-
Das Projekt wird durch das Energy Technology Development and Demonstration Program, (EUDP) Nr.64018-0064 unterstützt.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem und insbesondere ein Wärmetauschersystem für den Wärmeaustausch zwischen einer Biogasproduktionsanlage und einer Power-to-Gas-Anlage.
-
Biogasproduktionsanlagen produzieren Biogas durch den Abbau von organischem Material in Abwesenheit von Sauerstoff. Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid und kann aus Rohstoffen wie landwirtschaftlichen Abfällen, Gülle, Siedlungsabfällen, Pflanzenmaterial, Abwasser, Grünschnitt oder Lebensmittelabfällen erzeugt werden. Das in einer Biogasproduktionsanlage produzierte Biogas kann zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden. Das produzierte Biogas kann auch gereinigt und in ein Gasnetz eingespeist und zu Verbrauchsstellen transportiert werden.
-
Power-to-Gas (P2G)-Anlagen nutzen elektrische Energie zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffs. Der gasförmige Brennstoff ist in der Regel Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wird. Der erzeugte Wasserstoff kann anschließend in Methan umgewandelt oder direkt in anderen Anwendungen genutzt werden. Eine Art der Umwandlung von Wasserstoff in Methan, die normalerweise in einer Power-to-Gas-Anlage stattfindet, wird als biologischer Methanisierungsprozess bezeichnet. Es handelt sich um einen exothermen Prozess, der bei einer milden Temperatur, typischerweise im Bereich von 60-65 °C, abläuft und Wasserstoff (H2) als Einsatzgas verwendet.
-
Die Biogasproduktionsanlage hat während ihres Betriebs einen Wärmebedarf, der durch Ersatzwärmeversorger (z. B. Gaskessel) gedeckt werden kann. Umgekehrt hat die Power-to-Gas-Anlage einen Kältebedarf, der durch Bereitschaftskälteanlagen (z. B. Luftkühler) gedeckt werden kann. Der Betrieb dieser Bereitschaftswärme- oder Kühlaggregate ist ein zusätzlicher Betriebskostenfaktor im Gesamtsystem.
-
Zusätzlich muss die Power-to-Gas-Anlage vor dem Starten beheizt werden, was im Hinblick auf den gesamten Anlagenbetrieb nur für kurze Zeit den Einsatz einer Zusatzheizung bedeutet. Es stellt einen zusätzlichen parasitären Energieverbrauch dar und verlangsamt den Startvorgang.
-
Außerdem kann überschüssige Wärme, die entweder von der Power-to-Gas-Anlage oder von einigen Betriebsmitteln der Biogasproduktionsanlage produziert wird, an Dritte exportiert werden. Dies schafft jedoch weitere Probleme. Der Export von Wärme an Dritte kann eine Herausforderung sein, da die Anfangstemperatur niedrig ist und während der Übertragung Temperaturverluste auftreten. Die Nutzung der Wärme durch einen Dritten könnte eine gewisse Garantie für die Kontinuität der Versorgung implizieren, was der typischerweise intermittierenden Natur des Betriebs der Power-to-Gas-Anlage und des Systems widerspricht.
-
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Wärmetauschersystem, insbesondere ein Wärmetauschersystem zwischen einer Power-to-Gas-Anlage und einer Biogasproduktionsanlage bereitzustellen, das eine kontinuierliche Nutzung der Biogasproduktionsanlage ermöglicht und dabei weniger Wärmeverluste und eine bessere Wärmeausnutzung erzeugt.
-
Die Erfindung ist gemäß dem aktuellen Anspruch 1 definiert, weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein Wärmetauschersystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Biogasproduktionsanlage mit mindestens einem ersten wärmebedürftigen Element, eine Power-to-Gas-Anlage mit mindestens einem ersten kältebedürftigen Element und ein Wärmespeichersystem.
-
Das Wärmespeichersystem umfasst einen Pufferspeicher zum Speichern von Wärme, wobei die gespeicherte Wärme mindestens einen ersten Teil des aus dem Inneren der Power-to-Gas-Anlage zirkulierenden Heißstroms und/oder mindestens einen zweiten Teil des aus der Biogasproduktionsanlage zirkulierenden Heißstroms umfasst.
-
Das Wärmetauschersystem umfasst ferner einen ersten Rückkältestrom, der von der Biogasproduktionsanlage zum Wärmespeichersystem zirkuliert, und einen zweiten Rückkältestrom, der vom Wärmespeichersystem zum ersten kühlungsbedürftigen Element zirkuliert.
-
Das Wärmespeichersystem umfasst ferner ein Wärmemanagementsystem, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wärmemanagementsystem so konfiguriert ist, dass es selektiv einen dritten Teil des heißen Stroms der gespeicherten Wärme dem ersten wärmebedürftigen Element zuführt.
-
Im Folgenden ist der Begriff „Biogasproduktionsanlage“ als eine Ansammlung von Vorrichtungen zu verstehen, die gemeinsam zur Erzeugung von Biogas beitragen. Diese Geräte können insbesondere in jeder Phase des Biogasproduktionsprozesses relevant sein, wie z.B. vor, während und nach der Produktion.
-
Insbesondere umfasst die Biogasproduktionsanlage der vorliegenden Erfindung ein erstes wärmebedürftiges Element. Der Begriff „wärmebedürftig“ ist zu verstehen als „eine bestimmte Menge an Wärme benötigend, um zu arbeiten oder zumindest seine Funktion über längere Zeiträume ordnungsgemäß zu erfüllen“. In ähnlicher Weise, aber umgekehrt, umfasst die Power-to-Gas-Anlage ein erstes kühlungsbedürftiges Element, wobei der Begriff „kühlungsbedürftig“ zu verstehen ist als „eine bestimmte Menge an Kühlung benötigend, um zu arbeiten oderzumindest seine Funktion über einen längeren Zeitraum ordnungsgemäß zu erfüllen“.
-
Das Wärmespeichersystem umfasst ferner einen Pufferspeicher, in dem Wärme gespeichert wird. Die Speicherung und Zirkulation der Wärme (z. B. in Form von heißen Strömen) erfolgt durch ein Fluid, das im Wärmespeichersystem enthalten ist und/oder in die Speicherwärme hinein- und herauszirkuliert. Das Fluid kann z. B. Wasser oder ein beliebiges Fluid mit einer hohen Wärmekapazität sein.
-
Da „Wärme“ eine Energie ist, ist, wenn beispielsweise in der vorliegenden Erfindung angegeben wird, dass „die gespeicherte Wärme (einen Teil der) in der Biogasproduktionsanlage erzeugten Wärme umfasst“, gemeint, dass das Fluid, in dem die Wärme gespeichert ist, erwärmtes Fluid umfasst, das in der Biogasproduktionsanlage erzeugt wurde.
-
Insbesondere kann die im Pufferspeicher des Wärmespeichersystems gespeicherte Wärme die in der Power-to-Gas-Anlage erzeugte Wärme und/oder die in der Biogasproduktionsanlage erzeugte Wärme umfassen.
-
Der Pufferspeicher kann so dimensioniert werden, dass er z. B. 12 Stunden lang die Biogasproduktionsanlage und insbesondere die wärmebedürftigen Elemente mit Wärme versorgt, bevor eine externe Wärmequelle benötigt wird. Wenn kein anderer Wärmebedarf besteht, kann eine aktive Kühlung, z. B. mit einem Luftkühler, erforderlich sein, um die überschüssige Wärme abzuführen. Der Pufferspeicher kann z. B. für eine Akkumulation von 5 bis 7 Stunden ausgelegt sein. Insbesondere der Unterschied zwischen Versorgungs- und Speicherkapazität ist spezifisch für jede Ausführungsform der Biogasproduktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlagen der vorliegenden Erfindung. Die Auslegung für die Versorgungsleistung richtet sich insbesondere nach der zu erwartenden Einschaltdauer der Power-to-Gas-Anlage und insbesondere danach, wie lange die Stillstandszeit und damit die fehlende Wärmequelle dauern wird. Das Ergebnis für die Speicherkapazität ist abhängig vom Auslegungspunkt der Power-to-Gas-Anlage.
-
Das bedeutet, dass sowohl die Power-to-Gas-Anlage als auch die Biogasproduktionsanlage an das Wärmespeichersystem und an den Pufferspeicher angeschlossen sind. Es bedeutet weiterhin, dass das im Wärmespeichersystem gespeicherte erwärmte Fluid aus einem erwärmten Fluid besteht, das von der Biogasproduktionsanlage und/oder der Power-to-Gas-Anlage zirkuliert.
-
In der Praxis ist es daher vorteilhaft, wenn sich der Wärmespeicher und der Pufferspeicher in der Nähe der Biogasproduktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlage befinden. Je weiter der Wärmespeicher und der Pufferspeicher von einem der beiden Elemente entfernt sind, desto mehr Wärmeverluste entstehen bei der Zirkulation des erwärmten Fluids.
-
Das Wärmespeichersystem kann sich also physisch in der Biogasproduktionsanlage oder in der Power-to-Gas-Anlage oder irgendwo dazwischen und in der Nähe von beiden befinden.
-
Die gespeicherte Wärme im Pufferspeicher umfasst entweder mindestens einen ersten Teil des heißen Stroms, der innerhalb der Power-to-Gas-Anlage zirkuliert, oder mindestens einen zweiten Teil des heißen Stroms, der von der Biogasproduktionsanlage zirkuliert, oder beides. Die gespeicherte Wärme im Pufferspeicher kann auch Wärme umfassen, die von anderen wärmeerzeugenden Elementen und/oder Anlagen stammt.
-
Die Temperatur der gespeicherten Wärme im Pufferspeicher setzt sich somit im Wesentlichen aus der Wärme des ersten Teils des heißen Stroms und der Wärme des zweiten Teils der gespeicherten Wärme zusammen.
-
Die Zirkulation der heißen Ströme wird durch Leitungen erreicht, die das Wärmespeichersystem und insbesondere den Pufferspeicher mit Elementen der Biogasproduktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlage verbinden.
-
Um die Wärme im Pufferspeicher zu regulieren und das kühlungsbedürftige Element der Power-to-Gas-Anlage mit einem kalten Strom zu versorgen, umfasst das Wärmetauschersystem außerdem einen ersten Rückkältestrom, der von der Biogasproduktionsanlage zum Wärmespeichersystem zirkuliert, und einen zweiten Rückkältestrom, der vom Wärmespeichersystem zum kühlungsbedürftigen Element der Power-to-Gas-Anlage zirkuliert. Insbesondere kann ein kalter Strom in den unteren Teil des Pufferspeichers eintreten, da der Speicher im oberen und unteren Teil mit heißem Wasser geschichtet ist, oder er kann direkt in das Wärmemanagementsystem eintreten, wenn sowohl die Biogasproduktionsanlage als auch die Power-to-Gas-Anlage synergetisch arbeiten.
-
Die Temperaturen der kalten Ströme können zwischen 40°C und 60°C liegen, insbesondere zwischen 45°C und 55°C.
-
Die Zirkulation der Kühlung (z. B. in Form von kalten Strömen) erfolgt durch ein Fluid, das z. B. Wasser oder ein beliebiges Fluid mit einer hohen Wärme-/Kältekapazität sein kann. Insbesondere kann der kalte Strom aus dem gleichen Fluid wie die heißen Ströme bestehen.
-
Das im Wärmespeichersystem enthaltene Wärmemanagementsystem umfasst meist eine Anordnung von Ventilen und Messsystemen, die sowohl den in das Wärmespeichersystem eintretenden als auch den aus ihm austretenden bzw. in der Biogasproduktionsanlage und/oder Power-to-Gas-Anlage zirkulierenden Heiß- und Kaltstrom aktivieren, deaktivieren oder regeln können.
-
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemanagementsystem so konfiguriert ist, dass es selektiv einen dritten Teil des heißen Stroms der gespeicherten Wärme dem ersten wärmebedürftigen Element zuführt. Dies bedeutet, dass die gespeicherte Wärme im Pufferspeicher dem ersten wärmebedürftigen Element nach Bedarf zugeführt werden kann.
-
Dies ist aus mehreren Gründen besonders vorteilhaft. Die Power-to-Gas-Anlage weist in der Regel Leerlaufzeiten auf, in denen sie nicht in Betrieb ist und somit auch keine Wärme produziert, die direkt der Biogasproduktionsanlage und insbesondere dem wärmebedürftigen Element der Biogasproduktionsanlage zugeführt werden könnte. Während bei konventionellen Anlagen dieses Problem durch externe Energiequellen („parasitäre Energie“) gelöst wird, die während der Stillstandszeiten der Power-to-Gas-Anlage den Wärmebedarfsträger in der Biogasproduktionsanlage aufheizen, wird dies bei der vorliegenden Erfindung durch die Speicherung derWärme im Pufferspeicher und die gezielte Zuführung der benötigten Wärme an den Wärmebedarfsträger gelöst.
-
Auf diese Weise werden Kosten gespart, da kein weiterer Energieverbrauch erforderlich ist, und gleichzeitig wird durch die Kreislaufführung und das „Recycling“ der bereits in der Biogasproduktionsanlage bzw. der Power-to-Gas-Anlage erzeugten Wärme ein Umweltvorteil erzielt.
-
Nicht zuletzt trägt das Wärmemanagementsystem auch dazu bei, die verschiedenen Warm- und Kaltströme selektiv zu regeln und damit die Temperatur in den verschiedenen wärme- oder kältebedürftigen Elementen zu regulieren.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wärmemanagementsystem ferner so konfiguriert, dass es den Pufferspeicher mit dem ersten Teil des heißen Stroms und/oder dem zweiten Teil des heißen Stroms speist.
-
Auf diese Weise steuert und regelt das Wärmemanagementsystem auch den Eintritt von Heißstromanteilen aus der Biogasproduktionsanlage und/oder der Power-to-Gas-Anlage und ermöglicht so die Steuerung und Regelung der in den Pufferspeicher eintretenden Wärmezufuhr und damit die Regelung der Temperatur im Pufferspeicher.
-
Die Verwaltung der Wärmezufuhr zum Pufferspeicher durch das Wärmemanagementsystem erlaubt es, selektiv zu entscheiden, welcher Heißstrom dem Pufferspeicher zugeführt werden soll.
-
Bei normalem Betrieb der Biogasproduktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlage umfasst die Wärme im Pufferspeicher im Wesentlichen nur die in der Power-to-Gas-Anlage erzeugte Wärme.
-
Im Prinzip fungiert eine Anlage zur Biogaserzeugung nur als aktiver Abnehmer des heißen Stroms zur Erwärmung der Tanks oder Behälter, in denen das Biogas produziert wird, und die Stand-by-Heizgeräte sind inaktiv. Wenn also die benötigte Wärme von anderen Geräten/Komponenten als einer Power-to-Gas-Anlage geliefert werden muss, entstehen parasitäre Energieverluste durch den Verbrauch von fossilen Brennstoffen oder den Verbrauch eines Teils des produzierten Biogases.
-
Im Falle eines Leerlaufs der Power-to-Gas-Anlage wird keine Wärme erzeugt, und die Biogasproduktionsanlage wäre nicht in der Lage, ihren Betrieb fortzusetzen, wenn sie sich nur auf die Power-to-Gas-Anlage verlässt. Durch den Einsatz des Wärmemanagementsystems und die gezielte Beschickung des Pufferspeichers mit Wärme, die von der Biogasproduktionsanlage selbst erzeugt wird, kann eine im Wesentlichen ununterbrochene Produktion durch die Biogasproduktionsanlage erreicht werden.
-
Insbesondere gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der dritte Teil des Heißstroms, also der Teil des Heißstroms, der den Pufferspeicher verlässt und dem wärmebedürftigen Element zugeführt wird, im Wesentlichen einer vom ersten wärmebedürftigen Element benötigten Wärmemenge. Der Begriff „im Wesentlichen“ berücksichtigt dabei den Wärmeverlust bei der Beschickung des wärmebedürftigen Elements, insbesondere durch den Verlust beim Transport des heißen Stroms durch Leitungen. Folglich wird etwas mehr Wärme als die vom wärmebedürftigen Element benötigte Wärme vom Pufferspeicher über das Wärmemanagementsystem abgegeben, um diesen Verlust auszugleichen.
-
Die Vorteile sind wiederum vielfältig: Dem wärmebedürftigen Element wird keine überschüssige Wärme zugeführt, was zu einer Energie- und Kosteneinsparung führt. Durch die Einsparung von mehr Wärme ergibt sich eine höhere potenzielle Wärmeabgabe an Heiznetze und externe Verbraucher. Darüber hinaus führt die eingesparte Wärme zu einer besseren Umweltbilanz. Mit anderen Worten, die von der Power-to-Gas-Anlage zurückgewonnene und genutzte Abwärme anstelle der von anderen wärmeerzeugenden Geräten/Anlagen, die auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, erzeugten Wärme führt zu einer verbesserten CO2-Bilanz, da unerwünschte Abgasemissionen in die Umwelt vermieden werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmemanagementsystem auch so konfiguriert, dass es die tatsächlich benötigte Wärmemenge des wärmebedürftigen Elements der Biogasproduktionsanlage ermittelt.
-
Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch der Geräteaufwand in den Anlagen minimiert wird, wobei die oben beschriebenen Vorteile erhalten bleiben.
-
Das erste wärmeverbrauchende Element der Biogasproduktionsanlage ist ein Fermenter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Fermenter ist eine Einheit der Biogasproduktionsanlage, in der der Prozess der anaeroben Vergärung und insbesondere der Methanisierung stattfindet.
-
Fermenter müssen normalerweise auf einer Temperatur von typischerweise 35 bis 55 °C gehalten werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Daher wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste Wärmemenge, die dem Fermenter zugeführt wird - wobei es sich um das erste wärmebedürftige Element handelt -so bestimmt und/oder ausgewählt, dass der Fermenter auf einer Temperatur im Bereich von 35 °C bis 55 °C und insbesondere im Bereich von 40 °C bis 50 °C gehalten wird.
-
Es wird deutlich, dass durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das wärmebedürftige Element und insbesondere der Fermenter in einem konstanten Temperaturbereich gehalten wird, in dem seine Funktionalität erhöht ist. Diese konstante Temperatur ist auch dann aufrechtzuerhalten, wenn sich die Power-to-Gas-Anlage in einem Leerlaufzustand befindet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Biogasproduktionsanlage ferner eine beliebige Quelle für in der Biogasproduktionsanlage erzeugte Bereitschaftswärme, wie z. B. einen Gaskessel oder ein Blockheizkraftwerk (BHKW), und/oder eine beliebige Quelle für in der Biogasproduktionsanlage erzeugte Abwärme, wie z. B. ein Biogasaufbereitungssystem, die jeweils mit dem Wärmespeichersystem gekoppelt sind.
-
Ferner umfasst der zweite Teil des heißen Stroms Wärme, die durch eine der Quellen für Bereitschaftswärme und/oder durch eine der Quellen für Abwärme, allein oder in Kombination, erzeugt wird, und insbesondere Wärme, die durch den Gaskessel und/oder durch eine Quelle für erneuerbare Wärme, wie z. B. durch solarthermische oder geothermische Quellen, und/oder durch das Biogasaufbereitungssystem und/oder durch die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) erzeugt wird.
-
Gemäß der obigen Ausführungsform können die Quellen der in der Biogasproduktionsanlage erzeugten Wärme aus Bereitschaftswärme und/oder Abwärme und/oder aus einer erneuerbaren Wärmequelle stammen. Insbesondere aus Einheiten wie Blockheizkraftwerken, Gaskesseln und Biogasaufbereitungssystemen, die alle während ihres Betriebs Wärme erzeugen und sowohl üblich als auch Hauptelemente einer Biogasproduktionsanlage sind. Die in diesen Wärmequellen erzeugte Wärme ist Teil des zweiten Heißstroms, der selektiv in den Pufferspeicher eingespeist wird, insbesondere wenn sich die Power-to-Gas-Anlage im Leerlauf befindet.
-
Daher ist es besonders positiv, dass alle in einer Biogasproduktionsanlage benötigten Hauptaggregate an den Pufferspeicher angeschlossen sind und einen Heißstrom in den Pufferspeicher abgeben, insbesondere wenn die Power-to-Gas-Anlage stillsteht. Auf diese Weise werden die üblichen Wärmequellen nicht verschwendet, sondern für den ordnungsgemäßen Betrieb des ersten wärmebedürftigen Elements wiederverwendet.
-
Die Liste der wärmeerzeugenden Quellen ist jedoch nicht auf diese beschränkt, und mehrere andere Elemente, die Wärme erzeugen, und die in der Regel in einer Biogasproduktionsanlage vorhanden sind, können an das Wärmespeichersystem angeschlossen werden und dazu beitragen, den zweiten Teil des heißen Stroms zu zirkulieren, gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Dementsprechend können auch solare oder geothermische Quellen verwendet werden, was den Vorteil hat, dass die Notwendigkeit einer externen „parasitären“ Quelle weiter eingeschränkt wird, da die erneuerbare Quelle nicht als parasitär angesehen werden kann. Daher kann der Pufferspeicher auch als erneuerbarer Wärmepuffer fungieren, was weitere positive Umwelteffekte hat und den Bedarf an parasitärer Energie für die Power-to-Gas-Anlage und die Biogasproduktionsanlage minimiert.
-
In ähnlicherWeise umfasst gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Power-to-Gas-Anlage eine beliebige Quelle für Stand-by-Kühlung, wobei die Quelle für Stand-by-Kühlungso konfiguriert ist, dass sie bei Bedarf aktiviert wird, um überschüssige Wärme in der Power-to-Gas-Anlage und/oder der Biogasproduktionsanlage abzuführen.
-
Der kalte Strom, der zumindest zu dem kühlungsbedürftigen Element in der Power-to-Gas-Anlage zirkuliert, hat also mehrere Zwecke. Er ist eindeutig relevant, um das kühlungsbedürftige Element abzukühlen, damit es ordnungsgemäß funktionieren kann. Er kann außerdem als Sicherheitsmechanismus angesehen werden, derzu relevanten Teilen der Biogasproduktionsanlage und/oder Power-to-Gas-Anlage zirkuliert, um eine Überhitzung eines Elements zu verhindern.
-
Insbesondere in einigen weiteren Ausführungsformen umfasst die Power-to-Gas-Anlage einen Elektrolyseur und einen Biomethanisierungsreaktor, die jeweils mit dem Wärmespeichersystem gekoppelt sind, wobei der erste Teil des heißen Stroms Wärme umfasst, die von dem Elektrolyseur und/oder von dem Biomethanisierungsreaktor erzeugt wird.
-
Die Liste der Quellen ist jedoch nicht darauf beschränkt, und mehrere andere Elemente, die Wärme erzeugen und die normalerweise im Power-to-Gas vorhanden sind, können an das Wärmespeichersystem angeschlossen werden und zur Erwärmung und Zirkulation des ersten Teils des heißen Stroms beitragen.
-
Konkret bedeutet dies, dass in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Hauptanteil der von der Power-to-Gas-Anlage erzeugten Wärme und die Hauptkomponente des zum Pufferspeicher zirkulierenden Heißstroms aus der vom Elektrolyseur und/oder vom Biomethanisierungsreaktor erzeugten Wärme besteht.
-
Wie bereits erwähnt und wie später noch näher beschrieben wird, ist es meist der erste Teil des Heißstroms, also der Teil, der in der Power-to-Gas-Anlage erzeugt wird, der das Wärmespeichersystem speist und somit die notwendige Wärme für das erste wärmebedürftige Element bereitstellt.
-
In Fällen, in denen die Power-to-Gas-Anlage nicht in Betrieb ist oder nicht arbeiten kann, ersetzen sowohl die im Pufferspeicher gespeicherte Wärme als auch der in der Biogasproduktionsanlage erzeugte Teil des heißen Stroms die in der Power-to-Gas-Anlage erzeugte Wärme und bilden zumindest einen Teil des dritten heißen Stroms, der dem wärmebedarfenden Element zugeführt wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Biogasproduktionsanlage weitere wärmebedürftige Elemente und die Power-to-Gas-Anlage weitere kältebedürftige Elemente. Das Wärmemanagementsystem ist dann so konfiguriert, dass es selektiv weitere Ströme gespeicherter Wärme zu den weiteren wärmebedürftigen Elementen zirkuliert und/oder weitere Teile kalter Rücklaufströme zu den weiteren kältebedürftigen Elementen zirkulieren lässt.
-
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Vielmehr sind auch Anordnungen denkbar, bei denen die Biogasproduktionsanlage weitere kältebedürftige Elemente und die Power-to-Gas-Anlage weitere wärmebedürftige Elemente aufweist. Nicht zuletzt ist auch eine „Mischanordnung“ denkbar, bei der sowohl die Biogasproduktionsanlage als auch die Power-to-Gas-Anlage sowohl wärme- als auch kältebedürftige Elemente umfasst.
-
Beispiele für weitere wärmebedürftige Elemente der Biogasproduktionsanlage sind der Flüssiggutbehälter und ein Nachgärer. Beispiele für kühlungsbedürftige Elemente der Power-to-Gas-Anlage sind der Biomethanisierungsreaktor, der Elektrolyseur, die Verdichterabgaskühler etc.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmemanagementsystem so konfiguriert, dass ein vierter Teil des heißen Stroms an eine externe Einheit weitergeleitet wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die gesamte Heizungsanlage zentral über das Wärmemanagementsystem geregelt wird und keine weiteren Geräte erforderlich sind.
-
Das Wärmeaustauschsystem der vorliegenden Erfindung kann auch ein weiteres Regelsystem umfassen, das in Kombination mit verschiedenen Heißluftströmen angeordnet ist und die Anzahl der Heißluftströme, die zu jedem wärmebedürftigen Element geleitet werden, selektiv regelt. Ein Regelsystem könnte zum Beispiel verwendet werden, um den dritten Teil des Heißstroms in Unterteile aufzuteilen, die jeweils zu einem einzelnen wärmebedürftigen Element zirkulieren und jeweils so ausgewählt werden, dass die Temperatur in den wärmebedürftigen Elementen in einem vorgeschriebenen Bereich gehalten wird. In ähnlicher Weise kann ein weiteres Regelsystem verwendet werden, um eine selektive Menge an heißen Strömen, die von den wärmeerzeugenden Elementen erzeugt werden, zu einem einzelnen Teil des heißen Stroms (z. B. der erste oder zweite Teil), die in das Wärmespeichersystem zirkuliert, zu fördern und zu kombinieren.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine singuläre Biogasproduktionsanlage und/oder eine singuläre Power-to-Gas-Anlage beschränkt, und ein Wärmetauschersystem wie in der vorliegenden Erfindung kann in all diesen Situationen realisiert werden. Insbesondere sind auch Systeme mit mehreren Wärmespeichern denkbar.
-
Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Austausch von Wärme zwischen einer Biogasproduktionsanlage und einer Power-to-Gas-Anlage beschrieben, wobei die Biogasproduktionsanlage mindestens ein erstes wärmebedürftiges Element und die Power-to-Gas-Anlage mindestens ein erstes kältebedürftiges Element umfasst.
-
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a. Erzeugung von Wärme in der Power-to-Gas-Anlage;
- b. Speichern mindestens eines ersten Teils des heißen Stroms der in der Power-to-Gas-Anlage erzeugten Wärme in einem Wärmespeichersystem;
und/oder
- c. Erzeugung von Wärme in der Biogas-Produktionsanlage;
- d. Speichern mindestens eines zweiten Teils des heißen Stroms der in der Biogasproduktionsanlage erzeugten Wärme im Wärmespeicher;
und
- e. Umwälzung eines Teils des in der Biogasproduktionsanlage erzeugten kalten Rücklaufstroms in das Wärmespeichersystem.
-
Des Weiteren umfasst das Wärmespeichersystem ein Wärmemanagementsystem und das obige Verfahren umfasst ferner die folgenden Schritte:
- f. Zirkulieren eines dritten Teils des heißen Stroms vom Wärmespeichersystem zum ersten wärmebedürftigen Element durch das Wärmemanagementsystem und
- g. Zirkulieren eines zweiten Rückkältestroms vom Wärmespeichersystem zum ersten kühlungsbedürftigen Element durch das Wärmemanagementsystem.
-
Erfindungsgemäß werden die Wärmequellen und insbesondere die in den Wärmespeicher ein- und ausströmenden heißen Ströme entweder von der Biogasproduktionsanlage oder der Power-to-Gas-Anlage oder von beiden erzeugt.
-
Insbesondere gemäß einigen Ausführungsformen des Verfahrens führt das Wärmemanagementsystem den Schritt des Erzeugens und Speicherns des mindestens zweiten Teils des heißen Stroms durch, wenn das Einspeichern des ersten Teils des heißen Stroms nicht durchgeführt wurde oder nicht durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Power-to-Gas-Anlage in einem Leerlaufzustand befindet.
-
Unabhängig davon, welcher Teil des heißen Stroms dem wärmebedürftigen Element tatsächlich die erforderliche Wärme liefert, kann der dritte Teil des heißen Stroms einer ersten Wärmemenge entsprechen, die von dem ersten wärmebedürftigen Element benötigt wird, wobei das Wärmemanagementsystem die von dem ersten wärmebedürftigen Element benötigte Wärmemenge bestimmt und den Schritt des Zirkulierens eines dritten Teils des heißen Stroms von dem Wärmespeichersystem zu dem ersten wärmebedürftigen Element entsprechend durchführt.
-
Wie bereits in Bezug auf das Wärmetauschersystem erwähnt, ist es sehr vorteilhaft, wenn das Wärmemanagementsystem die genaue Temperatur und damit die Menge des dritten Teils des heißen Stroms bestimmt, den das wärmebedürftige Element benötigt. Es minimiert die Kosten, erhöht die Leistung für externe Einheiten und führt zu einem besseren ökologischen Fußabdruck.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist das erste wärmebedürftige Element (122a) ein Fermenter, und der Schritt des Zirkulierens eines dritten Teils des heißen Stroms von dem Wärmespeichersystem zu dem ersten wärmebedürftigen Element umfasst die Schritte des Zirkulierens des dritten Teils des heißen Stroms zu dem Fermenter, so dass der Fermenter auf einer Temperatur im Bereich von 35°C bis 55°C, insbesondere im Bereich von 40°C bis 50°C, gehalten wird.
-
Es hat sich gezeigt, dass der Fermenter in diesen Temperaturbereichen am besten arbeitet. Es ist daher das Ziel des aktuellen Systems, den Fermenter auch in Situationen, in denen die Power-to-Gas-Anlage stillsteht oder deaktiviert ist, kontinuierlich in diesem Bereich zu halten.
-
Insbesondere gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest der zweite Teil des heißen Stroms durch eine beliebige Quelle von Bereitschaftswärme der Biogasproduktionsanlage, wie z. B. einen Gaskessel und/oder ein Blockheizkraftwerk (BHKW), und/oder durch eine beliebige Quelle von in der Biogasproduktionsanlage erzeugter Abwärme, wie z. B. ein Biogasaufbereitungssystem (125), erzeugt.
-
Die Liste der Quellen ist nicht darauf beschränkt, und mehrere andere Elemente, die Wärme erzeugen und die normalerweise in der Biogasproduktionsanlage vorhanden sind, können an das Wärmespeichersystem angeschlossen werden und dazu beitragen, den zweiten Teil des heißen Stroms zu zirkulieren
-
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens erste Teil des von der Power-to-Gas-Anlage erzeugten Heißstroms von mindestens einem Elektrolyseur und/oder einem Biomethanierungsreaktorerzeugt.
-
Die Liste der Quellen ist nicht darauf beschränkt, und mehrere andere Elemente, die Wärme erzeugen und die normalerweise in der Power-to-Gas-Anlage vorhanden sind, können an das Wärmespeichersystem angeschlossen werden und dazu beitragen, dass der erste Teil des heißen Stroms zirkuliert
-
Das Verfahren kann auch die Schritte der Zuführung weiterer im Wärmespeichersystem (140) gespeicherter heißer Ströme zu weiteren wärmebedürftigen Elementen, wie einem Behälter für flüssige Einsatzstoffe und einem Nachgärer, und/oder der Zuführung weiterer kalter Rückströme zu weiteren kältebedürftigen Elementen umfassen.
-
Darüber hinaus kann das Verfahren den weiteren Schritt der selektiven Einspeisung eines weiteren Teils des im Wärmespeichersystem gespeicherten Heißstroms in eine externe Einheit, wie z. B. ein privates Heizungsnetz, umfassen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen.
- 1 zeigt eine schematische erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt eine Weiterentwicklung der Ausführungsform der Erfindung gemäß 1.
- 3 zeigt eine Weiterentwicklung der Ausführungsform der Erfindung gemäß 2.
- 4a und 4b zeigen zwei Weiterentwicklungen der Ausführungsform der Erfindung gemäß 3.
- 5 zeigt ein beispielhaftes Temperaturkaskaden-Diagramm einiger Elemente der Biogas-Produktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlage.
-
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform des Wärmetauschersystems der vorliegenden Erfindung, bestehend aus einer Biogasproduktionsanlage 20 und einer Power-to-Gas-Anlage 30, die in den Figuren beide durch eine gestrichelte Linie begrenzt sind. Die Biogasproduktionsanlage umfasst in dieser Ausführungsform ein einzelnes wärmebedürftiges Element 22a, das beispielsweise der Fermenter der Biogasproduktionsanlage sein könnte. Die Power-to-Gas-Anlage umfasst stattdessen ein erstes kältebedürftiges Element 26a, bei dem es sich beispielsweise um den Biomethanisierungsreaktor handeln könnte.
-
Das Wärmespeichersystem 40 ist so dargestellt, dass es sich zwischen der Biogasproduktionsanlage 20 und der Power-to-Gas-Anlage 30 befindet. Wie bereits erwähnt, kann das Wärmespeichersystem an einem beliebigen Ort platziert werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass ein Standort in der Nähe der Biogasproduktionsanlage und der Power-to-Gas-Anlage den Wärmeverlust während der Zirkulation der heißen Ströme verringert.
-
Das Wärmespeichersystem 40 umfasst einen Pufferspeicher 41 und ein Wärmemanagementsystem 42, das die Wärmezufuhr durch mindestens den ersten und/oder zweiten Teil der heißen Ströme, die Wärmeabgabe, z. B. durch den dritten Teil des heißen Stroms, die Kaltstromzufuhr und/oder die Kaltstromabgabe regelt und steuert.
-
Ein erster Teil des heißen Stroms 52 zirkuliert von der Power-to-Gas-Anlage 30 in das Wärmespeichersystem 40 und insbesondere in den Pufferspeicher 41, in dem die Wärme 50 gespeichert ist.
-
Ein erster Rücklaufkältestrom 56 zirkuliert von der Biogasproduktionsanlage zum Wärmespeichersystem 40. Insbesondere kann der kalte Strom 56 in den unteren Teil des Pufferspeichers 41 eintreten, da der Speicher oben mit heißem Wasser geschichtet ist, oder er kann direkt in das Wärmespeichersystem eintreten, wenn sowohl die Biogasproduktionsanlage als auch die Power-to-Gas-Anlage synergetisch arbeiten.
-
Ein zweiter Teil des Heißstroms 54 kann von der Biogasproduktionsanlage 20 in den Pufferspeicher 41 zirkulieren. Normalerweise wird der zweite Teil des heißen Stroms nur dann erzeugt, wenn der erste Teil des heißen Stroms nicht zirkulieren kann, weil z. B. die Power-to-Gas-Anlage in einem Leerlaufzustand ist.
-
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt und umfasst in der Tat auch ein Wärmetauschersystem, in dem die im Wärmespeichersystem 40 gespeicherte Wärme 50 aus mindestens sowohl dem ersten Teil des heißen Stroms 52 als auch dem zweiten Teil des heißen Stroms 54 besteht.
-
Das Wärmemanagementsystem 42 ist so konfiguriert, dass es das wärmebedürftige Element 22a selektiv mit einem dritten Teil des heißen Stroms 50a speist, um einen konstanten Temperaturbereich in dem wärmebedürftigen Element 22a aufrechtzuerhalten. In dieser beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das wärmebedürftige Element 22a ein Fermenter 22a und der Temperaturbereich liegt zwischen 35 und 55°c und insbesondere zwischen 40°C und 50°C.
-
Ein zweiter Rücklaufkältestrom 58 zirkuliert aus dem Wärmespeichersystem 40 zum kühlungsbedürftigen Element 26a in der Power-to-Gas-Anlage 30, um das Element gezielt zu kühlen.
-
Darüber hinaus gibt es Fälle, in denen der erste und der zweite Rücklaufkaltstrom 56 und 58 eins sind, so dass der resultierende Kaltstrom von der Biogasproduktionsanlage 20 direkt zur Power-to-Gas-Anlage 30 und insbesondere zu den kühlpflichtigen Elementen 26a der Power-to-Gas-Anlage 30 zirkuliert. In dieser Figur sowie in den folgenden Figuren ist die Zirkulation der kalten Ströme durch gestrichelte Linien oder Pfeile dargestellt, während die Zirkulation der heißen Ströme durch durchgezogene Linien oder Pfeile dargestellt ist.
-
2 zeigt eine Weiterentwicklung der Ausführungsform gemäß . In diesem Beispiel setzt sich der zweite Teil des Heißstroms 54 aus drei Teilen von Heißströmen 54a, 54b, 54c zusammen, die an einem Gaskessel 23, einem Blockheizkraftwerk 24 bzw. an einer Biogasaufbereitungsanlage 25 erzeugt werden. Alle diese wärmeerzeugenden Elemente sind Teil der Biogasproduktionsanlage 20.
-
In 2 sind diese drei Heißströme 54a, 54b, 54c so dargestellt, dass sie gemeinsam in den zweiten Teil des Heißstroms 54 münden, der zum Pufferspeicher 41 zirkuliert. Ein erstes Regelsystem 55 kann am Förderpunkt dieser Heißströme angeordnet sein, um die Wärmemenge zu regeln, die in Form von Heißströmen aus den verschiedenen Quellen ankommt.
-
Die einzelnen Heißströme könnten auch einzeln in den Puffertank 41 eintreten. Ihre Summe wäre dann als der zweite Teil des Heißstroms 54 definiert.
-
zeigt eine noch weitergehende Entwicklung der Ausführungsform von und .
-
In dieser Ausführungsform ist der erste Teil des Heißstroms 52, der aus der Power-to-Gas-Anlage stammt, weiter dargestellt. Die Power-to-Gas-Anlage 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst zwei wärmeerzeugende Elemente, einen Elektrolyseur32 und einen Biomethanisierungsreaktor 34. Diese beiden Elemente erzeugen während ihres jeweiligen Betriebs Wärme, und diese Wärme fließt in Form von zwei heißen Strömen 52a, 52b in den ersten Teil des heißen Stroms 52, der in das Wärmespeichersystem 40 zirkuliert.
-
Wie bei den in der Biogasproduktionsanlage erzeugten Heißströmen können die im Elektrolyseur 32 und im Biomethanisierungsreaktor34 erzeugten einzelnen Heißströme durch ein zweites Regelsystem 51 zu einem einzigen Strom 52 zusammengeführt werden. Die Erfindung ist darauf nicht beschränkt, und die einzelnen heißen Ströme 52a, 52b könnten auch einzeln im Wärmespeichersystem zirkulieren. Ihre Summe würde dann als der erste Teil des heißen Stroms 52 definiertwerden.
-
In dieser beispielhaften Ausführungsform tritt ein weiterer dritter Teil des Heißstroms 59, gekennzeichnet durch einen gestrichelten Pfeil, aus dem Wärmespeicher 40 aus. Bei diesem heißen Strom 59 handelt es sich um Wärme, die im Pufferspeicher 41 gespeichert ist und an eine externe Einheit, wie z. B. ein privates Wärmenetzsystem, weitergeleitet wird.
-
Das Kühlbedarfselement 26a kann auch ein beliebiges Wärmeerzeugungselement 32 und/oder 34 der Power-to-Gas-Anlage 30 sein, so dass der zurückfließende kalte Strom a zur Abkühlung des Wärmeerzeugungselements der Power-to-Gas-Anlage 30 bereitgestellt wird.
-
zeigt eine weitere beispielhafte Weiterentwicklung der vorangegangenen Ausführungsformen, in der weitere wärmebedürftige Elemente 22b, 22c, 22d dargestellt sind.
-
Wie der Abbildung zu entnehmen ist, zirkulieren weitere Teile von Strömen aus dem Wärmespeichersystem in die Biogasproduktionsanlage, die zur Versorgung wärmebedürftiger Elemente mit Wärme genutzt werden können.
-
In diesem Beispiel umfasst die Biogasproduktionsanlage einen Fermenter 22a, ein flüssiges Einsatzmaterial 22b und einen Nachfermenter 22c, die alle eine bestimmte Wärmemenge in Form von heißen Strömen 50a, 50b, 50c benötigen, die vom Wärmespeichersystem 40 zirkulieren, um richtig zu funktionieren.
-
Ein weiteres wärmebedürftiges Element 22d könnte ebenfalls in der Biogasproduktionsanlage 20 enthalten sein und einen heißen Strom 50d aus dem Wärmespeichersystem 40 zirkulieren lassen.
-
4b zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen mit der Ausführungsform von 4a identisch ist, mit dem Unterschied, dass ein einzelner dritter Teil des Heißstroms 50 aus dem Wärmespeichersystem 40 in ein weiteres Regelsystem 57 zirkuliert, das den dritten Teil des Heißstroms in vier Unterteile aufteilt, die zu den jeweiligen wärmebedürftigen Elementen zirkulieren.
-
Das Regelsystem 57 kann so konfiguriert sein, dass es mit dem Hauptwärmeverwaltungssystem 42 kommuniziert und die gesamte von den wärmebedürftigen Elementen 22a, 22b, 22c, 22d benötigte Wärme anzeigt. Das Regelsystem 57 kann dann selektiv den dritten Teil des heißen Stroms 50 in die einzelnen Teile des heißen Stroms 50a, 50b, 50c, 50d aufteilen.
-
5 zeigt eine Temperaturkaskade zwischen kühlungsbedürftigen Elementen (Pfeile zeigen nach oben) und wärmebedürftigen Elementen (Pfeile zeigen nach unten). Der Wert des Elektrolyseurs repräsentiert z. B. eine erzeugte Wärmemenge, die Teil des heißen Stroms ist, der zum Wärmespeicher zirkuliert, sowie die jeweilige benötigte Kühlung. Die für jeden Wärmetauscher angegebenen Heiz- bzw. Kühlleistungen sind Auslegungswerte und spiegeln nicht den durchschnittlichen Betrieb wider.
-
Wie der Grafik zu entnehmen ist, sind die Temperaturdifferenzen im Wesentlichen gleich, was bedeutet, dass eine zusätzliche Heizung oder zusätzliche Kühlung durch externe Quellen wie Kältemaschinen oder elektrische Heizungen in der Regel nicht erforderlich ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 20
- Biogas-Produktionsanlage
- 22a,
- wärmebedürftiges Element/Fermenter
- 22b
- wärmebedürftiges Element/flüssiger Einsatzstoff
- 22c
- wärmebedürftiges Element/Nachgärbehälter
- 22d
- wärmebedürftiges Element
- 23
- Gas-Heizkessel
- 24
- Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK)
- 25
- Biogas-Aufbereitungsanlage
- 26a
- kühlungbedürftiges Element
- 32
- Elektrolyseur
- 34
- Bio-Methanisierungsreaktor
- 40
- Wärmespeichersystem
- 41
- Pufferspeicher
- 42
- Wärmemanagementsystem
- 50
- dritter Teil des heißen Stroms
- 50a, 50b, 50c, 50d
- Teile des dritten Teils des heißen Stroms
- 51
- Regeleinrichtung
- 52
- erster Teil des heißen Stroms
- 52a, 52b,
- Teile des ersten Teils des heißen Stroms
- 55
- Regeleinrichtung
- 54
- zweiter Teil der heißen Ströme
- 54a, 54b, 54c
- Teile des zweiten Teils des heißen Stroms
- 56
- erster Teil des kalten Stroms
- 57
- Regelsystem
- 58
- zweite Teil des kalten Stroms
- 59
- Heißer Strom an externe Einheit
