DE102021003025A1

DE102021003025A1 - Verfahren zur Energiespeicherung und zur Rohstoffgewinnung aus Biomasse

Info

Publication number: DE102021003025A1
Application number: DE102021003025.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schlitt; Fritz Richarts
Original assignee: Individual
Current assignee: RICHARTS, FRITZ, PROF. DR., DE; Schlitt Rainer De
Priority date: 2021-06-12
Filing date: 2021-06-12
Publication date: 2022-12-15

Abstract

2.1 Die Speicherung von Elektroenergie ist zurzeit nur in Batteriespeichern und in Pumpspeicherkraftwerken in größerem Umfang möglich. Beide Speicherverfahren sind für die Bewältigung der zunehmenden Anforderungen an die Speicherung ungeeignet. Diesem Mangel kann nur durch neue Ansätze in der Speichertechnologie abgeholfen werden.2.2 Ein neuer Ansatz stellt die Verwendung von H2 dar, das bei der Elektrolyse des Solar- und Windstroms erzeugt und mit geringem Aufwand zwischengespeichert wird. Zusammen mit biogenem CO2 wird ein flüssiger Energieträger hergestellt. Zur Gewinnung von CO2 wird Biomasse nicht mit Luft, sondern mit O2 verbrannt, das bei der H2-Erzeugung entsteht. Das Verbrennungsabgas besteht größtenteils aus CO2 mit geringen Wasserdampfanteilen, wodurch das CO2 auf einfache Weise vom Abgas abgetrennt werden kann. Anschließend wird das H2 mit dem CO2 zu einem flüssigen Rohstoff oder Energieträger weiterverarbeitet, der einfach gelagert, transportiert und verlustlos gespeichert werden kann.2.3 Die Kopplung der CO2-Produktion aus Biomasse an die Hydrierung mit dem H2 aus der Elektrolyse ermöglicht es, die Speicheraufgabe mittels Kurzzeitspeicherung der Zwischenprodukte O2 und H2 und die Langzeitspeicherung des flüssigen Endproduktes auf einfache Weise zu lösen. Das Verfahren eröffnet damit den Weg in eine klimaneutrale, gesicherte Energie- und Rohstoffversorgung.

Description

Stand der Technik und Aufgabenstellung
Die Umstellung der Versorgung mit Energie und Rohstoffen von fossilen auf klimaneutrale Quellen erfordert neben der Gewinnung von Energie und Rohstoffen auch geeignete Energiespeicher, mit deren Hilfe Energiegewinnung von Energieabgabe an die Verbraucher zeitlich entkoppelt wird. Die Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Quellen hat aktuell einen zunehmenden Anteil am gesamten Energieaufkommen. Der weitere Ausbau erfordert jedoch neben der Gewinnung größere Speicherkapazitäten und geeignete Speichertechnologien. Die unmittelbare Speicherung von Elektroenergie ist zurzeit nur in Batteriespeichern und in Pumpspeicherkraftwerken technisch in größerem Umfang möglich. Beide Speicherverfahren sind technisch aufwendig und kostenintensiv. Sie sind für die Bewältigung der zunehmenden Anforderungen an die Speicherung nur bedingt geeignet. Die Entwicklung der Speichertechnologie hat mit der Technologie der Gewinnung von erneuerbarer Energie nicht Schritt gehalten. Dieser Entwicklungsrückstand stellt sich als immer größer werdendes Hemmnis für den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energiegewinnung dar.
Neben der unmittelbaren Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen rückt die Umwandlung des primär gewonnenen Stroms in Wasserstoff mittels Hydrolyse immer mehr in den Vordergrund des fachlichen und öffentlichen Interesses. Zu der Funktion als Energieträger gewinnt H2 auch als Zwischenprodukt für die Rohstoffgewinnung an Bedeutung. Die Verwendung von H2 als Zwischenprodukt eröffnet für die Entwicklung geeigneter Energiespeicher neue Möglichkeiten.
Aufgabe des hier beschriebenen Verfahrens ist die Zwischenspeicherung mit einem minimalen anlagentechnischen und betrieblichen Aufwand und die Bereitstellung eines für die weitere Speicherung und Anwendung geeigneten Energie- und Rohstoffträgers mit dem Fokus auf ein flüssiges Trägermedium. Methanol stellt dabei eine wichtige Option dar. Große Bereiche der vorhandenen Infrastruktur von der Bereitstellung als Rohstoff und Energieträger über Langzeitspeicherung, Lagerung, Transport und Umwandlung, z. B. in Verbrennungsmotoren, können damit weitestgehend unverändert beibehalten werden. Damit lässt sich der Wechsel von fossilen zu klimaneutralen Quellen zeitnah und auch schon in größerem Umfang beginnen und kontinuierlich bis hin zur vollständigen Klimaneutralität weiterentwickeln.
Beschreibung des Verfahrens
Wesentliche Bestandteile des Verfahrens sind im Patentantrag (DPMA-Aktenzeichen 10 2021001 242.9) vom 10.03.2021 beschrieben. Dies sind die Hydrolyse, die Biomasseverbrennung und die Hydrierung des bei der Hydrolyse erzeugten Wasserstoffs mit dem Kohlendioxid, das bei der Biomasseverbrennung entsteht und auf einfache Weise von dem Abgas der Feuerung abgetrennt wird.
In dem hier beschriebenen Verfahren wird die Wasserstoff- und Sauerstoff-Erzeugung in der Hydrolyse zeitlich von der Biomasseverbrennung und der H2-CO2-Hydrierung entkoppelt. Hierfür wird ein Teil der Hydrolyseprodukte H2 und O2 in Hochdruckspeichern zwischengelagert. Während die Momentanleistung der Hydrolyse exakt dem aktuellen Leistungsangebot aus Solar- und Windgeneratoren entspricht, ist die Leistung der Biomassefeuerung und der Hydrieranlage dem zeitlichen Mittelwert der Wasserstofferzeugung angepasst. Die Hydrolyseleistung wird entsprechend der aktuell verfügbaren elektrischen Leistung aus Wind und Sonne zwischen Niedriglast und Hydrolyse-Höchstlast moduliert. Im Gegensatz dazu werden Hydrierung und Biomassefeurung mit konstanter Leistung durchlaufend mit optimalen Bedingungen betrieben.
In 1 ist die Grundfunktion des Verfahrens dargestellt. Der in der Solaranlage und im Windpark (1) erzeugte Strom (10) wird unmittelbar in den Hydrolyseur (2) geleitet. Der momentan erzeugte Wasserstoff (11) wird vorrangig der Hydrieranlage zugeführt. Übersteigt die H2-Erzeugung den Sollwert der H2-Menge in der Hydrierung, dann wird der H2-Überschuss vom H2-Verdichter (7) in den H2-Hochdrucktank (7) gefördert. Reicht die momentane H2-Erzeugung für den Betrieb der Hydrierung nicht aus, dann wird das H2-Defizit durch Entnahme aus dem zuvor im H2-Hochdrucktank gespeicherten Vorrat gedeckt. In gleicher Weise wird mit dem bei der Hydrolyse erzeugten Sauerstoff (12) verfahren. Dieser wird vorrangig in der Biomasseverbrennung (3) als Oxidationsmittel eingesetzt.
Wird in der Biomassefeuerung weniger Sauerstoff benötigt als momentan von der Hydrolyse erzeugt wird, dann fördert der O2-Verdichter (9) den Überschuss in den O2-Hochdrucktank (8). Auch hier wird bei geringer Hydrolyseleistung der fehlende Sauerstoff dem zuvor aufgeladenen Sauerstofftank entnommen und so das Defizit gedeckt. Durch kontinuierliche Zufuhr einer konstanten Biomassemenge (13) ergibt sich ein konstanter CO2-Massenstrom (14) für die Hydrierung (5). Dieser produziert dank der konstanten H2- und CO2-Zufuhr einen konstanten Massenstrom des gewünschten Synthesematerials, wie z. B. Methanol (15).
Vorteile des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik
Mit Hilfe der H2- und O2-Speicherung (6) und (8) werden der Betrieb der auf volatile Stromzufuhr aus Solar- und Windgeneratoren (1) angewiesenen Hydrolyse (2) zeitlich von dem mit konstanten Leistungen durchlaufenden Betrieb der Biomassefeuerung (3) und der Hydrierung (4) entkoppelt.
Gegenüber einem System ohne Kurzzeitspeicherung der Zwischenprodukte kann dadurch der Betrieb der Feuerung und der Hydrierung weitaus stabiler und effizienter gestaltet werden. Die jährliche Betriebsdauer erhöht sich nachhaltig. Die Produktivität des Systems lässt sich dadurch wesentlich steigern. Die Wirtschaftlichkeit erhöht sich beträchtlich. Die Investition für Biomassefeuerung und Hydrierung fällt erheblich niedriger aus, weil ihre Kapazität nicht der maximalen, sondern der wesentlich niedrigeren jahresdurchschnittlichen Hydrolyseleistung angepasst wird.
Bezugszeichenliste
Legende zu 1

1: Wind-, Solarstromerzeugung
2: Hydrolyseur
3: Biomasseverbrennung
4: Hydrieranlage
5: Langzeitspeicher
6: Wasserstoff-Hochdrucktank
7: Wasserstoffverdichter
8: Sauerstoff-Hochdrucktank
9: Sauerstoffverdichter
10: Elektrische Energie
11: Wasserstoffleitung
12: Sauerstoffleitung
13: Biomassezufuhr
14: CO2-Leitung
15: Methanolleitung

Claims

Beansprucht wird ein Verfahren zur Speicherung von aus erneuerbaren Quellen gewonnener Elektroenergie, die in Hydrolyseuren in Wasserstoff umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff kurzzeitig teilweise oder vollständig zwischengespeichert, in einer nachfolgenden Syntheseanlage mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Stoffen, vorzugsweise CO2, zu einem flüssigen Rohstoff oder Energieträger, vorzugsweise Methanol, hydriert und anschließend in Flüssigkeitsbehältern verlustfrei und langzeitstabil gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Hydrolyse entstehende Sauerstoff kurzzeitig teilweise oder vollständig zwischengespeichert und in einer nachgeschalteten Feuerung für kohlenstoffhaltige Brennstoffe, vorzugsweise Biomasse, anstelle von Luft als Oxidationsmittel eingesetzt und das bei der Verbrennung entstehende CO2 nach Abtrennung aus dem Abgas einer weiteren Verwendung als Kohlenstoffträger zugeführt wird.
Verfahren zur Energiespeicherung und zur Rohstoffgewinnung, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Anspruch 1 gewonnene und gespeicherte H2 zusammen mit dem gem. Anspruch 2 gewonnenen CO2 in einer Syntheseanlage zu einem flüssigen Rohstoff oder Energieträger, vorzugsweise Methanol, hydriert und anschließend in Flüssigkeitsbehältern verlustfrei und langzeitstabil gespeichert wird.