important that the vehicle with the fuel cell has a device according to which the electrical energy generated in the fuel cell can be either in the electric motor of the vehicle containing the fuel cell or in an external power supply , from which other electric vehicles are charged. In addition, during an external power supply, the hydrogen can either come from the hydrogen tank of the vehicle containing the fuel cell or can be fed directly into the fuel cell from the outside bypassing the hydrogen tank through a stationary supply line.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102012025722 [0027]DE 102012025722 [0027]

Claims (10)

Verfahren zur dezentralen Erzeugung erneuerbarer elektrischer Energie und dessen Verwendung als Ladestrom für E-Mobilität, bei dem elektrische Sonnen- oder Windenergie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird und der Wasserstoff mit Kohlendioxid oder mit Kohlenmonoxid zu Methan umgesetzt wird und Methan in das Erdgasnetz eingeleitet wird und Methan zusammen mit dem Erdgas im Gasnetz transportiert wird und Methan oder die äquivalente Menge an Erdgas aus dem Gasnetz entnommen wird und in einer Stromerzeugungsanlage wieder in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsanlage in der Nähe von Ladestationen oder von Parkplätzen/Parkhäusern für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Batterie aus dem Gasnetz entnommen wird und die Stromerzeugungsanlage bezüglich ihrer Kapazität dem Strombedarf der in den auf den Parkplätzen oder den Ladestationen befindlichen Fahrzeugen angepasst ist.Process for the decentralized generation of renewable electrical energy and its use as a charging current for e-mobility, in which electrical solar or wind energy is converted into hydrogen by water electrolysis and the hydrogen is converted to methane with carbon dioxide or with carbon monoxide and methane is introduced into the natural gas network and Methane is transported together with the natural gas in the gas network and methane or the equivalent amount of natural gas is taken from the gas network and converted back into electrical energy in a power generation system, characterized in that the power generation system is located in the vicinity of charging stations or parking lots / parking garages for electrically powered vehicles with batteries are removed from the gas network and the capacity of the power generation system is adapted to the power requirements of the vehicles in the parking lots or the charging stations. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem Kreislauf zunächst Erdgas aus dem Gasnetz entnommen wird und in elektrische Energie umgewandelt wird und das dabei gebildete Kohlendioxid mit Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse in Methan umgewandelt wird und Methan in das Erdgasnetz zurückgeleitet wird und die Stromerzeugung aus Erdgas ohne Kohlendioxid-Emission erfolgt.Procedure according to Claim 1 , in which natural gas is first withdrawn from the gas network and converted into electrical energy and the carbon dioxide formed is converted into methane with hydrogen from water electrolysis and methane is returned to the natural gas network and electricity is generated from natural gas without carbon dioxide emissions . Verfahren nach Anspruch 1, bei dem biologisches Kohlendioxid oder biologisches Kohlenmonoxid mit Wasserstoff aus der Wasserstoffelektrolyse umgesetzt wird und bei der Stromerzeugung gebildetes Kohlendioxid klimaneutral emittiert wird.Procedure according to Claim 1 , in which biological carbon dioxide or biological carbon monoxide is reacted with hydrogen from the hydrogen electrolysis and carbon dioxide formed during the generation of electricity is emitted in a climate-neutral manner. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Stromerzeugung erfolgt, indem Erdgas/Methan in einem Dampfreformer in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt wird und der Wasserstoff zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle verwendet wird.Procedure according to Claim 1 to 3 , which generates electricity by converting natural gas / methane into hydrogen and carbon dioxide in a steam reformer and using the hydrogen to generate electricity in a fuel cell. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Stromerzeugung in einer Feststoff-Brennstoffzelle erfolgt und die Feststoff-Brennstoffzellen bei fehlender Stromabnahme weiterläuft und die elektrische Energie in das Stromnetz abgegeben wird.Procedure according to Claim 1 to 3 , in which the electricity is generated in a solid fuel cell and the solid fuel cells continue to run in the absence of power consumption and the electrical energy is released into the power grid. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Stromerzeugungsanlage und die Anlage zum Rückbau von Kohlendioxid zu Methan räumlich getrennt sind und das Kohlendioxid vom Ort der Stromerzeugung als Flüssigkeit im Druckbehälter oder als Feststoff (Trockeneis) in wärmegedämmtem Behälter zum Ort des Rückbaues zu Methan mit Elektrolyse-Wasserstoff transportiert wird.Procedure according to Claim 1 to 5 , in which the power generation plant and the plant for the dismantling of carbon dioxide to methane are spatially separated and the carbon dioxide is transported from the place of electricity generation as a liquid in the pressure vessel or as a solid (dry ice) in a thermally insulated container to the place of dismantling to methane with electrolysis hydrogen. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem der Stromerzeugungsanlage eine Batterie hinzugefügt wird.Procedure according to Claim 1 to 6 , in which a battery is added to the power generation system. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei dem an der Ladestation, welche mit der Stromerzeugungseinheit verbunden ist, die Batterie elektrisch betriebener Schienenfahrzeuge aufgeladen wird.Procedure according to Claim 1 to 7 , in which the battery of electrically operated rail vehicles is charged at the charging station which is connected to the power generation unit. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei dem Erdgas zuerst in einem Dampfreformer in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt wird und der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, welche die Stromerzeugungsanlage ist, in elektrische Energie umgewandelt wird und Kohlendioxid gesammelt wird.Procedure according to Claim 1 to 7 , in which natural gas is first broken down into hydrogen and carbon dioxide in a steam reformer and the hydrogen is converted into electrical energy in a fuel cell, which is the power generation plant, and carbon dioxide is collected. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Zerlegung von Methan/Erdgas in Kohlendioxid und Wasserstoff zentral erfolgt und der Wasserstoff zu dezentral verteilten Brennstoffzellen in Rohrleitungen oder im Druckbehälter transportiert wird und die Brennstoffzelle stationär einer Gruppe von Parkplätzen oder Ladestationen zugeordnet ist oder die mobile Brennstoffzelle, welche sich in einem ebenfalls geparkten Fahrzeug befindet, zur Stromerzeugung für andere Fahrzeuge verwendet wird.Procedure according to Claim 9 , in which the decomposition of methane / natural gas into carbon dioxide and hydrogen takes place centrally and the hydrogen is transported to distributed fuel cells in pipelines or in the pressure vessel and the fuel cell is assigned to a group of parking spaces or charging stations or the mobile fuel cell, which is located in one also parked vehicle is used to generate electricity for other vehicles.
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