DE4436904A1 - Nutzung von Überschuß- und Verlustenergie vorzugsweise in einem gasbetriebenen Motorblockheizkraftwerk zur Primärenergieeinsparung und Umweltentlastung durch Integration eines alkalischen Elektrolyseurs zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Nutzung von Überschuß- und Verlustenergien, vorzugsweise in Motorblockheizkraftwerken zur Primärenergiesparung und Umweltentlastung durch Integration eines Elektrolyseurs zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept sieht die Nutzung von vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) diskontinuierlich anfallenden elektrischen und thermischen Verlustenergien zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in einem für den intermittierenden Betrieb ausgelegten Elektrolyseur und den direkten Einsatz der Gase als Brenngas im Kraftwerk oder in technologischen Prozessen, die mit dem Kraftwerk in unmittelbaren Zusammenhang stehen, vor.

Motorblockheizkraftwerke haben gegenüber herkömmlichen Kraftwerken durch die gleichzeitige Nutzung von aus der mechanischen Leistung der antreibenden Motoren durch Ankopplung eines Generators gewinnbaren elektrischen Energie und der aus dem Kühlwasser stammenden Wärme einen bedeutend erhöhten Wirkungsgrad.

Vorzugsweise haben sich seit Beginn der siebziger Jahre erdgasbetriebene BHKW's zur dezentralen Energie- und Wärmeversorgung in Deutschland als Stand der Technik etabliert. Sie werden je nach den gegebenen Erfordernissen in ihrer Leistung dimensioniert als Module angeboten und tragen wegen ihres hohen Wirkungsgrades und dem Einsatz von kohlenstoffarmen Brenngasen zusätzlich erheblich zur Umweltentlastung, besonders zur Reduzierung von Kohlendioxid bei.

Vielfach ist aber der erzeugte Strom nicht kontinuierlich nutzbar, was durch ständiges Zu- und Abschalten einer bestimmten Anzahl von Modulen zuungunsten der Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer, oder durch Netzanbindung und Einspeisung in das öffentliche Energienetz kompensiert werden muß.

Besonders nachts ist der bei einem bestimmten Wärmebedarf zwangläufig mit anfallende Nachtstrom vom an das BHKW angeschlossenen Verbraucher nicht umsetzbar und wird auch im öffentlichen Netz nicht benötigt, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage senkt.

Zusätzliche Verluste entstehen in einem BHKW dadurch, daß die relativ hohe Temperatur der Abgase weitestgehend ungenutzt bleibt, die über eine entsprechende Einrichtung in elektrische Energie umgewandelt werden könnte.

Verschiedentlich wurden bereits Vorschläge zur Einbeziehung von Komponenten der Wasserstofftechnik in Kraftwerksprozesse (DDR-Wirtschaftspatent DD 230 895 A1), bzw. in Prozesse der Kraft-Wärme-Kopplung (Offenlegungsschrift DE 29 31 356 A1) gemacht. Es existieren auch Vorschläge zur Anpassung eines alkalischen Elektrolyseurs an die Bedingungen des intermittierenden Betriebes (zum Beispiel das deutsche Gebrauchsmuster G 92 02 314.2).

Die hier vorliegende Erfindung beinhaltet eine Verknüpfung von Kraftwerks- und Wasserstofftechnik unter Einbeziehung von Technologien, die allesamt zum etablierten Stand der Technik gehören, die ohne wesentliche technische Eingriffe mit einem sich relativ schnell amortisierenden finanziellen Mehraufwand durch die Einsparung wesentlicher Mengen an Primärenergieträger und einer bedeutenden Umweltentlastung dadurch verbindet, daß die entstehenden Elektrolysegase direkt im technologischen Prozeß so eingesetzt werden, daß sich die wesentlichen Betriebskenndaten nicht verschlechtern.

Gemäß diesem Konzept wird der Nachtstrom und der durch Umwandlung von Abgasabwärme gewonnene Strom einem Elektrolyseur zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, der für den durch die Lastschwankungen bedingten intermittierenden Betrieb ausgestattet ist. Die so gewinnbaren Elektrolysegase werden direkt im BHKW zum Zwecke der Primärenergieeinsparung und Umweltentlastung genutzt. Zusätzlich können andere umweltfreundliche Energieformen, wie Windkraft oder Solarenergie integriert werden. Ein derart gestaltetes und geführtes BHKW kann mit einem finanziellen Mehraufwand, der sich in relativ kurzer Zeit amortisiert, erfindungsgemäß aus den einzelnen Bestandteilen, die alle zum etablierten Stand der Technik gehören, als komplettes Modul gefertigt werden, beziehungswiese ist jedes bestehende und geeignete BHKW mit geringem technischen Aufwand für den Betrieb nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Konzept nachrüstbar.

Die Gasmischung geschieht erfindungsgemäß derart, daß der Wasserstoff den Primärenergieträger Erdgas kontinuierlich über eine entsprechende Gasmischstrecke teilweise in einem Verhältnis ersetzt, das dazu führt, daß der Gemischheizwert und damit die Leistung konstant bleibt und sich die Methanzahl des Brenngases nur in den vom Motorenhersteller angegebenen Grenzen verändert, so daß auch das Klopfverhalten der Motoren nicht beeinflußt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß drei Kubikmeter Wasserstoff anstelle von einem Kubikmeter Erdgas zugemischt werden und die Gesamtwasserstoffmenge so gewählt wird, daß die Methanzahl nicht unter die vom Motorenhersteller gesetzte Grenze absinkt.

Durch eine derartige Wasserstoffzumischung würde sich das Gesamtvolumen des Brenngas-Luftgemisches erhöhen. Deshalb wird gemäß dieser Erfindung der aus der Wasserzersetzung stammende Sauerstoff anstelle von Luftsauerstoff so zugesetzt, daß eine Luftmenge ersetzt werden kann, die der scheinbaren Volumenzunahme entspricht und die Sauerstoffmenge konstant bleibt. Somit bleibt auch die für die Leistung der Motoren mitbestimmende Verdichtung und der Sauerstoffgehalt (Lambta-Wert), der unter anderem für die Entstehung von Stickoxiden wichtig ist, unverändert, das heißt, die Betriebskenndaten des BHKW bleiben dieselben, wie ohne die Integration der Wasserstofftechnik.

Durch die teilweise Substitution von Erdgas wird aber neben der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch den Minderaufwand für den Primärenergieträger eine der Reduzierung von Erdgas entsprechende Menge an Kohlendioxid weniger freigesetzt und somit die Umwelt beträchtlich entlastet.

Inhalt dieser Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerkes, bei dem der entstehende Wasserstoff zur Methanisierung von aus der Vergasung von Holzabfällen stammendem Kohlenmonoxid nach bekannten Verfahren benutzt wird, wobei die erforderlichen Prozeßtemperaturen aus der Abgaswärme gewinnbar sind.

Prinzipiell ist die Ankopplung von Elektrolyseuren zur Wassserzersetzung auch überall dort denkbar, wo ungenutzte Wärmeströme vorhanden sind, die in elektrische Energie umgewandelt werden können. Die entstehenden Gase können wegen ihrer technologisch gegebenen hohen Reinheit auch als technische Gase anderweitig nutzbar gemacht werden.

Beispiel 1

Betrachtet wird ein herkömmliches gasmotorenbetriebenes Blockheizkraftwerk, bestehend aus vier Modulen mit einer Leistung von je 960 kW (therm.) und 810 kW (elektr.). Als Antrieb dienen ergdasbetriebene Magergemischmotoren mit einem Luftüberschuß (Lambta) von 1,7, einem Hubraum von 96 Litern, woraus ein Verbrauch von 175 Normkubikmetern Erdgas pro Stunde bei 1500 Upm resultiert. Die mechanische Leistung der Motoren wird zur Erzeugung elektrischer Energie über einen angekoppelten Generator genutzt, das Kühlwasser dient der Wärmeversorgung des angeschlossenen Verbrauchers. Es wird eine Gesamtbetriebsstundenzahl aller Module von 17 000 Stunden pro Jahr angenommen.

Derartige Module sind mit einem von der Nutzung abhängigen recht hohen Wirkungsgrad von bis zu 90% Stand der Technik und werden von den Herstellern so ausgelegt, daß sie mit einer Methanzahl größer als 70 betrieben werden können, ohne das Klopfverhalten wesentlich zu beeinflussen, das heißt, es könnte ein Brenngas bestehend aus 70% Methan und 30% Wasserstoff eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird die Temperatur der kontinuierlich, aber in unterschiedlicher Menge anfallenden Abgase genutzt, um Dampf zu erzeugen, der über eine entsprechende Einrichtung in elektrische Energie umgewandelt wird, die über eine Steuerung einem an die Bedingungen des intermittierenden Betriebes angepaßten alkalischen Druckelektrolyseur zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird. Je Modul und Betriebsstunde ließen sich bei einer Abgastemperatur von 500°C bis 600°C etwa 350 kW (therm.) umsetzen.

Weiterhin kann davon ausgegangen werden, daß in einem solchen BHKW die elektrische Energie von mindestens einem Modul in der Nacht als schwer absetzbarer und darum bei Netzeinspeisung gering vergüteter Nachtstrom zur Wasserelektrolyse genutzt werden kann.

Die Erfindung beinhaltet weiterhin, daß der erzeugte Wasserstoff vollständig und der gewonnene Sauerstoff teilweise über eine entsprechende Gasmischeinrichtung aus einem Zwischenspeicher heraus dem Brenngas anstelle von Erdgas kontinuierlich so zugemischt wird, das Gemischheizwert, Sauerstoffgehalt und Gesamtvolumen des Brenngas-Luftgemisches und damit die ursprünglichen Betriebskennwerte des Moduls unverändert bleiben.

Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß entsprechend den Molmassen und Heizwerten der Gase Methan und Wasserstoff drei Kubikmeter Wasserstoff einen Kubikmeter Methan gleichwertig ersetzen und Sauerstoff nur in der Menge zudosiert wird, welche dem Sauerstoffanteil der Luft entspricht, der durch die Erhöhung des Gesamtvolumen durch Wasserstoffzugabe reduziert werden muß, um das Gesamtvolumen unverändert zu belassen.

Die genannten Energiequellen der Elektrolyse reichen bei einem entsprechenden Elektrolyseur aus, um einen kontinuierlichen Betrieb aller Module mit einem Erdgas- Wasserstoff-Luftgemisch mit der Methanzahl 70 zu ermöglichen, bei dem der Erdgaseinsatz je Modul um etwa 12% reduziert werden kann, was gleichzeitig einer Minderung der CO₂-Emissionen um 12% entspricht, ohne die Leistung und das Betriebsverhalten des Moduls wesentlich zu beeinflussen. Die Mehrinvestitionen sind dabei vergleichsweise gering und durch die finanziellen Einsparungen Primärenergie innerhalb der Zeitspanne herkömmlicher BHKW's amortisierbar.

Erfindungsgemäß kann ein solches Blockheizkraftwerk in Modulbauweise gefertigt und erricht werden, die gegenüber herkömmlichen BHKW's zusätzlich zu installierenden Komponenten sind aber auch mit geringem Aufwand an bestehenden Anlagen nachrüstbar, ohne die herkömmlichen Betriebsparameter wesentlich zu beeinflussen.

Beispiel 2

In zunehmendem Maße fallen regional unterschiedlich große Mengen an Holzresten an, über deren Nutzung als Energieträger verstärkt nachgedacht wird.

So läßt sich durch Vergasen der Holzabfälle, zum Beispiel in einem Wamsler- Thermoprozessor das Schwachgas Kohlenmonoxid gewinnen, das als Brennstoff für Gasmotoren dienen könnte, was aber wegen des geringen Heizwertes und den mit den Gaseigenschaften verbundenen anderen technischen Problemen mit großen Unsicherheiten einhergeht.

Erfindungsgemäß kann aber in einem nach Beispiel 1 betriebenen Kraftwerk der gewonnene Wasserstoff dazu verwendet werden, das Kohlenmonoxid nach einem seit langem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, wie der Methanisierung über Nickel/Chrom-Katalysatoren bei Temperaturen um 300°C in Methan umzusetzen. Aus vier Kubikmetern Wasserstoff und einem Kubikmeter CO läßt sich so bei einem Wirkungsgrad der Methanisierung von über 90%, wie er in einem zweistufigen Prozeß erzielbar ist, fast ein Kubikmeter Methan gewinnen.

Die nötige Prozeßwärme ließe sich ohne große Probleme und technische Veränderungen am Modul aus der Abgaswärme gewinnen, das Methan kann dem Erdgas ohne Einbeziehung teurer Spezialgasmischer beigegeben werden. Bei dem im Beispiel 1 betrachteten BHKW ließen sich bei Nutzung des Nachtstromes eines Moduls über 100 000 Normkubikmeter Methan pro Jahr gewinnen, eine Menge, die ausreicht, ein Modul über 600 Stunden im Nennbetrieb ohne Mehraufwand an Erdgas zu betreiben.

Beispiel 3

Betrachtet wird der Glühofen eines Stahlwerkes. Die hier kontinuierlich anfallenden großen Mengen an thermischer Energie der Abgasströme wird oft nicht weiter in Dampf umgewandelt, der zur Erzeugung vergleichsweise geringer Mengen elektrischer Energie, bezogen auf die vertraglich vereinbarten Anschlußleistungen derartiger Großanlagen dienen kann.

Ist eine Nutzung der anfallenden Energien nicht oder nur unvollständig möglich, so kann sie gemäß dieser Erfindung zur Wasserstoffproduktion herangezogen werden. Der hierzu nötige Elektrolyseur muß in diesem Falle im Gegensatz zum BHKW nicht extra für den intermittierenden Betrieb ausgelegt sein, so daß sich die Investitionen zusätzlich verringern lassen.

Erfindungsgemäß kann der Wasserstoff mit dem Sauerstoff direkt als Brenngas dienen, er kann aber ebenso zu anderen technologischen Prozessen, wie der Erzeugung einer reduzierenden Glühatmosphäre, der Methanisierung von aus Holzresten gewonnenem Kohlenmonoxid oder auch zur Methanisierung von im Rauchgas enthaltenem Kohlendioxid nach dem prinzipiell gleichen Verfahren wie es bei der CO-Behandlung üblich ist, benutzt werden.

Da die Gase bei den derzeit erhältlichen alkalischen Druckelektrolyseuren mit großer Reinheit anfallen, ist bei Wegfall anderer Wege der Wasserstoffnutzung, wie sie oben beschrieben wurden, ein Abfüllen und der Vertrieb als technisches Gas möglich.

Claims (7)

1. Erdgasbetriebenes Motorblockheizkraftwerk mit Nutzung von Verlustenergien zur Primärenergieeinsparung und Emissionsminderung, dadurch gekennzeichnet, daß Verlustenergien, wie Abgaswärme und Nachtstrom einem Elektrolyseur zu Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden.

2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff anstelle von Erdgas und Luft als Brenngas zugemischt werden. Dabei erfolgt die Zumischung erfindungsgemäß so, daß jeweils drei Kubikmeter Wasserstoff einen Kubikmeter Erdgas ersetzen, der Sauerstoffanteil im Brenngas-Luft-Gemisch konstant bleibt und Luft nur soweit reduziert wird, daß das Gesamtvolumen des eingesetzten Gasgemisches durch die Wasserstoffbeimischung konstant bleibt.

3. Verfahren zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse in einem für den intermittierenden Betrieb ausgestatteten Elektrolyseur je nach Energieangebot entsprechend den jeweiligen Belastungszuständen des BHKW erfolgt, wobei die Energieströme leistungselektronisch gesteuert werden, die Zumischung der entstehenden Elektrolysegase über eine Zwischenspeicherung jedoch kontinuierlich und nur in einer solchen Menge erfolgt, daß das Klopfverhalten der Gasmotoren durch die Absenkung der Methanzahl des Brenngases und die Leistung nicht beeinflußt wird.

4. Verfahren zum Betreiben eines gasbetriebenen Blockheizkraftwerkes, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff zusätzlich Methan eingesetzt wird, das aus der Hydierung von Kohlenmonoxid mittels Wasserstoff erzeugt wird, wobei das Kohlenmonoxid aus der Holzvergasung stammt und der Wasserstoff wie in Anspruch 1 beschrieben gewonnen wird.

5. Verfahren zur Errichtung eines Blockheizkraftwerkes nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Blockheizkraftwerk als einheitliches Modul errichtet werden kann, oder die entsprechenden neuen Komponenten in einem bestehenden BHKW nachrüstbar sind, wobei optionell auch andere Energiequellen, wie Solar- oder Windkraft einbezogen werden können.

6. Verfahren zum Betreiben von gasbetriebenen Verbrennungs- und Feuerungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich anfallende Abwärme, sofern sie nicht oder nur teilweise anderweitig nutzbar ist, in elektrische Energie umgewandelt wird, die zum Betreiben eines Elektrolyseurs zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff benutzt werden kann. Die entstehenden Gase werden je nach den jeweiligen Anforderungen der Verbrennung wieder zugeführt und ersetzten dadurch den Primärenergieträger teilweise, was gleichzeitig zu einer Reduzierung der Umweltbelastungen beiträgt.

7. Verfahren zum Betreiben einer wärmetechnischen Anlage mit Nutzung der Abwärme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehenden Elektrolysegase Wasserstoff und Sauerstoff anderweitig technologisch genutzt werden, wenn ein direkter Einsatz als Brenngas im System nicht möglich ist. Der Wasserstoff aus einer derartig betriebenen Anlage kann beispielsweise zur Umwandlung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid aus Holzresten und Abgasen in Methan oder höhere Kohlenwasserstoffe dienen, als Reduktionsgas in Glühöfen benutzt, oder als technisches Gas vertrieben werden.