DE102023100732A1 - Eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis und deren Verwendungsverfahren - Google Patents

Eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis und deren Verwendungsverfahren Download PDF

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Yisong Han
Fang Han
Xudong Peng
Lei Yao
Liangying Li
Jiawei WANG
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Hangzhou Oxygen Plant Group Co Ltd
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Abstract

Photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis und deren Verwendungsverfahren, wobei sie eine Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung umfasst, wobei eine photovoltaische Beteiligung an der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff in der Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung erfolgt, um den nachgeschalteten Prozessbedarf an überschüssigem Wasserstoff in dieser Einheit nach Verflüssigung zu decken, flüssiger Wasserstoff erzeugt wird und so die intermittierende photovoltaische Energie in einen Wasserstoffspeicher umwandelt wird, wobei bei nicht ausreichender Wasserstofferzeugung aus Elektrolytwasser und kontinuierlichem Bedarf an den Wasserstoff für die industrielle Nutzung industrielle Abgasreinigung von Kohlendioxid und Luftzerlegung von Stickstoff zur Rückgewinnung der hochwertigen bzw. minderwertigen Kälte aus dem flüssigen Wasserstoff mit niedriger Temperatur verwendet wird, der in dieser Anlage als Kältequelle verwendet wird, und Flüssigstickstoff und Flüssig-Kohlendioxid zur Verwendung in der Flüssigwasserstoff-Energiespeichereinheit für die photovoltaische Umwandlung bzw. zur Trockeneisproduktion und zur Wiedererwärmung von Flüssigwasserstoff zur Versorgung nachgeschalteter Prozesse wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieumwandlung und Kälterückgewinnung und insbesondere auf eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis und deren Verwendungsverfahren.
  • Hintergrundtechnik
  • In den letzten Jahren hat der beschleunigte Verbrauch fossiler Brennstoffe zu einer zunehmenden Zahl von Umweltproblemen geführt, die Kontrolle der Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid ist angesichts des hohen Kohlendioxid-Gehalts in den Abgasen verschiedener industrieller Anwendungen von globaler Bedeutung. Neben der direkten Verringerung der Kohlendioxid-Menge ist es wichtiger, Kohlendioxid aus industriellen Abgasen weiter zu verwerten, was nicht nur die Umweltverschmutzung verringert und eine kohlenstoffarme Wirtschaft fördert, sondern auch den wirtschaftlichen Nutzen für die Unternehmen erhöht, was sehr wichtige ökologische, soziale und wirtschaftliche Auswirkungen hat. Trockeneis, d. h. festes Kohlendioxid, findet breite Anwendung in der Formenreinigung, Petrochemie, Druckindustrie, Lebensmittelgefrierung, Brandbekämpfung sowie Medizin und Hygiene, da es leicht flüchtig, ungiftig und geruchlos ist und beim Phasenwechsel keine Flüssigkeit entsteht, d. h. keine Rückstände entsteht. Derzeit wird bei der industriellen Kohlendioxid-Verflüssigung im In- und Ausland in der Regel atmosphärisches Kohlendioxid-Gas durch dreistufige Verdichtung und Druckbeaufschlagung auf 1,6 - 2,5 MPa mit Hilfe von Kältemaschinen abgekühlt und verflüssigt, und verflüssigtes Kohlendioxid wird dann durch Drosselung expandiert, um Trockeneis zu produzieren. Dieser Prozess erfordert viel Energie für die Kompression des Kohlendioxids und die Kühlleistung der Kältemaschine, so dass die Frage, wie der Energieverbrauch des Systems effektiv reduziert werden kann, die Hauptrichtung und das Ziel des Trockeneisaufbereitungsprozesses ist.
  • Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Wirtschaft steigt die Nachfrage nach Wasserstoff in verschiedenen Industriezweigen, insbesondere in der kohlechemischen Industrie, von Jahr zu Jahr. Die Elektrolyse von Wasser ist die bevorzugte Methode der Wasserstofferzeugung, da keine umweltschädlichen Gase freigesetzt werden und die Produkte nur aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Grüne Solarenergie kann die Energiequelle für die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Wasser liefern, den überschüssigen Wasserstoff bei ausreichender Photovoltaik verflüssigen und speichern und den gespeicherten flüssigen Wasserstoff bei unzureichender Photovoltaik verdampfen, um das nachgeschaltete Prozessnetz zu speisen und so den kontinuierlichen industriellen Bedarf an Wasserstoff zu decken. Derzeit ist das Verfahren der Wasserstoffverflüssigung sehr ausgereift, doch bei der Verdampfung und Wiederverwendung von flüssigem Wasserstoff kommt es zu einem großen Kälteverlust. Der Flüssigwasserstoffverdampfer ist im Allgemeinen ein natürlich belüftetes Luftbad, bei dem die Rückgewinnung von Kälte während der Verdampfung von Flüssigwasserstoff bei einer niedrigen Temperatur von etwa 20 K nicht optimal ist, was zu Kälteverschwendung und Kälteverschmutzung führt. Die Kombination der Technologie zur Nutzung der Kälteenergie von Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff (ca. 20 K) mit der Technologie zur Aufbereitung von flüssigem Kohlendioxid und Trockeneis kann nicht nur den Arbeitsdruck und die Belastung der Kältemaschinen von Systemen zur Aufbereitung von flüssigem Kohlendioxid und Trockeneis erheblich reduzieren, den Energieverbrauch und die Kosten von Prozessen zur Aufbereitung von flüssigem Kohlendioxid und Trockeneis senken, die Rückgewinnung von Kohlendioxid aus Industrieabgasen erleichtern und die Kohlenstoffemissionen verringern, sondern auch die Energienutzung von Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff effektiv verbessern und die Umweltverschmutzung durch die Verwendung von Luft zur Verdampfung von Flüssigwasserstoff im herkömmlichen Verfahren verringern, was die gesunde Entwicklung der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffindustrie fördert und gute ökologische und soziale Vorteile mit sich bringt.
  • Inhalte der Erfindung
  • Das zu lösende Problem der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis bereitzustellen, die zur Lösung der Probleme der intermittierenden photovoltaischen Stromerzeugung, des ineffizienten industriellen Kohlendioxid-Recyclings von Abgasen, der geringen Energienutzung von Flüssigwasserstoff bei niedrigen Temperaturen und des hohen Energieverbrauchs bei der Trockeneisbereitung eingesetzt wird.
  • Um den Zweck zu erreichen, verwendet die Erfindung die folgende Technologie: eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis, wobei sie eine Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und eine Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff umfasst, wobei die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II, einen Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher, einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I gemeinsam verwenden, wobei die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung auch mit einer Wasserstoffverflüssigungseinheit, einer Luftzerlegungseinheit und einem Flüssigstickstoff-Speichertank ausgestattet ist, wobei der Flüssigstickstoff-Speichertank mit der Wasserstoffverflüssigungseinheit verbunden ist, die Wasserstoffverflüssigungseinheit über einen Flüssigwasserstoff-Kanal mit einem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank verbunden ist, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen, wobei der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank nacheinander mit dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II verbunden ist, wobei eine kryogene Flüssigwasserstoffpumpe zwischen dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher und dem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank vorgesehen ist, die Luftzerlegungseinheit wiederum über eine Stickstoffleitung mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I und dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher verbunden ist und schließlich das Produkt Flüssigstickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank zur Rückführung gespeichert wird.
  • Vorzugsweise ist die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff außerdem mit einem Kohlendioxid-Speichertank, einer Trockeneismaschine und einem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank ausgestattet, wobei der Kohlendioxid-Speichertank und die Trockeneismaschine über ein Dreiwege-Rohr nacheinander mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I verbunden sind, wobei ein Ende des Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauschers I mit dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank und das andere Ende über Rohrleitung mit der Trockeneismaschine verbunden ist, wodurch ein Kreislauf gebildet wird.
  • Vorzugsweise bestehen der Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher, der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I und der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II aus einer oder einer Kombination von Schalen- und Rohrkonstruktion, Platten- und Rippenkonstruktion, Rohrwickelkonstruktion.
  • Vorzugsweise können der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank, der Flüssigstickstoff-Speichertank und der Niedertemperatur-Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank aus Dewar-Tank oder Niedertemperatur-Speichertank bestehen.
  • Vorzugsweise kann die Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe eine Kolben- oder Zentrifugalkonstruktion aufweisen.
  • Verwendungsverfahren einer photovoltaischen Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • Schritt 1, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen;
    • Schritt 2, wobei der Stickstoff aus der Luftzerlegungseinheit über eine Stickstoffleitung zum Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I zum Wärmeaustausch und zur Vorkühlung geleitet wird, der vorgekühlte Stickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank über den Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch und zur Verflüssigung mit dem flüssigen Wasserstoff gespeichert wird, wobei er für Schritt 1 verwendet werden kann;
    • Schritt 3, wobei der flüssige Wasserstoff im Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank von der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe unter Druck gesetzt wird und nacheinander dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II zugeführt, wieder erwärmt und in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geleitet wird;
    • Schritt 4, wobei das Kohlendioxid bei normaler Temperatur aus dem Gas-Kohlendioxid-Speichertank mit dem Niedertemperatur-Kohlendioxid-Gas aus der Trockeneismaschine vorgemischt wird, das gemischte Kohlendioxid durch den Kohlendioxid-Kompressor komprimiert und dann dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II zum weiteren Wärmeaustausch und Vorkühlung zugeführt wird, wobei das vorgekühlte Kohlendioxid dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I zum Wärmeaustausch und Verflüssigung zugeführt und in dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank gespeichert wird, wobei das unter Druck stehende flüssige Kohlendioxid im Speichertank schließlich einer Trockeneismaschine zugeführt wird, um Trockeneis herzustellen, wobei ein Teil des flüssigen Kohlendioxids Wärme absorbiert und sich erwärmt, um zu einem Gas mit niedriger Temperatur zu verdampfen und in den Kreislauf zu gelangen, und das andere Teil des flüssigen Kohlendioxids zu Trockeneis erstarrt und in einen Trockeneis-Speichertank geleitet wird;
    wobei der Schritt 1 bei ausreichender Photovoltaik erfolgt, nach der photovoltaischen Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zur Deckung des nachgelagerten Prozessbedarfs ein Überschuss an Wasserstoff verbleibt, der in der Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung verflüssigt wird, die flüssigen Wasserstoff ausgibt und so intermittierende photovoltaische Energie in einen Wasserstoffspeicher umwandelt, wobei Schritt 2, Schritt 3 und Schritt 4 gleichzeitig durchgeführt werden, der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II, Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher, Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I einen Wärmetauscher für die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff gemeinsam verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung weist die folgenden vorteilhaften Effekte auf:
    • Durch die Speicherung der photovoltaischen Energie in Form von flüssigem Wasserstoff wird das Problem gelöst, dass die Versorgung mit Wasserstoff für die industrielle Kontinuität aufgrund der Fluktuation der photovoltaischen Energie schwierig ist. Das Verfahren zur Optimierung der Kälterückgewinnung nutzt das hochwertige und das minderwertige kalte Volumen aus der Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs, um flüssigen Stickstoff bzw. Trockeneis herzustellen, was die Investitions- und Betriebskosten der Anlage effektiv reduziert. Das Verfahren kombiniert die kryogene Flüssigwasserstoff-Kaltenergienutzungstechnologie (-20 K) mit der Technologie zur Aufbereitung von flüssigem Kohlendioxid und Trockeneis, wodurch der Energieverbrauch und die Kosten für die Aufbereitung von flüssigem Kohlendioxid und Trockeneis erheblich gesenkt, die Rückgewinnung von Kohlendioxid aus Industrieabgasen erleichtert und die Kohlenstoffemissionen verringert werden. Gleichzeitig kann es die Energienutzung von Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff wirksam verbessern, was durch das herkömmliche Verfahren verursachte Umweltverschmutzung verringern und die gesunde Entwicklung der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffindustrie fördern.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der vorliegenden Erfindung. Spezifische Ausführungsformen
  • Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben, wie in der 1 gezeigt, umfasst eine photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis eine Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und eine Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff, wobei die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13, einen Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7, einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 gemeinsam verwenden, wobei die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung auch mit einer Wasserstoffverflüssigungseinheit 4, einer Luftzerlegungseinheit 9 und einem Flüssigstickstoff-Speichertank 8 ausgestattet ist, wobei der Flüssigstickstoff-Speichertank 8 mit der Wasserstoffverflüssigungseinheit 4 verbunden ist, die Wasserstoffverflüssigungseinheit 4 über einen Flüssigwasserstoff-Kanal 3 mit einem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 verbunden ist, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit 4 mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank 8 wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal 3 in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen, wobei der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 nacheinander mit dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher 111, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 verbunden ist, wobei eine kryogene Flüssigwasserstoffpumpe 6 zwischen dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7 und dem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 vorgesehen ist, die Luftzerlegungseinheit 9 wiederum über eine Stickstoffleitung 10 mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 und dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7 verbunden ist und schließlich das Produkt Flüssigstickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank 8 zur Rückführung gespeichert wird, wobei die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff außerdem mit einem Kohlendioxid-Speichertank 12, einer Trockeneismaschine 15 und einem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank 14 ausgestattet ist, wobei der Kohlendioxid-Speichertank 12 und die Trockeneismaschine 15 über ein Dreiwege-Rohr nacheinander mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 verbunden sind, wobei ein Ende des Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauschers I 11 mit dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank 14 und das andere Ende über Rohrleitung mit der Trockeneismaschine 15 verbunden ist, wodurch ein Kreislauf gebildet wird, wobei der Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7, der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 und der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 aus einer oder einer Kombination von Schalen- und Rohrkonstruktion, Platten- und Rippenkonstruktion, Rohrwickelkonstruktion bestehen, wobei der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5, der Flüssigstickstoff-Speichertank 8 und der Niedertemperatur-Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank 14 aus Dewar-Tank oder Niedertemperatur-Speichertank bestehen können, wobei die Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe 6 eine Kolben- oder Zentrifugalkonstruktion aufweisen kann.
  • Verwendungsverfahren einer photovoltaischen Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • Schritt 1, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit 4 mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank 8 wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal 3 in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen;
    • Schritt 2, wobei der Stickstoff aus der Luftzerlegungseinheit 9 über eine Stickstoffleitung 10 zum Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 zum Wärmeaustausch und zur Vorkühlung geleitet wird, der vorgekühlte Stickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank 8 über den Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7 zum Wärmeaustausch und zur Verflüssigung mit dem flüssigen Wasserstoff gespeichert wird, wobei er für Schritt 1 verwendet werden kann;
    • Schritt 3, wobei der flüssige Wasserstoff im Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 von der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe 6 unter Druck gesetzt wird und nacheinander dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7, dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 zugeführt, wieder erwärmt und in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geleitet wird;
    • Schritt 4, wobei das Kohlendioxid bei normaler Temperatur aus dem Gas-Kohlendioxid-Speichertank 12 mit dem Niedertemperatur-Kohlendioxid-Gas aus der Trockeneismaschine vorgemischt wird, das gemischte Kohlendioxid durch den Kohlendioxid-Kompressor 16 komprimiert und dann dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 zum weiteren Wärmeaustausch und Vorkühlung zugeführt wird, wobei das vorgekühlte Kohlendioxid dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 zum Wärmeaustausch und Verflüssigung zugeführt und in dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank 14 gespeichert wird, wobei das unter Druck stehende flüssige Kohlendioxid im Speichertank schließlich einer Trockeneismaschine 15 zugeführt wird, um Trockeneis herzustellen, wobei ein Teil des flüssigen Kohlendioxids Wärme absorbiert und sich erwärmt, um zu einem Gas mit niedriger Temperatur zu verdampfen und in den Kreislauf zu gelangen, und das andere Teil des flüssigen Kohlendioxids zu Trockeneis erstarrt und in einen Trockeneis-Speichertank geleitet wird;
    wobei der Schritt 1 bei ausreichender Photovoltaik erfolgt, nach der photovoltaischen Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zur Deckung des nachgelagerten Prozessbedarfs ein Überschuss an Wasserstoff verbleibt, der in der Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung verflüssigt wird, die flüssigen Wasserstoff ausgibt und so intermittierende photovoltaische Energie in einen Wasserstoffspeicher umwandelt, wobei Schritt 2, Schritt 3 und Schritt 4 gleichzeitig durchgeführt werden, der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13, Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7, Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher 111 einen Wärmetauscher für die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff gemeinsam verwenden.
  • Spezifische Ausführungsbeispiele:
  • z.B. ca. 0,15 MPa, 25°C Stickstoff wird mit Niedertemperatur-Wasserstoff im Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 durch Wärme ausgetauscht und vorgekült, der vorgekühlte Stickstoff wird dann im Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7 weiter mit flüssigem Wasserstoff aus dem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank 5 ausgetauscht, der von der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe 6 auf ca. 5,5 MPa unter Druck gesetzt wird, um das hochwertige kalte Volumen von ca. 20 K flüssigem Wasserstoff vollständig zu gewinnen und dann zur Speicherung im Niedertemperatur-Flüssigstickstoff-Speichertank 8 zu verflüssigen. Das Kohlendioxid bei normaler Temperatur aus dem Kohlendioxid-Speichertank wird mit ca. 0,11 Mpa Niedertemperatur-Kohlendioxid-Gas aus der Trockeneismaschine gemischt, das gemischte Kohlendioxid wird durch den Kohlendioxid-Kompressor 16 auf ca. 0,6 MPa komprimiert und anschließend dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 zur Vorkühlung mit ca. 5,5 Mpa Niedertemperatur-Wasserstoff-Wärmetauscher aus dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 zugeführt, das vorgekühlte Kohlendioxid wird dann dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher 111 zum weiteren Wärmeaustausch mit dem Niedertemperatur-Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher 7 und zur Verflüssigung zugeführt und wird in dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank 14 gespeichert, das unter Druck stehende flüssige Kohlendioxid wird schließlich einer Trockeneismaschine 16 zugeführt und durch Drosselung expandiert, um Trockeneis zu produzieren, ein Teil des flüssigen Kohlendioxids absorbiert Wärme, um zu einem Gas mit niedriger Temperatur zu verdampfen und in den Kreislauf zu gelangen, und das andere Teil des flüssigen Kohlendioxids wird zu Trockeneis erstarrt und zur Versorgung der Trockeneisverbraucher in einen Trockeneis-Speichertank geleitet. In diesem Prozess werden ca. 20 K flüssiger Wasserstoff durch den Stickstoff-Wärmetauscher 7, den Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I 11 und den Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II 13 wieder erwärmt und in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geleitet.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der flüssige Wasserstoff an den nachgelagerten Prozess durch die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff verdampft, wenn der photovoltaische Strom knapp ist. Bei der kryogenen Verdampfung von flüssigem Wasserstoff bei -20 K wird die optimierte Rückgewinnung von hochwertiger und minderwertiger Kälte genutzt, um flüssigen Stickstoff aus Stickstoff und gereinigtes Kohlendioxid aus industriellem Abgas zur kostengünstigen Herstellung von Trockeneis zu gewinnen.

Claims (6)

  1. Verwendungsverfahren einer photovoltaischen Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis, wobei die Einheit eine Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und eine Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13), einen Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7), einen Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) gemeinsam verwenden, wobei die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung auch mit einer Wasserstoffverflüssigungseinheit (4), einer Luftzerlegungseinheit (9) und einem Flüssigstickstoff-Speichertank (8) ausgestattet ist, wobei der Flüssigstickstoff-Speichertank (8) mit der Wasserstoffverflüssigungseinheit (4) verbunden ist, die Wasserstoffverflüssigungseinheit (4) über einen Flüssigwasserstoff-Kanal (3) mit einem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) verbunden ist, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit (4) mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank (8) wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal (3) in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen, wobei der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) nacheinander mit dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7), dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11), dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13) verbunden ist, wobei eine kryogene Flüssigwasserstoffpumpe (6) zwischen dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7) und dem Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) vorgesehen ist, die Luftzerlegungseinheit (9) wiederum über eine Stickstoffleitung (10) mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) und dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7) verbunden ist und schließlich das Produkt Flüssigstickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank (8) zur Rückführung gespeichert wird.
  2. Photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff außerdem mit einem Kohlendioxid-Speichertank (12), einer Trockeneismaschine (15) und einem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank (14) ausgestattet ist, wobei der Kohlendioxid-Speichertank (12) und die Trockeneismaschine (15) über ein Dreiwege-Rohr nacheinander mit dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13) und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher 1 (11) verbunden sind, wobei ein Ende des Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauschers I (11) mit dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank (14) und das andere Ende über Rohrleitung mit der Trockeneismaschine (15) verbunden ist, wodurch ein Kreislauf gebildet wird.
  3. Photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7), der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) und der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13) aus einer oder einer Kombination von Schalen- und Rohrkonstruktion, Platten- und Rippenkonstruktion, Rohrwickelkonstruktion bestehen.
  4. Photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5), der Flüssigstickstoff-Speichertank (8) und der Niedertemperatur-Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank (14) aus Dewar-Tank oder Niedertemperatur-Speichertank bestehen können.
  5. Photovoltaische Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe (6) eine Kolben- oder Zentrifugalkonstruktion aufweisen kann.
  6. Verwendungsverfahren einer photovoltaischen Wasserstoffspeichereinheit gekoppelt mit Kälterückgewinnung zur Herstellung von Trockeneis nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verwendungsverfahren: Schritt 1, wobei der durch photovoltaische Stromerzeugung erzeugte Wasserstoff in der ausgereiften Wasserstoffverflüssigungseinheit (4) mit Flüssigstickstoff aus dem Flüssigstickstoff-Speichertank (8) wärmegetauscht wird, dann durch seine eigene Expansionskühlung verflüssigt wird, durch den Flüssigwasserstoff-Kanal (3) in den Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) zur Speicherung geleitet wird, um die photoelektrische Umwandlung von Flüssigwasserstoff zu vervollständigen; Schritt 2, wobei der Stickstoff aus der Luftzerlegungseinheit (9) über eine Stickstoffleitung (10) zum Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) zum Wärmeaustausch und zur Vorkühlung geleitet wird, der vorgekühlte Stickstoff im Flüssigstickstoff-Speichertank (8) über den Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7) zum Wärmeaustausch und zur Verflüssigung mit dem flüssigen Wasserstoff gespeichert wird, wobei er für Schritt 1 verwendet werden kann; Schritt 3, wobei der flüssige Wasserstoff im Niedertemperatur-Flüssigwasserstoff-Speichertank (5) von der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffpumpe (6) unter Druck gesetzt wird und nacheinander dem Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7), dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) und dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13) zugeführt, wieder erwärmt und in das nachgeschaltete Prozessrohrleitungsnetz geleitet wird; Schritt 4 umfasst, wobei das Kohlendioxid bei normaler Temperatur aus dem Gas-Kohlendioxid-Speichertank (12) mit dem Niedertemperatur-Kohlendioxid-Gas aus der Trockeneismaschine vorgemischt wird, das gemischte Kohlendioxid durch den Kohlendioxid-Kompressor (16) komprimiert und dann dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13) zum weiteren Wärmeaustausch und Vorkühlung zugeführt wird, wobei das vorgekühlte Kohlendioxid dem Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher 1 (11) zum Wärmeaustausch und Verflüssigung zugeführt und in dem Flüssig-Kohlendioxid-Speichertank (14) gespeichert wird, wobei das unter Druck stehende flüssige Kohlendioxid im Speichertank schließlich einer Trockeneismaschine (15) zugeführt wird, um Trockeneis herzustellen, wobei ein Teil des flüssigen Kohlendioxids Wärme absorbiert und sich erwärmt, um zu einem Gas mit niedriger Temperatur zu verdampfen und in den Kreislauf zu gelangen, und das andere Teil des flüssigen Kohlendioxids zu Trockeneis erstarrt und in einen Trockeneis-Speichertank geleitet wird; wobei der Schritt 1 bei ausreichender Photovoltaik erfolgt, nach der photovoltaischen Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff zur Deckung des nachgelagerten Prozessbedarfs ein Überschuss an Wasserstoff verbleibt, der in der Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung verflüssigt wird, die flüssigen Wasserstoff ausgibt und so intermittierende photovoltaische Energie in einen Wasserstoffspeicher umwandelt, wobei Schritt 2, Schritt 3 und Schritt 4 gleichzeitig durchgeführt werden, der Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher II (13), Wasserstoff-Stickstoff-Wärmetauscher (7), Wasserstoff-Kohlendioxid-Wärmetauscher I (11) einen Wärmetauscher für die Flüssigwasserstoff-Speichereinheit mit photoelektrischer Umwandlung und die Trockeneisproduktionseinheit zur optimalen Rückgewinnung der Kälte von flüssigem Wasserstoff gemeinsam verwenden.
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