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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung und Nutzung von primärer Elektroenergie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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In der Energieversorgung zumindest der Industrieländer der Erde nehmen regenerative Energiequellen einen stetig zunehmenden Anteil ein. Im Gegensatz zu fossilen Energiequellen wird bei der Nutzung regenerativer Energiequellen auf die kontinuierliche Energiezufuhr von der Sonne und auf die damit verbundenen Phänomene wie Wind, Wasserkraft oder auch die direkte Sonneneinstrahlung zurückgegriffen. Zu den regenerativen Energiequellen wird auch die Nutzung der Erdwärme hinzu gerechnet.
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Die regenerative Energienutzung ist im Wesentlichen emissionsfrei und weitaus ressourcenschonender als die Verwendung fossiler Energieträger. Sie weist jedoch auch einen entscheidenden Nachteil auf. Windenergie und Sonneneinstrahlung stehen nicht über einen hinreichend langen Zeitraum in gleichbleibender Stärke kontinuierlich zur Verfügung. Sie sind insbesondere von den lokalen Wetterverhältnissen abhängig und können daher Allgemeinen nicht mit den Lastspitzen des Energieverbrauchs in Übereinstimmung gebracht werden. Die von Solaranlagen und Windkraftanlagen gelieferte elektrische Energie muss daher in irgendeiner Form gespeichert oder über großräumige Energieverbundnetze gleichmäßig zwischen den Regionen verteilt werden. Dies erfordert somit den Bau von Speicheranlagen oder einer aufwändigen und damit teuren Infrastruktur zur Leitung des elektrischen Stromes.
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Weiterhin besteht das Problem, momentane Überangebote erzeugter elektrischer Energie aus konventionellen Energiequellen zu speichern und zeitversetzt verfügbar zu machen.
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Als Speicheranlagen sind insbesondere Pumpspeicherwerke in Gebrauch, bei denen Wasser mit der über regenerative Energieanlagen gewonnenen elektrischen Energie von einem niedrig gelegenen Reservoir in ein höher gelegenes Reservoir gepumpt wird. In Zeiten von Lastspitzen wird das Wasser anschließend zurück in das niedrige Reservoir abgelassen, es treibt dabei eine Turbine mit einem Generator an, wodurch das Pumpspeicherwerk sekundäre elektrische Energie an das Versorgungsnetz abgibt.
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Pumpspeicherwerke setzen jedoch ein bestimmtes Geländeprofil, insbesondere ein deutliches Gefälle zwischen Berg und Tal, voraus, das nicht überall gegeben ist. Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Energiespeicherung anzugeben, die an möglichst vielen Standorten ausgeführt werden kann.
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Weiterhin ist es nützlich, die Vorrichtung zur Energiespeicherung möglichst nichtlokal zu gestalten, sodass die gespeicherte Energie nicht nur an dem Ort entnommen werden kann, an dem sie eingespeist und gespeichert worden ist. Wünschenswert wäre ein möglichst umstandsarmer Transport der gespeicherten Energieform von Ort zu Ort, wobei zweckmäßigerweise auf bestehende Infrastrukturen zurückgegriffen werden kann. Etwas Derartiges kann mit Pumpspeicherwerken grundsätzlich nicht erfolgen, denn das auf ein bestimmtes Höhenniveau gehobene Wasser kann auf diesem gleichbleibenden Niveau für gewöhnlich nicht an andere Orte transportiert werden, sondern verbleibt am Ort des Pumpspeicherwerkes.
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Es besteht daher die weitere Aufgabe, eine Vorrichtung zur Energiespeicherung anzugeben, mit dem die Energiespeicherung nichtlokal vorgenommen werden kann. Es soll ermöglicht werden, die elektrische Energie an mehreren Orten zu gewinnen, in die Speicherform zu überführen, weiterhin die gespeicherte Energie praktisch beliebig nahe und entfernte Orte zu transportieren, dort je nach Bedarf wieder in elektrische Energie zu überführen oder auch anderen Verwendungen zugänglich zu machen. Die Vorrichtung soll somit dezentrale und eher lokale Aspekte der Energiegewinnung und Energieversorgung genauso berücksichtigen, wie die großräumigen Aspekte übergreifender und bereits bestehender Verbundsysteme.
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Die genannten Aufgaben werden mit einer Vorrichtung zur Zwischenspeicherung und Nutzung von primärer Elektroenergie aus mindestens einer Energiequelle mit fluktuierender Einspeisung gelöst, die folgende Aspekte aufweist:
Es erfolgt in einem ersten Schritt ein Umsetzen mindestens eines Teils der primären Elektroenergie in ein fluides Energiespeichermedium. Das fluide Energiespeichermedium wird einen geologischen Speicher verbracht und/oder in ein Verbundnetz eingespeist. Es erfolgt ein Bevorraten des fluiden Energiespeichermediums in dem geologischen Speicher und/oder dem Verbundnetz. Weiterhin erfolgt eine bedarfsweise Entnahme mindestens eines Teils des fluiden Energiespeichermediums aus dem geologischen Speicher und/oder dem Verbundnetz. Der bedarfsweise entnommene fluide Energieträger wird bedarfsweise in einem Prozess zur Gewinnung sekundärer Elektroenergie umgesetzt. Es erfolgt ein Einspeisen der sekundären Elektroenergie in ein elektrisches Versorgungsnetz.
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Grundgedanke ist somit erstens das Überführen der gewonnenen elektrischen Energie in ein fluides Speichermedium. Ein solches Medium lässt sich leicht speichern und über ein Verbundnetz je nach Bedarf an nahe und entfernte Verbraucher leiten. Zur Speicherung wird auf einen geologischen Speicher zurückgegriffen. Es müssen somit keine Speicheranlagen geschaffen werden. Vielmehr erfolgt die Speicherung innerhalb vorhandener geologischer Formationen. Das fluide Speichermedium kann dann aus dem geologischen Speicher oder dem Verbundnetz entnommen werden, wenn dies notwendig ist und jederzeit in sekundäre Elektroenergie rücküberführt werden.
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Bei einer Ausführungsform erfolgt die Umsetzung in das fluide Energiespeichermedium mit folgenden Schritten. Es wird eine elektrolytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ausgeführt. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird als fluides Energiespeichermedium verwendet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff mit einer Kohlenstoffquelle zu Methan umgesetzt, wobei das Methan als fluides Energiespeichermedium verwendet wird. Beide Ausführungsformen sind möglich und liefern eine hinreichend große Energiedichte zur wirtschaftlichen Energiespeicherung. Methan erweist sich im Vergleich zu Wasserstoff dahingehend als vorteilhafter, weil dieses Gas im Vergleich zu Wasserstoff weniger leicht diffundiert und daher sicherer zu speichern oder über ein Verbundnetz zu leiten ist.
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Als Kohlenstoffquelle für die Methansynthese wird bei einer Ausführungsform Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid verwendet. Die Energiespeicherung erfolgt dadurch CO- bzw. CO2-neutral.
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Bei dem Verbringen des fluiden Energiespeichermediums in den geologischen Speicher erfolgt bei einer Ausführungsform ein Einleiten des fluiden Energiespeichermediums in eine mit Hohlräumen durchzogene natürlich vorgegebene, durch undurchlässige geologische Schichten abgesperrte Gesteinsformation.
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Als eine solche Gesteinsformation wird zweckmäßigerweise ein Porenspeicher, insbesondere Sandstein, oder ein Kluft- und Porenspeicher, insbesondere ein Karbonatgestein, verwendet. Alternativ ist es auch möglich, als Gesteinsformation mindestens teilweise abgebaute Erdgas- oder Schwachgaslagerstätten zu verwenden. Letztere sind geologisch von vornherein zur Lagerung von gasförmigen Fluiden geeignet.
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Das bedarfsweise Umsetzen des Energiespeichermediums in einem Prozess zur Gewinnung sekundärer Elektroenergie erfolgt zweckmäßigerweise in einem Kraftwerk innerhalb eines Einzugsgebietes des geologischen Speichers und/oder an einer beliebigen Stelle innerhalb des Verbundnetzes.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die in der Prozesseinheit zur Erzeugung der sekundären Elektroenergie die bei dem Umsetzen des fluiden Energiespeichermediums anfallenden Verbrennungsprodukte als Teil eines annähernd geschlossenen Stoffkreislaufs in die Erzeugungsstation des fluiden Energiespeichermediums zurückgeführt und dort wieder zu dem fluiden Energiespeichermedium umgesetzt.
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Insbesondere wird bei der Verwendung von Wasserstoff als fluidem Energiespeichermedium das bei dessen Verbrennung in der Prozesseinheit zur Erzeugung der sekundären Elektroenergie anfallende Wasser in die Elektrolyseeinheit zurückgeführt und dort erneut elektrolytisch gespalten.
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Bei der Verwendung von Methan als fluidem Energiespeichermedium werden das bei dessen Verbrennung in der Prozesseinheit zur Erzeugung der sekundären Elektroenergie anfallende Wasser in die Elektrolyseeinheit und die dabei anfallenden Oxide des Kohlenstoffs als Kohlenstoffquelle für eine anschließende Methanisierung des Wasserstoffs verwendet.
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Es entstehen hierbei geschlossene Stoffkreisläufe für das fluide Energiespeichermedium, wodurch sich eine praktisch komplette Emissionsfreiheit hinsichtlich der im Gesamtverfahren anfallenden Verbrennungsgase erzielen lässt.
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Die vorgenannte Methode soll anhand beispielhafter Ausführungsformen nachfolgend näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 4. Es werden für gleiche und/oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 ein beispielhaftes Schema des Verfahrensablaufs,
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2 wesentliche Verfahrenskomponenten bei der Nutzung von Wasserstoff als fluidem Energiespeichermedium und
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3 wesentliche Verfahrenskomponenten bei der Nutzung von Methan als fluidem Energiespeichermedium.
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Das Verfahren zielt darauf ab, durch eine integrative Entwicklung von Energieversorgungs- und Verbundnetzen in Verbindung mit Speicherorgängen eine nachhaltige Energiesicherheit für regenerative Energien über einen möglichst großen Zeitraum zu gewährleisten. Dabei wird berücksichtigt, dass insbesondere die Energiegewinnung aus Sonnen- und Windkraft nicht grundlastfähig ist, sondern vor allem in licht- und windlosen Zeiträumen einer Kompensation bedarf. Im Zusammenhang damit bildet auch die Sicherung der Netzstabilität der Hoch- und Höchstspannungsnetze einen wesentlichen Gesichtspunkt.
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Weiterhin werden neben einem kostenintensiven Netzausbau Speichertechnologien zur Stabilisierung der Energiebereitstellung und zur Aufnahmefähigkeit von unstetigen Energieeinspeisungen angewendet.
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Entsprechend dieser Anforderungen wird hierzu auf eine Speichertechnologie mit einer hohen Kapazität zurückgegriffen. Diese beruht auf der Kombination aus einem fluiden Energiespeichermedium mit einer hohen Energiedichte, bei dem die Energieumwandlung ausschließlich auf chemische Umwandlungsprozesse beschränkt ist, einer Speichertechnologie mit einer hohen Speicherkapazität für große Speichervolumina und einem Verbundnetz für das fluide Energiespeichermedium. Ergänzt wird dieser Verfahrensablauf durch die Realisierung möglichst geschlossener Stoffkreisläufe für das fluide Energiespeichermedium und die beim Prozessverlauf anfallenden Zwischenprodukte.
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Einer der wesentlichen Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung so genannter Untergrundspeicher für das fluide Energiespeichermedium als eine zentrale Komponente zur Verbesserung der Grundlastfähigkeit erneuerbarer Energien und der Netzstabilität im Zusammenhang mit einer Strom-zu-Gas-zu-Strom-Technologie.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt neben der Nutzung der Untergrundspeicher und in Verbindung mit der Strom-zu-Gas-zu-Strom-Technologie ist die Nutzung vorhandener und/oder auszubauender Verbundnetze für das fluide Energiespeichermedium. Verfahrensseitig kommt also nicht nur eine Speicherung des Energiespeichermediums an einem Ort in Betracht, sondern außerdem dessen Transport und Weiterleitung an entfernte Verbrauchs- und Nutzungsorte.
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Verfahrensseitig werden sowohl die überschüssigen Netzenergien aus konventioneller Stromerzeugung als auch aktuelle Überproduktionen von Wind-, Solar- und Biomasseenergie zur Synthese des fluiden Energiespeichermediums mittels geeigneter elektro-chemischer Verfahrensschritte genutzt. Das fluide Energiespeichermedium wird gespeichert und/oder in ein Verbundnetz eingespeist.
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Dabei ist es notwendig, große Energiemengen kurzfristig bis saisonal ein- und ausspeichern zu können.
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Verfahrensseitig kann als fluides Energiespeichermedium Wasserstoff, vor allem aber Methan verwendet werden. Beide Stoffe verfügen über eine hohe Energiedichte. Vor allem Methan kann in geeigneten Systemen sehr gut gespeichert, weitergeleitet und kurzfristig wieder ausgespeichert werden. Die Hochtemperatursynthese von Methan kann mit einem Wirkungsgrad von bis zu 95% ausgeführt werden. Als Speicherorte für die fluiden Energiespeichermedien kommen zum einen Verbundsysteme, beispielsweise die vorhandenen Gasnetze mit einem limitierten Aufnahmevolumen, wie auch Gastanklager in Betracht. Vor allem aber wird auf unterirdische Kavernenspeicher, vor allem aber natürliche Untergrundgasspeicher (UGS) zurückgegriffen. Es werden somit vorwiegend geologische Speicher verwendet.
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Die synthetisierten Energiespeichermedien können in großen Mengen in derartigen Untergrundgasspeichern kurzfristig bis saisonal zwischengelagert werden und erfüllen damit eine effiziente Energiespeicherfunktion. Über ein an sich bestehendes weitgehend erdverlegtes Gasnetz kann das gespeicherte Energiespeichermedium und damit die in ihm enthaltene Energie ohne neue, sichtbare Leitungstrassen und damit bevölkerungsakzeptabel zum Endverbraucher bzw. zu Anlagen der Rückverstromung geliefert werden.
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Insbesondere für Deutschland sind in einigen Gebieten Untergrundspeicher verfügbar, die in zwei Typen gegliedert werden können: Dies sind Kavernenspeicher als künstliche Auslaugungen von löslichen Salzen und natürliche geologische Strukturen, die über ein geeignetes Poren- und/oder Kluftvolumen zur Gasspeicherung verfügen.
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Im Zusammenhang damit kommen Gasspeicherstrukturen unterschiedlichster Größe zur Anwendung, die über eine Primärgasfüllung verfügen. Dies sind insbesondere abgebaute Erdgaslagerstätten sowie nicht abgebaute Schwachgaslagerstätten.
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Bei einer hinreichenden Dichte und Qualität der vorhandenen Energie-Infrastruktur in Kombination mit geeigneten geologischen Voraussetzungen für Untergrundgasspeicher werden wirkungsvolle Energieversorgungskonzepte mit entsprechenden Standortorteilen realisierbar. Vorteilhaft sind hier eine zentrale Lage in einem vorbestimmten Versorgungsgebiet in Verbindung mit einer Funktion als Transitgebiet für überregionale Gaspipelines und Hoch-/Höchstspannungsleitungen sowie ein dichtes Gas- und Stromnetz. Vorteilhaft ist ebenso eine bestimmte Konzentration von Anlagen für die Nutzung erneuerbarer Energien im vorgesehenen Gebiet. Dies betrifft insbesondere die Energieformen der Photovoltaik, der Windkraft und der Biomasse.
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Vorteilhaft ist außerdem ein Gebiet, in dem zahlreiche geologische Strukturen nachweisbar sind, die zur Speicherung von Gasen geeignet sind. Dies sind vor allem entlastete Erdgaslagerstätten in Gewölbe- und Sattelstrukturen mit geeigneten Speichergesteinen. Zweckmäßigerweise können hier geologische Strukturen genutzt werden, die bereits als Speicher verwendet worden sind bzw. mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand für eine derartige Verwendung ertüchtigt werden können.
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Die dabei nutzbaren Speichervolumina können durchaus beträchtlich sein. So beträgt beispielsweise das derzeit erkundete Speichervolumen im Bundesland Thüringen schätzungsweise mehr als 5 Mrd. m3. Dabei variieren die Speichervolumina zwischen 50 Mio. bis 3 Mrd. m3.
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Vorteilhaft sind insbesondere Strukturen, die mit Schwachgas gefüllt sind Als Schwachgase werden Brenngase mit reduziertem Heizwert bezeichnet. Hierbei handelt es sich meist um ein Gemisch von Methan und Kohlendioxid sowie anderen Gasen, insbesondere Stickstoff. Ein derartiges Gemisch ist für die im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ablaufende und weiter unten näher erläuterte Methansynthese von außerordentlicher Bedeutung.
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Die genannten Speicher eignen sich in der Regel sowohl als Betriebsspeicher für die Gaskomponenten H2 und CO2 als auch zur Fertiggaslagerung für Erdgas und Methan. Sie können somit mehrere Funktionen erfüllen. Vorteilhaft ist es, wenn die Speicherung geomorphologisch bzw. naturräumlich unabhängig ist und durch vorhandene geologische Barriere- und Stauhorizonte höchste Sicherheit garantiert.
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Natürliche Untergrundgasspeicher sind Gesteinskörper, die auf Grund ihrer Beschaffenheit über Hohlraumanteile oder miteinander verbundene Hohlräume verfügen und die dazu geeignet sind, flüssige oder gasförmige Stoffe im Gestein zu speichern. Bei diesen natürlich gespeicherten Stoffen, die als Poren- und/oder Kluftfluide bezeichnet werden, handelt es sich um Gase wie zum Beispiel N2, H2S, CO2 oder Erdgas, aber auch Flüssigkeiten, insbesondere Erdöl, Wasser u. a., oder Mischungen davon. Bekannte Speichergesteine sind regional verschieden. Zweckmäßige sind beispielsweise Sandsteine des Oberkarbon bzw. der Rotliegendformation als Porenspeicher, Karbonatgesteine der Zechsteinformation als Kluft- und Porenspeicher und Sandsteine der mittleren Schichten der Buntsandsteinformation als Porenspeicher. Geologische Aquifer-Gewölbestrukturen, d. h. eine bestimmte Art von Grundwasserleitern, sind ebenfalls nutzbar.
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Für das Speichergestein ist ein miteinander verbundener Nutzungshohlraum von mehr als 10% wünschenswert und zusätzlich eine wirksame Abdeckung und Begrenzung aus stauenden Schichtenfolgen notwendig, die eine Diffusion in andere Gesteinsfolgen oder an die Erdoberfläche verhindern.
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Besonders zweckmäßig sind Lagerstätten, die sich in günstigen geologischen Formationen höchster Bergsicherheit befinden, und bei der eine hinreichend lange Liegezeit, insbesondere im Bereich von einigen hundert Mio. Jahren nachweisbar ist. Hierbei sind mögliche reaktive Wechselwirkungen des gespeicherten Mediums mit dem Gestein zu berücksichtigen. So ist beispielsweise für Wasserstoff eine erhöhte Reaktivität und somit ein Speichergasverlust durch Wechselwirkungen mit den vorhandenen Gasen sowie Eisen- bzw. Schwefelverbindungen möglich.
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Noch nicht abgebaute Gaslagerstätten können infolge seines CO2-Anteils im Erdgas, der bei der Förderung abzutrennen ist, zur günstigen CO2-Lieferquelle für das zu synthetisierende Energiespeichermedium werden. Natürlich können zur CO2-Gewinnung auch industrielle CO2-Sequestrierungen sowie das aus Biogasanlagen anfallende CO2 genutzt werden.
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1 zeigt einen grundsätzlichen Verfahrensablauf im Überblick. Das Verfahren wird zwischen einer Reihe von fluktuierenden Energiequellen 1, einer Einrichtung 2 zur Synthese des fluiden Energiespeichermediums, einem geologischen Speicher 3 und einem Verbundnetz 4 für das fluide Energiespeichermedium ausgeführt. Sowohl das Verbundnetz als auch der geologische Speicher sind an eine Einrichtung zur Erzeugung sekundärer Elektroenergie, also ein sekundäres Kraftwerk 5 angeschlossen. Die in dem sekundären Kraftwerk 5 erzeugte sekundäre Elektroenergie wird in ein elektrisches Versorgungsnetz 6 eingespeist. Das fluide Energiespeichermedium kann auch direkt aus dem geologischen Speicher 3 entnommen und einer Reihe anderer Verwendungen 7, beispielsweise für Heizzwecke, zugeführt werden.
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Die Komponenten 2, 3 und 4 stellen somit in ihrer Gesamtheit einen Energiepuffer dar, der die fluktuierenden Energiebeträge aus den fluktuierenden Energiequellen 1, aber auch Überschüsse aus konventionellen Energiegewinnungen in das synthetisierte fluide Energiespeichermedium umsetzt, speichert, gegebenenfalls in ein Verbundnetz einspeist oder aus dem Verbundnetz entzieht. Als fluktuierende Energiequellen kommen hier beispielsweise Windkraftanlagen 8 und Photovoltaikanlagen 9 in Betracht, deren Energieausstoß jahreszeitlich und wetterbedingt schwankt.
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Die Syntheseeinrichtung 2 ist eine Einrichtung zur Umsetzung der von den Energiequellen 1 erzeugten elektrischen Energie in chemische Energie. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine elektrochemische Einrichtung, die auf dem Prinzip der Elektrolyse arbeitet. Im engeren Sinne wird hier die Elektrolyse von Wasser in Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 ausgeführt. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird entweder direkt als fluides Energiespeichermedium verwendet und in die Komponenten 3 und 4 weitergegeben. Alternativ kann der Wasserstoff einem Methanisierungsprozess unterzogen werden. Ein solcher Prozess ist insbesondere die Reaktion des Wasserstoffs mit Kohlenstoffmonoxid CO oder Kohlenstoffdioxid CO2. Das dabei erzeugte Methan CH4 ist besser als Wasserstoff handhabbar und lässt sich sicherer in das Verbundnetz 4 oder in den geologischen Speicher 3 verbringen.
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Der Wasserstoff bzw. das Methan wird in dem sekundären Kraftwerk 5 zur Erzeugung von Elektroenergie verwendet. Das sekundäre Kraftwerk 5 ist in diesem Fall ein Gaskraftwerk.
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Bei einem beispielhaften Gesamtprozess erscheint das Gaskraftwerk als zentrale Komponente. Das Gaskraftwerk befindet sich hier an der Schnittstelle eines Gasnetzes einerseits und eines elektrischen Versorgungsnetzes andererseits. Das Verfahren realisiert somit eine konvergente Nutzung eines Strom- und eines Gasnetzes, bei dem in Abhängigkeit von der jeweiligen Verbrauchslast im Strom- bzw. im Gasnetz einerseits und einer in beiden Netzen jeweils vorhandenen Erzeugungsrate für Elektroenergie wie auch für das fluide Energiespeichermedium Energie in unterschiedlichen Formen von dem einen Netz in das andere transferiert werden kann.
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So fällt beispielsweise während der Sommermonate ein vergleichsweise hoher Energiebetrag in der photovoltaischen Anlage an, der in das fluide Energiespeichermedium überführt und in dieser Form gespeichert werden kann. Dieses Energiespeichermedium kann in der sonnenarmen Jahreszeit in das Gaskraftwerk überführt und dort zur elektrischen Energiegewinnung genutzt werden. Möglich ist aber auch ohne weiteres eine Verwendung des Energiespeichermediums zur Erzeugung von Wärme, also zu Heizzwecken. Im Endeffekt wird somit im letzteren Fall die während der Sommermonate anfallende regenerative Energie an der Photovoltaikanlage in Wärmeenergie während der Wintermonate umgesetzt.
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Der gesamte Prozess kann praktisch CO2-neutral ausgeführt werden oder sogar CO2 aus der Atmosphäre binden. Diese CO2-Bindung erfolgt über den Prozess der Methanisierung, also der Reaktion des elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs unter Verwendung der regenerativen Energieeinrichtungen. In jedem Fall kann aber die ungeregelte Emission des Kohlenstoffdioxids aus der Verwertung von Biomasse, bei der Verbrennung fossiler Energieträger oder aus Müllverbrennungsanlagen vermieden und das CO2 in den Stoff- und Energiekreislauf des Verfahrens eingeführt und/oder rücküberführt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass im Gasnetz sowie im Gaskraftwerk sowohl CO2 als auch Wasser unweigerlich anfallen und über die Methanisierung gebunden werden können. Der gesamte energetische Antrieb dieses Prozesses erfolgt ausschließlich oder zumindest zu einem überwiegenden Teil über die regenerative Energiezufuhr.
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Durch die Anbindung an das Stromnetz einerseits und an das Gasnetz andererseits ist eine übergreifende Anbindung des Verfahrens an nichtlokale Versorgungsnetze möglich. Denkbar ist hier somit eine lokale Anordnung aus regenerativen Energiewandlungseinrichtungen in einem ersten Gebiet mit einer Synthesevorrichtung für das fluide Energiespeichermedium mit einem dort vorhanden Gaskraftwerk und einem darunter vorhandenen geologischen Energiespeicher, der das Einzugsgebiet dieser gesamten Anordnung räumlich begrenzt, wobei diese Konfiguration mit anderen derartigen Anordnungen in anderen Gebieten räumlich über das Gasnetz und über das Stromnetz verknüpft ist und im Stoff- und Energieaustausch steht. Es wird somit ein Zusammenspiel zwischen zentraler und dezentraler bzw. lokaler und nichtlokaler Energieversorgung auf der Basis einer regenerativen und nachhaltigen Energie- und Stoffnutzung möglich.
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2 zeigt eine beispielhafte Konfiguration von Verfahrenskomponenten im Bereich eines geologischen Speichers bei Verwendung von Wasserstoff als fluidem Energiespeichermedium. Als fluktuierende Energiequellen 1 sind in diesem Beispiel Windkraftanlagen 10 und Photovoltaikanlagen 11 vorgesehen. Diese befinden sich an jeweils zweckmäßigen Orten innerhalb eines vorbestimmten Gebietes. Sie können dort ja nach den lokalen Gegebenheiten verstreut sein.
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Die von beiden Anlagen gewonnene elektrische Energie wird über ein lokales Stromnetz 12 an eine Elektrolyseeinrichtung 13 geleitet. Diese zieht Wasser aus einem Wasserreservoir 14 ein. Dieses Wasserreservoir kann beispielsweise ein Grundwasserleiter, ein Oberflächengewässer oder auch eine Sammeleinrichtung für Niederschläge sein. Innerhalb der Elektrolysevorrichtung wird das Wasser zerlegt. Der dabei entstehende Sauerstoff wird entweder über eine Abluftleitung 15 in die Umwelt abgegeben oder gesammelt und einer anderweitigen Verwendung zugeführt. Der bei der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffreservoir 16 gesammelt. Das Wasserstoffreservoir ist mit einer Pumpeinrichtung verbunden, die den Wasserstoff über eine in den Untergrund führende Speicherleitung 17 in den vorhergehend bereits erläuterten geologischen Speicher 3 abführt. Der geologische Speicher ist an mindestens einer Stelle mit einem Gaskraftwerk 18 und an mindestens einer weiteren Stelle mit einem Verbundnetz 19 für das fluide Energiespeichermedium verbunden. Hierzu dienen entsprechende Steigleitungen 20 sowie falls erforderlich, Pumpeinrichtungen. Diese fördern das fluide Energiespeichermedium aus dem geologischen Energiespeicher nach oben. Im Falle des Verbundnetzes 19 dient die Pumpeinrichtung auch dazu, das fluide Energiespeichermedium in den geologischen Speicher einzubringen.
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Das Gaskraftwerk 18 besteht aus einer Gasturbine 21, die mit einem Generator 22 gekoppelt ist. Dieser ist an ein allgemeines Stromnetz 23 angeschlossen.
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Ein weiteres Gaskraftwerk 24 kann über das Verbundnetz 19 mit dem geologischen Speicher indirekt verbunden sein.
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3 zeigt eine Konfiguration von Verfahrenskomponenten, bei der Methan als fluides Energiespeichermedium verwendet wird. Die von den fluktuierenden Energiequellen 1 gewonnene elektrische Energie wird in die Elektrolyseeinrichtung 13 geleitet. Wie bei der vorherigen Ausführungsform wird hier Wasser elektrolytisch gespalten. Der dabei gebildete Wasserstoff gelangt in das Wasserstoffreservoir 16. Der Wasserstoff wird von dort in einen Methanisierungsreaktor 25 überführt. Dem Methanisierungsreaktor wird über eine Zuführleitung 26 Kohlenstoffdioxid CO2 und/oder Kohlenstoffmonoxid CO zugeführt. Der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid bzw. das Kohlenstoffmonoxid werden innerhalb des Methanisierungsreaktor in einem so genannten Sabatier-Prozess zu Methan und Wasser gemäß folgender Reaktionsgleichungen umgesetzt: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O bzw. CO + 3H2 → CH4 + H2O
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Die dabei ablaufenden Reaktionen sind exotherm und werden katalysiert ausgeführt. Das dabei entstehende Wasser kann in den Elektrolyseprozess zurückgeführt und erneut gespalten werden.
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Das gebildete Methan wird in einem Methanreservoir 27 gesammelt und mittels einer hier nicht dargestellten Pumpeinrichtung in den geologischen Speicher 3 gepumpt. Von dort aus wird es bedarfsweise in das Gaskraftwerk 18 und/oder das Verbundnetz 19 überführt. Das bei der Verbrennung des Methan in der Gasturbine 21 anfallende Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid bzw. Wasser können in den Methanisierungsprozess und/oder in den Elektrolyseprozess zurückgeführt werden. Prinzipiell werden hierdurch geschlossene Stoffkreisläufe geschaffen, wodurch Emmissionen wirksam reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluktuierende Energiequelle
- 2
- Syntheseeinrichtung für fluides Energiespeichermedium
- 3
- Geologischer Speicher
- 4
- Verbundnetz für fluides Energiespeichermedium
- 5
- Sekundäres Kraftwerk
- 6
- Elektrisches Versorgungsnetz
- 7
- Weitere Verbraucher für fluides Energiespeichermedium
- 8
- Windkraft
- 9
- Photovoltaik
- 10
- Windkraftanlage
- 11
- Photovoltaikanlage
- 12
- lokales Stromnetz
- 13
- Elektrolyseeinrichtung
- 14
- Wasserreservoir
- 15
- Abluftleitung
- 16
- Wasserstoffreservoir
- 17
- Speicherleitung
- 18
- Gaskraftwerk
- 19
- Verbundnetz für fluides Energiespeichermedium
- 20
- Steigleitung
- 21
- Gasturbine
- 22
- Generator
- 23
- allgemeines Stromnetz
- 24
- indirekt verbundenes Gaskraftwerk
- 25
- Methanisierungsreaktor
- 26
- Zuführleitung
- 27
- Methanreservoir
