DE4234151C2 - Energiespeichersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für die wirksame und wirtschaftliche Speicherung elektrischer Energie, wie elektrischer Nachtstrom-Überschußenergie o. dgl.

Es ist ein System zum Speichern von elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom bekannt, das für eine Spitzenbelastung durch Speicherung von elektrischer Ener­ gie, die zur Nachtzeit in Überschußmenge vorhanden ist, und die Abgabe der elektrischen Energie tagsüber zwecks wirksamer Nutzung einer Stromerzeugungsanlage bzw. eines Kraftwerks im Fall, daß die Differenz im Energieverbrauch zwischen Tages- und Nachtzeiten ziemlich groß ist, aus­ gelegt ist. Das repräsentativste derartige System ist ein Pumpspeicherkraftwerk, bei dem während der Nacht Wasser zu einem Damm hochgepumpt und mittels eines Wasserturbinen- Generators elektrischer Strom während eines Zeitraums tagsüber, wenn der Energiebedarf oder -verbrauch groß ist, erzeugt wird.

Ein Pumpspeicherkraftwerk wird im Gebirge durch Bau eines Damms errichtet; es ist mithin bezüglich seines Er­ richtungsorts Einschränkungen unterworfen, wobei die Bau­ zeit dafür ebenfalls lang ist. Es kann daher nicht schnell an den sich schnell erhöhenden Bedarf an elek­ trischer Energie und an die sich ständig vergrößernde Differenz im Strom- oder Energieverbrauch zwischen Tag und Nacht angepaßt werden. Bezüglich der Energie- Speicherung beträgt zudem der Speicherwirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks etwa 60-70%; aus diesem Grund wird ein Energiespeichersystem eines höheren Speicher­ wirkungsgrads angestrebt.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 40 27 655 C1 ist ein Verfahren zur Energiespeicherung und Energieumwandlung bekannt bei dem eine Zelle verwendet wird, die durch Wechsel der Betriebsart Elektrolyse/Brennstoffreaktion sowohl als Elektrolyse- als auch als Brennstoffzelle betrieben werden kann.

Des weiteren ist eine andere Anlage zur Energieumwandlung und -speicherung in der DE 32 01 339 A1 beschrieben, wobei bei dieser Anlage eine Elektrolysezelle und ein Gasmotor bzw. ein H₂/O₂- Dampferzeuger mit Sauerstoff- und Wasserstoffspeicher­ einheiten kombiniert sind. Aus der Druckschrift ist auch bekannt, den wärmeverbrauchenden Teil der Anlage als Heizanlage zur Raum- oder Brauchwassererwärmung einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Energiespeichersystems, das in einem Stadt- und Groß­ stadtbereich errichtet werden kann, für welches die Bauzeit kurz ist und bei dem ein Energiespeicher- oder -nutzungswirkungsgrad auch höher ist als derjenige eines Pumpspeicherkraftwerks.

Gegenstand der Erfindung ist ein Energiespeicher­ system, das eine kombinierte Elektrolysier- und Energie­ erzeugungseinheit, die sowohl als Dampfelektrolysierzelle als auch als Brennstoffzelle dient oder wirkt, eine Dampfzuspeiseeinrichtung zum Zuspeisen von Dampf zur kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit, eine Wasserstoffspeichereinheit zum Speichern von Wasserstoff und eine Sauerstoffspeichereinheit zum Speichern von Sauerstoff, die in der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit erzeugt werden, Wärmetauschereinheiten zum Absorbieren von Abwärme von der kombinierten Elektrolysier- und Energie­ erzeugungseinheit, eine Raumheiz-Heißwasserspeiseeinheit, welche die in den Wärmetauschereinheiten gewonnene Wärme nutzt und eine Raumkühl-Kaltwasserspeiseeinheit mit einer Absorptionskältemaschine zur Lieferung von Kaltwasser, unter Nutzung der in den Wärmetauschereinheiten gewonnenen Wärme, umfaßt.

Erfindungsgemäß wird durch Zuspeisung von Dampf und auch elektrischer Energie zur kombinierten Elektrolysier- und Stromerzeugungseinheit mit einem Festoxid­ elektrolyten, um sowohl als Dampfelektrolysierzelle und auch als Brenn­ stoffzelle zu dienen, der im Dampf enthaltene Sauerstoff zum selektiven Hindurchdringen durch den Elektrolyten gebracht, wodurch der Dampf in Sauerstoff und Wasser­ stoff aufgespalten und Wasserstoff, der chemische Energie enthält, gewonnen wird. Der Wasserstoff und der Sauer­ stoff, die erzeugt bzw. gewonnen werden, werden jeweils in der Wasserstoff- bzw. der Sauerstoffspeichereinheit gespeichert.

Wenn der Wasserstoff und der Sauerstoff, die mittels des oben beschriebenen Prozesses in den jeweiligen Spei­ chereinheiten gespeichert worden sind, zur kombinierten Elektrolysier- und Stromerzeugungseinheit zurückgeführt werden, durchdringt der Sauerstoff den Elektrolyten und reagiert mit dem Wasserstoff an einem Kathodenelektroden­ abschnitt, um in Dampf zurücküberführt zu werden. Wenn der Sauerstoff den Elektrolyten durchdringt, erfolgt die Ener­ gieerzeugung durch eine Brennstoffzellenwirkung, wobei die im Wasserstoff enthaltene chemische Energie als elek­ trische Energie zurückgewonnen werden kann.

Im Betrieb als die genannte Brennstoffzelle wird zu­ dem Wärme erzeugt, die als Abwärme der kombinierten Elektro­ lysier- und Stromerzeugungseinheit über die Wärmetauscher­ einheiten zur Raumheiz-Heißwasserspeiseeinheit und zur Raumkühl-Kaltwasserspeiseeinheit übertragen wird, womit Raumheiz-Heißwasser bzw. Raumkühl-Kaltwasser gewonnen wer­ den.

Aufgrund des oben umrissenen Aufbaus des Energiespei­ chersystems bietet die Erfindung die Vorteile, daß die Speicherung elektrischer Energie durch Elektrolysieren von Dampf in Wasserstoff und Sauerstoff und die Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Umwandlung in Dampf abwechselnd in der gleichen kombinierten Elektrolysier- und Stromerzeugungs­ einheit durchgeführt werden, so daß das System kompakt gebaut sein und mit niedrigeren Baukosten errichtet wer­ den und der Bau bzw. die Errichtung in kurzer Zeit abge­ schlossen sein kann. Dabei ist im Gegensatz zum Pumpspei­ cherkraftwerk weder eine spezielle Landlage noch eine begrenzte Energiequelle erforderlich, so daß das System an einem beliebigen Ort errichtet werden kann. Die bei der elektrischen Energieerzeugung in der kombinierten Elektrolysier- und Stromerzeugungseinheit erzeugte Wär­ me kann effektiv als Energie für Raumheiz- und Raumkühl­ zwecke rückgewonnen bzw. genutzt werden, wodurch der Energienutzungswirkungsgrad erheblich verbessert werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Energiespeichersystems gemäß der Erfindung enthält.

Nachstehend ist ein Energiespeichersystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 1 erläutert. Dieses System enthält eine rever­ sible Festoxidelektrolytzelle 1 (im folgenden auch als "reversible SOE-Elektrolysierzelle" bezeichnet), die durch Elektrolysieren von (Wasser-)Dampf Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt und auch beide Stoffe miteinander reagieren und sich in Dampf umwandeln läßt und die zu dieser Zeit die Erzeugung elektrischer Energie als Brennstoffzelle durchführt. In dieser reversiblen SOE- Elektrolysierzelle 1 wird eine Platte eines Sauerstoff­ ionenleiters, etwa aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkon­ oxid, als Elektrolyt verwendet, an dessen gegenüberliegen­ den Flächen poröse Anoden- und Kathodenelektroden (aus z. B. Platin) angebracht sind, wobei diese Elektroden über einen Umformer 30a an eine Wechselstromleitung 30 ange­ schlossen sind. Die gleiche reversible SOE-Elektrolysier­ zelle 1 arbeitet zum Zeitpunkt der Dampfelektrolyse als Dampfelektrolysierzelle; bei der Dampferzeugung durch Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt jedoch die Erzeugung elektrischen Stroms durch Sauerstoffionen, welche den Elektrolyten durchdringen, so daß diese Zelle dabei als Brennstoffzelle arbeitet.

Mit der Ziffer 4 ist ein Wassertank bezeichnet; eine an den Wassertank 4 angeschlossene Leitung 20 ist über eine Pumpe 12 aufeinanderfolgend mit der Kathodenelektro­ denseite der reversiblen SOE-Elektrolysierzelle 1, einem Regenerativwärmetauscher 6C und einem Regenerativwärme­ tauscher 6D, die zueinander parallelgeschaltet sind, einem Wärmetauscher 7B, einem Regenerativwärmetauscher 6A und einem Regenerativwärmetauscher 6B, die zueinander parallelgeschaltet sind, und einer Heizeinrichtung ver­ bunden.

Eine an einen Wasserstofftank 2 angeschlossene und einen Verdichter 21a enthaltende Wasserstoffleitung 21 ist über einen Regenerativwärmetauscher 6C und einen Regenerativwärmetauscher 6A mit der Kathodenelektroden­ seite der reversiblen SOE-Elektrolysierzelle 1 verbunden.

Eine an einen Sauerstofftank 3 angeschlossene und einen Verdichter 22a enthaltende Leitung 22 ist über zwei Regenerativwärmetauscher 6D und 6B mit der Anodenelektro­ denseite der reversiblen SOE-Elektrolysierzelle 1 verbun­ den.

Eine Leitung 24 verbindet die Abschnitte der genann­ ten Leitungen 20 und 21 in der Nähe der Anschlußpunkte an die genannte Elektrolysierzelle 1 und enthält eine Umwälzpumpe 23 sowie ein Ventil 24a, wobei in diese Leitung 24 ein Wärmetauscher 7A eingeschaltet ist.

Mit der Ziffer 8 ist eine Absorptionskältemaschine bezeichnet, durch welche eine Raumkühl-Kaltwasserleitung 27 mit einer Pumpe 27a verläuft, um das Wasser in der Leitung 27 zu kühlen. Mit der Ziffer 9 ist ein Raumheiz- Wärmetauscher bezeichnet, durch den eine Raumheiz-Heiß­ wasserleitung 28 mit einer Pumpe 28a verläuft, um das Wasser in der Leitung 28 zu kühlen.

Ein Bodenabschnitt eines Wasserspeisetanks 10 ist über ein Umschaltventil 12 mit einer eine Pumpe 25a ent­ haltenden Leitung 25 verbunden; die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Leitung 25 über den Wärmetauscher 7B, den Wärmetauscher 7A, ein Umschaltventil 11 und den Raumheiz-Wärmetauscher 9 zum Wasserspeisetank 10 zurück verläuft. Außerdem geht von dem an der Stromaufseite des Umschaltventils 11 gelegenen Abschnitt der Leitung 25 eine Zweigleitung 26 ab, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Zweigleitung 26 über die Absorptionskälte­ maschine 8 zum Umschaltventil 11 geführt ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird in der Periode der Speicherung elektrischer Energie das mittels der Pumpe 12 aus dem Wassertank 4 gelieferte Wasser auf­ einanderfolgend in den Regenerativwärmetauschern 6C, 6D, der Heizeinrichtung 5B, den Regenerativwärmetauschern 6A, 6B und der Heizeinrichtung 5A erwärmt; nachdem es in Dampf umgewandelt worden ist, wird es zur genannten Elektro­ lysierzelle 1 gefördert. Indem ein elektrischer Gleich­ strom zwischen den betreffenden Elektroden der Elektroly­ sierzelle 1 zum Fließen gebracht wird, werden Sauerstoff­ ionen im Dampf dazu gebracht, den Elektrolyten zu durch­ dringen, so daß Sauerstoff an der Seite der Anodenelektrode und Wasserstoff an der Seite der Kathodenelektrode abge­ trennt bzw. abgespalten wird.

Der so abgespaltene Sauerstoff erwärmt in den Regene­ rativwärmetauschern 6B und 6D das vom Wassertank 4 zur Elektrolysierzelle 1 geförderte Wasser, wodurch die Temperatur des Sauerstoffs verringert wird; nachdem er durch den Verdichter 22a verdichtet worden ist, wird er im Sauerstofftank 3 gespeichert. Ebenso erwärmt der abgespaltene Wasserstoff in den Regenerativwärmetauschern 6A und 6C das vom Wassertank 4 zur Elektrolysierzelle 1 geförderte Wasser, wobei sich die Temperatur des Wasser­ stoffs verringert; nach dem Verdichten durch den Ver­ dichter 21a wird der Wasserstoff im Wasserstofftank 2 gespeichert.

Andererseits werden während der Periode der elektri­ schen Energieerzeugung Sauerstoff und Wasserstoff entge­ gengesetzt vom Sauerstofftank 3 bzw. Wasserstofftank 2 geleitet und zur Elektrolysierzelle 1 zurückgeführt. Dabei fließen in der Elektrolysierzelle Sauerstoff­ ionen in entgegengesetzter Richtung durch den Elektro­ lyten, worauf sie am Kathodenelektrodenabschnitt eine Bindung mit Wasserstoff eingehen, so daß Sauerstoff und Wasserstoff wieder in Dampf überführt werden. Die Er­ zeugung elektrischer Energie (oder von Strom) findet statt, wenn die Sauerstoffionen den Elektrolyten durch­ dringen bzw. passieren; elektrische Energie kann durch Anschließen von Stromleitungen an Anoden- und Kathoden­ elektrode und Verbinden dieser Leitungen mit einer elek­ trischen Last abgenommen werden.

Während der beschriebenen Erzeugung elektrischer Ener­ gie werden 40-50% der Wasserstoffenergie in Wärme um­ gewandelt, die auf den erzeugten Dampf übertragen wird.

Durch Öffnen des Ventils 24a wird dieser erwärmte Dampf von der Leitung 21 zur Leitung 24 geleitet; nachdem er das aus dem Wasserspeisetank 10 zugespeiste Wasser im Wärmetauscher 7A erwärmt hat, strömt er in die Leitung 20 ein; in den Regenerativwärmetauschern 6A-6D und im Wärmetauscher 7B verringert sich seine Eigentemperatur durch Erwärmung des vom Wasserstofftank 2 zugespeisten Wasserstoffs, des vom Sauerstofftank 3 zugespeisten Sauerstoffs und des aus dem Wasserspeisetank 10 zuge­ führten Wassers, wobei er nach der Rücküberführung in Wasser zum Wassertank 4 zurückströmt.

Wie oben beschrieben, wird das mittels der Pumpe 25a aus dem Wasserspeisetank 10 in die Leitung 25 geför­ derte Wasser durch den von der reversiblen SOE-Elektro­ lysierzelle 1 gelieferten Dampf erwärmt und in den Wärme­ tauschern 7A und 7B in Dampf überführt. Dieser erwärmte Dampf wird durch Betätigung des Umschaltventils 11 in die Absorptionskältemaschine 8 eingespeist, in welcher er das Wasser in der Raumkühl-Kaltwasserleitung 27 kühlt, um während der Periode des Bedarfs an Raumkühlung im Sommer Raumkühl-Kaltwasser zu erzeugen. Während der Periode des Bedarfs an Raumheizung im Winter wird dagegen die Absorptionskältemaschine 8 durch Betätigung des Umschaltventils 11 umgangen bzw. überbrückt, wobei im Raumheiz-Wärmetauscher 9 das in der Raumheiz-Heißwas­ serleitung 28 enthaltene Wasser zur Lieferung von Raum­ heiz-Heißwasser erwärmt wird.

Wie oben beschrieben, kann bei der dargestellten Aus­ führungsform durch Elektrolysieren von Dampf zu Wasser­ stoff und Sauerstoff in der genannten Elektrolysierzelle 1 und auch durch Reagierenlassen des elektrolysierten Wasserstoffs und Sauerstoffs zur Bildung von Dampf in dieser Elektrolysierzelle 1 und Erzeugung von elektrischer Energie elektrische Überschußenergie in Form von Wasser­ stoff und Sauerstoff gespeichert und elektrische Energie zu einer Zeit, zu der sie benötigt wird, abgenommen wer­ den.

Darüber hinaus können die Speicherung und die Er­ zeugung von elektrischer Energie in bzw. mittels der gleichen reversiblen SOE-Elektrolysierzelle erfolgen, so daß das System kompakt ausgebildet sein kann.

Außerdem benötigt die oben beschriebene Ausführungs­ form der Erfindung im Gegensatz zu einem Pumpspeicherkraft­ werk weder eine spezielle Landlage noch eine begrenzte Energiequelle, so daß das System an einem beliebigen Ort errichtet werden kann.

Da bei der dargestellten Ausführungsform neben den oben angegebenen Vorteilen Heißwasser (bzw. Warmwasser) und Kaltwasser für Raumheiz- bzw. -kühlzwecke unter Nutzung der Wärme, die in der genannten Elektrolysierzel­ le 1 während der Erzeugung elektrischer Energie anfällt, gewonnen werden können, kann der Energienutzungswirkungs­ grad außerordentlich hoch sein (80-85%).

Wie sich aus der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ergibt, gewährleistet die Erfindung dank der kennzeichnenden Merkmale der beigefügten Ansprüche die folgenden Wirkungen und Vorteile:

• 1. Die Speicherung elektrischer Energie durch Elektro­ lysieren von Dampf in Wasserstoff und Sauerstoff und die Erzeugung elektrischer Energie durch Reagierenlassen von Wasserstoff und Sauerstoff und Umwandlung derselben in Dampf erfolgen abwechselnd in der gleichen kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit, so daß das System kompakt gebaut sein kann, die Baukosten dafür niedrig sein können und der Bau bzw. die Errichtung in kurzer Zeit erfolgen kann.
• 2. Es ist weder eine spezielle Landlage noch eine be­ grenzte Energiequelle nötig, wie dies bei einem Pumpspei­ cherkraftwerk der Fall ist; das System kann demzufolge an einem beliebigen Ort errichtet werden.
• 3. Die bei der elektrischen Energieerzeugung in der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit erzeugte bzw. anfallende Wärme kann wirksam als Energie für Raumheiz- und -kühlzwecke rückgewonnen werden, so daß der Energienutzungswirkungsgrad erheblich erhöht sein kann.

Claims (4)

1. Energiespeichersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das System

• a) eine kombinierte Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1), die sowohl als Dampfelektrolysierzelle als auch als Brennstoffzelle dient oder wirkt,
• b) eine Dampfzuspeiseeinrichtung (4, 12) zum Zuspeisen von Dampf zur kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1),
• c) eine Wasserstoffspeichereinheit (2) zum Speichern von Wasserstoff und eine Sauerstoffspeichereinheit (3) zum Speichern von Sauerstoff, die in der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) erzeugt werden,
• d) Wärmetauschereinheiten (7A, 7B) zum Absorbieren von Abwärme von der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1),
• e) eine Raumheiz-Heißwasserspeiseeinheit, welche die in den Wärmetauschereinheiten (7A, 7B) gewonnene Wärme nutzt und
• f) eine Raumkühl-Kaltwasserspeiseeinheit mit einer Absorptionskältemaschine (8) zur Lieferung von Kaltwasser, unter Nutzung der in den Wärmetauschereinheiten gewonnenen Wärme,
  umfaßt.

2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Wärmetauschereinheiten (7A, 7B) eingespeiste Dampf durch Bindungsbildung in der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) aus Wasserstoff und Sauerstoff entstanden ist.

3. Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfzuspeiseeinrichtung eine Wasserspeichereinheit (4) aufweist und das von letzterer zugespeiste Wasser in der die Abwärme von der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) absorbierenden Wärmetauschereinheit (7B) und in anderen, die Abwärme von der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) absorbierenden Wärmetauschereinheiten (6A, 6B, 6C, 6D) erwärmt und dadurch in Dampf überführt wird, wobei dieser Dampf der Zuspeisung in die kombinierte Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) dient.

4. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des durch die Elektrolyse von Dampf in der kombinierten Elektrolysier- und Energieerzeugungseinheit (1) erhaltenen Wasserstoffes und Sauerstoffes über die Wärmetauschereinheiten (6A, 6C) in die Wasserstoffspeichereinheit (2) und über die Wärmetauschereinheiten (6B, 6D) in die Sauerstoffspeichereinheit (3) erfolgt.