DE102019217116A1

DE102019217116A1 - Power-to-X-Anlage mit optimierter Wasserstofftrocknung und Reinigung

Info

Publication number: DE102019217116A1
Application number: DE102019217116.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Stefan Schmied; Andreas Volkmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage (1) mit einem Elektrolyseur (2) und einem Energiewandler (12), die über eine Wasserstoffleitung (13) miteinander verbunden sind, weiter umfassend einen Speicher (10) der zwischen Elektrolyseur (2) und Energiewandler (12) in die Wasserstoffleitung (13) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffleitung in Strömungsrichtung des Wasserstoffs vor dem Speicher so-wie der Speicher beheizbar sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Speicherung und flexiblen Nutzung erneuerbarer Energien.

Description

Die Erfindung betrifft eine Power-to-X-Anlage mit einem Elektrolyseur und einem Energiewandler sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Power-to-X bezeichnet unterschiedliche Möglichkeiten der Nutzung (insbesondere Speicherung) im Falle eines Überangebots erneuerbarer Energie aus Sonne, Wind und Wasserkraft.
Ein Teil dieser Technologien sind die Power-to-Gas-Prozesse, welche ein wesentliches Element zur Dekarbonisierung oder Defossilierung des Transport- und Energiesektors sein können und auch zur Energiespeicherung verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Speichertechnologien stellt dabei die hohe Energiedichte von Wasserstoff oder anderer Kohlenwasserstoffe dar.
Für die Rückverstromung des Wasserstoffes werden heute im Wesentlichen Verbrennungsanlagen wie z.B. Gasturbinen oder Dampfkessel verwendet, was den Wirkungsgrad der Gesamtkette von der Erzeugung des Wasserstoffes durch die Elektrolyse über die Verdichtung, Reinigung und Speicherung des Wasserstoffes bis hin zur Rückverstromung z.B. in einer Gasturbine nur auf einem sehr niedrigen Niveau unter 30% ermöglicht.
Ein weiterer Nachteil der Rückverstromung über eine Verbrennungsanlage, wie z.B. bei einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, ist die eingeschränkte Flexibilität mit langen An- und Abfahrzeiten sowie Leistungsgradienten, was speziell bei der Kompensation und Speicherung von regenerativer Energie einen entscheidenden Nachteil darstellt.
Im Gegensatz dazu verspricht die Brennstoffzelle sowohl eine hohe Flexibilität als auch einen höheren Wirkungsgrad und kann dadurch die schwankende Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie besser ausnutzen. Dem stehen heute die hohen Investitionskosten der Gesamtkette der Brennstoffzellenanwendung in Verbindung mit Elektrolyse als Nachteil gegenüber.
Heutige Anwendungen kommen daher nur im Verkehrsbereich zum Einsatz. Für eine Speicherung im Lastkraftwagen oder Kraftfahrzeug müssen extrem hohe Energiedichten realisiert werden, um die Speichervolumina begrenzen zu können und hohe Fahrleistungen zu ermöglichen. Dies kann bei Wasserstoff nur über hohe Drücke zwischen 350-750bar ermöglicht werden. Um bei diesen hohen Drücken Korrosion durch Wasserdampf oder Sauerstoff sicher zu vermeiden, muss der Wasserstoff gereinigt und Wasserdampf und Sauerstoff vollständig entfernt werden. Diese Reinigung ist nur über Trocknung (Kälte- und Adsorptionstrocknung) und katalytische Sauerstoff-Entfernung möglich, was einerseits zu einem hohen Investitionsaufwand und andererseits zu Wasserstoffverlusten durch die katalytische Reaktion führt. Aufgrund dieser aufwendigen Reinigung sind stationäre Anlagen bestehend aus Elektrolyse und Brennstoffzelle heute oft noch nicht wirtschaftlich.
Bisher wird die Speicherung und Rückverstromung von Wasserstoff mit einem der mobilen Anwendung vergleichbaren Anlagenkonzept realisiert. Eine Anlage zur Speicherung und Rückverstromung von regenerativer Energie umfasst eine Elektrolyse, einen optionalen Verdichter, einen katalytischen Sauerstoff-Entferner, eine Abkühleinrichtung mit Wasserabscheider, einen Adsorber, einen weiteren Verdichter, einen Speicher und eine Brennstoffzelle mit Befeuchter. Aufgrund des komplexen Anlagenkonzeptes und des hohen Speicherdruckes sind die Investitionskosten für stationäre Anwendungen sehr hoch und ein wirtschaftlicher Betrieb ist nur bei sehr hohen Einspeisetarifen bei der Rückverstromung und sehr niedrigen Strompreisen für die Erzeugung von Wasserstoff möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Power-to-X-Anlage bereitzustellen, die eine Prozessvereinfachung ermöglicht und hilft, Investitionskosten in signifikanter Höhe zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben.
Die Erfindung löst die auf eine Power-to-X-Anlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Power-to-X-Anlage mit einem Elektrolyseur und einem Energiewandler, die über eine Wasserstoffleitung miteinander verbunden sind, und mit einem Speicher, der zwischen Elektrolyseur und Energiewandler in die Wasserstoffleitung geschaltet ist, die Wasserstoffleitung in Strömungsrichtung des Wasserstoffs vor dem Speicher sowie der Speicher selbst beheizbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Speicherung des Wasserstoffes auf einem Druckniveau durchgeführt, welches durch die Elektrolyse und ohne Nutzung eines zusätzlichen Verdichters erreichbar ist. Durch Absenkung des Druckes ist es möglich, die Reinheitsanforderungen an den Wasserstoff zu reduzieren, da bei niedrigen Drücken (z.B. < 40 bar) mit geringerer Korrosionsneigung bei Kondensation des Wasseranteiles und vorhandenem Restsauerstoff aus der Elektrolyse zu rechnen ist. Dies macht den apparativen Aufwand zur Kondensation und Wärmerückgewinnung vor dem Speicher überflüssig. Ein höheres Korrosionsrisiko kann durch höherwertiges Material aber vor allem durch zusätzliche Beheizung kompensiert werden. Durch Anhebung der Temperatur überhitzt der Wasserstoff und eine Kondensation von Wasser im Speicher und den verbindenden Rohrleitungen kann somit ausgeschlossen werden.
Durch die im Vergleich zum Stand der Technik höhere Sättigungstemperatur und den damit verbundenen Wassergehalt ist bei dieser Ausführungsform aber auch eine geringere Aufsättigung des Wasserstoffstromes vor Eintritt in den Energiewandler notwendig. Im besten Fall ermöglicht der erhöhte Wasseranteil im Wasserstoff sogar den Verzicht auf die Befeuchtungseinheit vor Eintritt in den Energiewandler.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Energiewandler eine Brennstoffzelle. Die Vorteile der Brennstoffzelle gegenüber beispielsweise einer Verbrennungsanlage wurden bereits dargelegt.
Diese Ausführungsform stellt das einfachste und verfahrenstechnisch kostengünstigste Konzept dar. Sie ist aber nur bei Elektrolysen mit vergleichsweise geringem Sauerstoff-Gehalt im Wasserstoffstrom und der gleichzeitigen Verwendung hochwertiger Materialien möglich.
Ist insbesondere die Bedingung hinsichtlich des vergleichsweise geringen Sauerstoffgehalts nicht erfüllt, ist es vorteilhaft, die Power-to-X-Anlage um einen zwischen Elektrolyseur und Speicher in der Wasserstoffleitung angeordneten chemischen Reaktor zur katalytischen Sauerstoffentfernung zu erweitern. Der in der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff wird zunächst von Restsauerstoff durch katalytische Oxidation des Sauerstoffes mit Wasserstoff befreit. Der Wasseranteil und die damit verbundene Wassermenge steigen allerdings innerhalb des Wasserstoffstromes durch diese Reaktion an.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Speicherung und flexiblen Nutzung erneuerbarer Energien, mit folgenden Schritten:

• zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Zuführen elektrischer Energie,
• einspeichern des Wasserstoffs in einen Speicher,
• ausspeichern des Wasserstoffs aus dem Speicher und
• umwandeln von chemischer Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie,

Die mit dem erfinderischen Verfahren verbundenen Vorteile sind dieselben, wie bei der erfinderischen Vorrichtung.
Vorteilhafter Weise wird der erzeugte Wasserstoff nicht nur im Speicher selbst beheizt, sondern bereits in der Wasserstoffleitung, bevor er eingespeichert wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der erzeugte Wasserstoff vor dem Einspeichern durch eine katalytische Oxidation des Sauerstoffes mit Wasserstoff von Restsauerstoff befreit wird.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

1 Power-to-X-Anlage mit einem Elektrolyseur und einem Energiewandler nach dem Stand der Technik und
2 Power-to-X-Anlage mit einem Elektrolyseur und einem Energiewandler nach der Erfindung.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Power-to-X-Anlage 1 zur Speicherung und Rückverstromung von regenerativer Energie nach dem Stand der Technik. Die Power-to-X-Anlage 1 umfasst einen Elektrolyseur 2, einen ersten Verdichter 3, einen chemischen Reaktor 4 zur katalytischen Sauerstoffentfernung , einen ersten Wärmeübertrager 5 als Abkühleinrichtung mit einer vorgeschalteten Kälteeinheit 6 (Chiller) sowie mit Wasserabscheider 7, einen Adsorber 8, einen zweiten Verdichter 9, einen Speicher 10 und eine Brennstoffzelle als Energiewandler 12 mit Befeuchter 11. Diese Komponenten sind untereinander über eine Wasserstoffleitung 13 verbunden.
2 zeigt eine Power-to-X-Anlage 1 mit einem Elektrolyseur 2 und einem Energiewandler 12 nach der Erfindung. Im Unterschied zum Stand der Technik der 1 wird die Speicherung des Wasserstoffes auf einem Druckniveau durchgeführt, welches durch die Elektrolyse und ohne Nutzung eines ersten Verdichters 3 erreichbar ist.
Elektrolyseur 2 und Energiewandler 12 sind im Ausführungsbeispiel der 2 über eine Wasserstoffleitung 13 miteinander verbunden. Ein Speicher 10 ist zwischen Elektrolyseur 2 und Energiewandler 12 angeordnet. Sowohl der Speicher 10 als auch zumindest ein Teil der Wasserstoffleitung 13 sind beheizbar (s. Heizung 14). Der Energiewandler 12 ist eine Brennstoffzelle.
Der in der 2 gezeigte und in der Wasserstoffleitung (13) angeordnete chemische Reaktor 4 zur katalytischen Sauerstoffentfernung ist optional.

Claims

Power-to-X-Anlage (1) mit einem Elektrolyseur (2) und einem Energiewandler (12), die über eine Wasserstoffleitung (13) miteinander verbunden sind, weiter umfassend einen Speicher (10) der zwischen Elektrolyseur (2) und Energiewandler (12) in die Wasserstoffleitung (13) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffleitung in Strömungsrichtung des Wasserstoffs vor dem Speicher sowie der Speicher beheizbar sind.
Power-to-X-Anlage (1) nach Anspruch 1, wobei der Energiewandler (12) eine Brennstoffzelle ist.
Power-to-X-Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiter umfassend einen zwischen Elektrolyseur (2) und Speicher (10) in der Wasserstoffleitung (13) angeordneten chemischen Reaktor (4) zur katalytischen Sauerstoffentfernung.
Verfahren zur Speicherung und flexiblen Nutzung erneuerbarer Energien, mit folgenden Schritten: • zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Zuführen elektrischer Energie, • einspeichern des Wasserstoffs in einen Speicher (10), • ausspeichern des Wasserstoffs aus dem Speicher (10) und • umwandeln von chemischer Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff im Speicher (10) beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Wasserstoff beheizt wird, bevor er eingespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der erzeugte Wasserstoff vor dem Einspeichern durch eine katalytische Oxidation des Sauerstoffes mit Wasserstoff von Restsauerstoff befreit wird.