DE202020004994U1 - Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, mit einer Einrichtung (2) zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und mit einer Einrichtung (3) zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs in zumindest einen Druckbehälter (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) rohrförmig gebildet ist und im Wesentlichen unterhalb der Erdoberfläche (E) so angeordnet ist, daß er mit seiner wesentlichen Umfangs- und Bodenfläche (5, 6) von Erdreich und/oder Gestein umhüllt ist und daß der Druckbehälter (4) einen Speicherinhalt, der einer Energiemenge von zumindest 70 MWh entspricht, aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und mit einer Einrichtung zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs in zumindest einen Druckbehälter, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Erneuerbare Energien werden mittlerweile vermehrt und in einem signifikanten Anteil zur Erzeugung von Strom genutzt. Der so von Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen erzeugte Strom fällt aber teilweise in Zeiträumen an, die nicht unbedingt mit der Stromnutzung zusammenfallen. Es bedarf daher der Speicherung der gewonnenen Energie beispielsweise in Lithium-Ionen-Akkumulatoren, oder alternativ, der Speicherung von Wasserstoff, der mit Hilfe des von den Photovoltaik-oder Windkraftanlagen gewonnen Stromes durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden kann. Zudem bedarf es in Zukunft vermehrt der flächendeckenden Bereitstellung von Wasserstoff um beispielsweise Brennstoffzellen-PKW's, die mit Wasserstoff emissionsfrei betrieben werden können, zu betanken. Ferner um Haushalte oder auch in Zukunft Industrieanlagen mit Wasserstoff versorgen zu können.
  • Hierzu bedarf es einer kontinuierlichen Versorgung mit Wasserstoff, da eine zyklische oder gar stochastische Versorgung der genannten Verbraucher mit Energie direkt aus Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlage unzureichend ist.
  • Es sind bereits halbtechnische oder technische, kleinere Systeme bekannt, bei denen eine erneuerbare Energiequelle mit einem Akku-Speicher auch mit kleineren Endverbrauchern in Wohnungen oder Häusern verbunden werden.
  • Die US 2012/0166013 A1 beschreibt ein solches System, bei dessen Betrieb die aktuellen Leistungen einer Photovoltaikanlage, dem Akku-Speicher der Anlage und den angeschlossenen Verbrauchern bestimmt werden und eine bestmögliche Energieverteilung an die genannten Teilelemente der Anlage berechnet und gesteuert wird.
  • Die US 2008/0135 403 A1 beschreibt eine Photovoltaikanlage mit einer Solarthermieanlage und einem Elektrolyseur und einem Wasserstoffspeicher, wobei mittels Solarstrom durch den Eletrolyseur Wasserstoff erzeugt wird und auch gespeichert wird.
  • Für die Versorgung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird auch flüssiger Wasserstoff angewandt, der auf -253°C abgekühlt ist und dessen Energiegehalt wesentlich höher (8,5 MJ/Liter) ist, als der von gasförmigem Wasserstoff.
  • Großtechnische Vorrichtungen und Anlagen zur Bereitstellung von Wasserstoff zur Versorgung einer gesamten Volkswirtschaft und zur Ermöglichung des flächendeckenden Einsatzes von Brennstoffzellen-Fahrzeugen oder sonstigen Wasserstoff-Verbrauchern sind unbekannt. Insbesondere sind keine geeigneten Wasserstoff-Speicher mit einem entsprechend großen Energieinhalt bekannt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, insbesondere einen geeigneten Druckbehälter anzugeben, der die flächendeckende Bereitstellung und Nutzung von Wasserstoff in einem ganzen Land ermöglicht und die wenig Fläche für ihre Erstellung benötigt.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Dadurch daß der Druckbehälter der Vorrichtung rohrförmig gebildet ist und im Wesentlichen unterhalb der Erdoberfläche so angeordnet ist, daß er mit seiner wesentlichen Umfangs- und Bodenfläche von Erdreich und/oder Gestein umhüllt ist und daß der Druckbehälter einen Speicherinhalt von mindestens 70 MWh aufweist, ist eine technische Maßnahme angegeben, die es ermöglicht, mit wenig Flächenaufwand verbauter Fläche eine genügend große Energiemenge bereitzustellen.
  • Es können auch mehrere Druckspeicher angewandt sein um eine flächendeckende Versorgung einer Volkswirtschaft mit Wasserstoff zu ermöglichen.
  • Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Vorteilhaft ist der Druckbehälter als zylindrisches Rohr gebildet, wobei er so im Erdreich eingelassen ist, daß seine Längsachse etwa senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet ist. Er ist dadurch mit bekannten Bohrvorrichtungen im Erdreich versenkbar, nimmt wenig bebaute Fläche in Anspruch und ist gegen Beschädigungen von außen geschützt und für den Anwender sicher aufgestellt.
  • Die Anordnung aus Druckbehälter und Bohrloch kann mehr als eine Werkstoffschicht - nämlich die des Mantels des Druckbehälters -aufweisen. So kann es vorteilhaft sein, die Wand des Druckbehälters aus einem vorzugsweise korrosionsbeständigen Stahlwerkstoff zu bilden, auf den ein oder mehrere Schichten Korrosionsschutz und/oder ein oder mehrere Schichten Isolationsmaterial flächig und dichtend aufgebracht sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß korrosive Einflüsse des Erdreichs die Struktur des Druckbehälter-Werkstoffes nicht beinträchtigen können. Ferner, daß tiefgekühlter Wasserstoff keine nennenswerte Temperaturerhöhung durch Wärmezufuhr von außen in den Druckbehälter erfahren kann.
  • Die Umhüllung des Druckbehälters kann auch teilweise durch ein Kunststoffrohr, das in das Bohrloch vor der Anbringung des Druckbehälters eingelassen wird, dargestellt sein. Das Kunststoffrohr verhindert ein Einfallen des Bohrlochs und schafft vorteilhafte Verhältnisse bei dem Einbringen des Druckbehälters in das Bohrloch.
  • Die Isolationsschicht kann in fester Form durch eine Schicht Isolierschaum gebildet sein, sie kann auch durch eine alleinige oder zusätzliche Isolierschüttung gebildet sein, die den Druckbehälter im Bohrloch umgibt.
  • Um ein möglichst großes Speichervolumen auf engstem Raum zu schaffen, kann das Bohrloch eine Tiefe bis etwa 600 m aufweisen und eine Vielzahl an Druckbehältern aufnehmen. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise in unmittelbarer Nähe zu Strom erzeugenden Kraftwerken, wie Photovoltaik- oder Windkraftwerken, ein sehr großer Energiespeicher bilden, der zur regionalen und auch überregionalen Versorgung von Verbrauchern mit Wasserstoff geeignet ist. Zudem werden durch die Anwendung großer Druckbehälter die eigentlich nicht grundlastfähigen Kraftwerksbauarten, wie Windkraft- oder Sonnenenergiekraftwerke, grundlastfähig.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Druckbehälter in Bezug auf seinen Durchmesser Normmaße, wie etwa einen Durchmesser von 2 400 mm auf.
  • Er kann aus mehreren, vorzugsweise drei Rohrelementen gebildet bzw. geschweißt sein. Diese konstruktive Maßnahme ermöglicht die präzise und kostengünstige Herstellung der drei Rohrelemente und deren normgerechte Verbindung miteinander.
  • Das Bohrloch selbst weist bevorzugt einen Durchmesser von 2 800 mm auf, sodaß die Einbringung des oder der Druckbehälter technisch keine Schwierigkeiten bereitet.
  • Vorteilhaft sind in der Nähe eines Wasserstoff erzeugenden Kraftwerkes mehrere, vorzugsweise in Reihe oder in mehreren, nebeneinanderliegenden Reihen angeordnete Bohrlöcher zu bilden, um eine Vielzahl von Druckbehältern aufzunehmen.
  • Auf diese Weise lassen sich beispielsweise neue Kraftwerke, die erneuerbare Energien nutzen, an Standorten von obsolet gewordenen konventionellen Kohlekraftwerken errichten und die dazu gehörige Speicherkapazität auf dem frei gewordenen Gelände unterbringen. Es kann dadurch ohnehin bereits vorhandener Platz für eine neue, zeitgemäße Kraftwerksbauart, wie der erfindungsgemäßen, genutzt werden.
  • Die in Reihen angeordneten Druckbehälter können zu einzelnen Gruppen, die funktional in Bezug auf den Betrieb des Kraftwerkes verbunden sind, fluidisch miteinander verbunden sein.
  • Auf die erfindungsgemäße Weise lassen sich so Kraftwerksanlagen über ein ganzes Land verteilt aufbauen, die in der Lage sind, Wasserstoffverbraucher jeglicher Art - Fahrzeuge, stationäre Anlage, Haushalte etc. - zu versorgen, wobei ein Pipelinenetz, angeschlossen an die Kraftwerke und die Druckbehälter und Verdichtereinrichtungen von Vorteil ist, um den Wasserstoff flächendeckend verfügbar zu machen.
  • Der oder die Druckbehälter mit angegliederten Verdichteranlagen sind auch in der Lage, Fernleitungen, die beispielsweise an wichtigen Verkehrswegen führen, zu versorgen, um so einen internationalen Handel mit Wasserstoff zu ermöglichen.
  • Die Erfindung wird nun näher anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben und anhand der Zeichnungen gezeigt.
  • Es zeigen:
    • 1 Eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff in der Art eines Kraftwerkes,
    • 2 einen schematischen, nicht maßstäblichen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckbehälter für Wasserstoff der Vorrichtung in 1.
  • In 1 ist in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung 1 zur Bereitstellung von Wasserstoff in der Art eines Kraftwerkes 21 gezeigt, wobei in der Vorrichtung 1 Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Der elektrische Strom wird hierzu von einer Windraftanlage bereitgestellt, die in einem Ensemble mit der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Der von der Windkraftanlage erzeugte elektrische Strom versorgt u.a. eine Einrichtung 2 zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung. Der Wasserstoff wird in einem nicht näher dargestellten Gasaufbereiter gereinigt und getrocknet und in mehreren Verdichtungsstufen mittels einer Einrichtung 3 zur Verdichtung von Wasserstoff verdichtet.
  • Er kann gekühlt oder tiefgekühlt werden und in einen oder mehreren Druckbehältern 4 in gasförmigem oder flüssigen Aggregatzustand (vgl. 2) gespeichert werden. Die Einrichtung 3 zur Verdichtung kann beispielsweise durch einen Membrankompressor dargestellt sein. Sie kann auch für die Konstanthaltung des Druckes in den Druckbehältern 4 herangezogen werden.
  • Der Druckbehälter 4 ist rohrförmig in der Art einer zylindrischen Röhre 7 mit Boden und Deckel gebildet und im Wesentlichen, vorzugsweise völlig unterhalb der Erdoberfläche E in einer Bohrung 18 eingelassen. Dadurch ist er mit seiner Umfangs- und Bodenfläche von Erdreich oder Gestein umhüllt. Ein einziger Druckspeicher 4 weist eine Speichermenge von 70 MWh oder mehr an Wasserstoff auf.
  • Die Längsachse 8 des Druckspeichers 4 verläuft senkrecht zur Erdoberfläche E. Dadurch ist dieser in ein mit bekannten Erdbohrvorrichtungen gebautes Bohrloch 18 (vgl. 2) kostengünstig und vor allem sicher gegen äußere Einflüsse anordenbar. Der Druck in dem Druckbehälter 4 kann beispielsweise 200 bar betragen.
  • Der Druckbehälter 4 selbst ist vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff gebildet, kann aber auch in gewickelter Faserverbundbauweise oder einer anderen Bauweise gebildet sein.
  • Eine Wand 10 des Druckbehälters 4 kann auch aus mehr als einer Schicht 11, 12 gebildet sein. Er weist eine, diesen flächig umgebende Umhüllung 13 aus korrosions- und alterungsbeständigem Werkstoff auf. Die Umhüllung 13 kann beispielsweise durch ein ein- oder mehrschichtiges Kunststoffrohr 14 mit einem Boden 15 gebildet werden.
  • Das Kunststoffrohr 14 wird vorteilhaft vor der Einlassung des Druckbehälters 4 in das Bohrloch 18 in dieses eingebracht und ermöglicht dadurch eine den Druckbehälter 4 schonende Einbringung dessen in das Bohrloch 18.
  • An ihrer, dem Erreich zugewandten Außenfläche 16 weist die Umhüllung 13 eine flächig angeordnete Isolierschicht 17 auf, die einen Wärmeeintrag in den Druckbehälter 4 von außen verhindert. Die Isolierschicht 17 ist in der Art eines Isolierschaumes gebildet, kann aber auch als Flüssigkeitsmantel mit Kühlflüssigkeit zur Absenkung der Temperatur des in dem Druckbehälter 4 befindlichen Wasserstoffes gebildet sein.
  • In einem einzigen Bohrloch, das viele hundert Meter Tiefe aufweisen kann, beispielsweise 600 m Tiefe, kann eine Vielzahl an Druckbehältern 4 auf diese Weise eingebracht sein. Sie können miteinander parallel geschaltet, fluidisch miteinander verbunden sein.
  • Wie 2 zeigt, kann der Druckbehälter 4 einen Durchmesser D von 2400 mm aufweisen. Er kann auch aus mehreren Rohrelementen 19, 19', 19", die dichtend miteinander verbunden sind, gebildet sein. Das Bohrloch 18 selbst kann einen Durchmesser d von 2800 mm aufweisen.
  • An seiner Oberseite 23 ist das Bohrloch in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel von einem 250 mm starken Stahlbetondeckel 24 verschlossen. Vorzugsweise ist in dem Deckel 24 ein Mannloch 25 von beispielsweise 1000 mm Durchmesser ausgespart. Der Deckel 24 dient zur Befahrbarkeit des Druckbehälters 4 und zur Wartung dessen nicht gezeigter Gasanschlüsse. Er kann auch zur Entlüftung dienen. Das Bohrloch 18 ist an seinem Grund ebenfalls mit einer Stahlbeton-Bodenplatte 26 abgeschlossen.
  • Bohrlöcher 18 mit Druckbehälter 4 sind bevorzugt auf einem Speicherfeld des Kraftwerkes 21 in Reihen mit vorzugsweise diskreten Abständen angeordnet, sodaß auf kleinem Raum ein sehr hoher Gesamtspeicherraum für Wasserstoff eingerichtet ist. Dieses Gesamtspeichervolumen ist ausreichend, um nicht nur Tankstellen für Wasserstoff- betriebene Schienenfahrzeuge 27 und Straßenfahrzeuge 28 in unmittelbarer Nähe des Kraftwerkes 21 zu versorgen, sondern es ist auch geeignet, Fernleitungen 22 zur überregionalen, ja Ländergrenzen übergreifenden Versorgung mit Wasserstoff zu speisen.
  • Der erfindungsgemäße Druckspeicher 4 eignet sich auch zum Einsatz als Offshore-Speicher im Meeresboden. An Orten, an denen zur Zeit noch Kohlekraftwerke existieren, ließen sich solche, in 1 skizzierten Kraftwerkskonzepte ohne Mehraufwand an umbautem Raum installieren.
  • Der Einsatz solcher Druckspeicher 4 macht eine Kraftwerksbauart wie die der Wind- oder Solarkraftwerke auch grundlastfähig.
  • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Vorrichtung
    (2)
    Einrichtung, z. Erzeugung von Wasserstoff
    (3)
    Einrichtung, zur Verdichtung
    (4)
    Druckbehälter
    (5)
    Umfangsfläche, v. 4
    (6)
    Bodenfläche, v. 4
    (7)
    Rohr, zylindrisch
    (8)
    Längsachse, v. 4
    (9)
    --–
    (10)
    Wand, v. 4
    (11)
    Schicht, v. 4
    (12)
    Schicht, v. 4
    (13)
    Umhüllung
    (14)
    Kunststoffrohr
    (15)
    Boden
    (16)
    Außenfläche
    (17)
    Isolierschicht
    (18)
    Bohrloch
    (19) 19', 19"
    Rohrelement
    (20)
    Speicheranlage
    (21)
    Kraftwerk
    (22)
    Fernleitung
    (23)
    Oberseite, v. 18
    (24)
    Deckel
    (25)
    Mannloch
    (26)
    Bodenplatte, v. 18
    (27)
    Schienenfahrzeug
    (28)
    Straßenfahrzeug
    (E)
    Erdoberfläche
    (D)
    Durchmesser, v. 4
    (d)
    Durchmesser, v. 18
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2012/0166013 A1 [0005]
    • US 2008/0135403 A1 [0006]

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, mit einer Einrichtung (2) zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und mit einer Einrichtung (3) zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs in zumindest einen Druckbehälter (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) rohrförmig gebildet ist und im Wesentlichen unterhalb der Erdoberfläche (E) so angeordnet ist, daß er mit seiner wesentlichen Umfangs- und Bodenfläche (5, 6) von Erdreich und/oder Gestein umhüllt ist und daß der Druckbehälter (4) einen Speicherinhalt, der einer Energiemenge von zumindest 70 MWh entspricht, aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) als zylindrisches Rohr (7) mit Boden und Deckel gebildet ist und daß die Längsachse (8) des Druckbehälters (4) etwa senkrecht zur Erdoberfläche (E) ausgerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand (10) des Druckbehälters (4) aus mehr als einer Werkstoffschicht (11, 12) gebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist und daß der Druckbehälter (4) in einer, diesen flächig umgebenden Umhüllung (13) aus korrosions- und alterungsbeständigem Werkstoff im Erdreich angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (13) durch ein Kunststoffrohr (14) mit zumindest einem Boden (15) gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) und/oder die Umhüllung (13) zumindest an ihrer, dem Erdreich zugewandten Außenfläche (16) eine flächig angeordnete Isolationsschicht (17) aufweisen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (13) in der Art eines Isolierschaumes oder einer Isolierschüttung gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Druckbehälter (4) in einem bis etwa 600 m Tiefe reichenden Bohrloch (18) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) einen Durchmesser (D) von etwa 2 400 mm aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, aß der Druckbehälter (4) aus mehreren, vorzugweise 3 Rohrelementen (19, 19', 19"), die dichtend miteinander verbunden sind, gebildet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) in einem Bohrloch (18) von etwa 2 800 mm Durchmesser (d) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Speicheranlage (20) mehrere Druckbehälter (4) in nebeneinander liegenden, in Reihe oder sonstigen Zuordnungen in das Erreich eingebrachten Bohrlöchern (18) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter (4) fluidisch miteinander verbunden sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) Teil eines Kraftwerkes (21) ist, das durch die Nutzung alternativer, regenerierbarer Energiequellen (Wind, Sonnenstrahlung, Wasserkraft, Geothermie) Strom zur elektrochemischen Spaltung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Druckbehälter (4) befindliche Wasserstoff zum Antrieb von Brennkraftmaschinen für Kraftahrzeuge, für Stromgeneratoren und sonstige von Brennkraftmaschinen betriebene Maschinen dient.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (4) zur Speisung von Fernleitungen (22) für Wasserstoff dient um Verbraucher, wie Wasserstofftankstellen oder Haushalte mit Energie zu versorgen.
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