EP2929585A1 - Integrierte anlage und verfahren zum flexiblen einsatz von strom - Google Patents

Integrierte anlage und verfahren zum flexiblen einsatz von strom

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Publication number
EP2929585A1
EP2929585A1 EP13789282.4A EP13789282A EP2929585A1 EP 2929585 A1 EP2929585 A1 EP 2929585A1 EP 13789282 A EP13789282 A EP 13789282A EP 2929585 A1 EP2929585 A1 EP 2929585A1
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EP
European Patent Office
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plant
ethyne
electricity
power
production
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13789282.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Markowz
Jürgen Erwin LANG
Rüdiger Schütte
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
Publication of EP2929585A1 publication Critical patent/EP2929585A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an integrated system and method for the flexible use of electricity.
  • renewable energies such as wind power, solar energy and hydropower
  • Electrical energy is typically supplied to a variety of consumers via long-range, supra-regional and transnationally coupled power grids, referred to as power grids. Since electrical energy in the power grid itself or without further devices can not be stored to a significant extent, the electrical power fed into the power grid must be matched to the consumer's power requirements, the so-called load.
  • the load varies, as is known, time-dependent, in particular depending on the time of day, day of the week or season.
  • the load profile is subdivided into the three areas of base load, medium load and peak load, and electrical power generators are suitably used in these three load ranges, depending on the type.
  • a continuous synchronization of power generation and power take-off is necessary.
  • Possible short-term deviations are compensated by so-called positive or negative balancing energy or balancing power.
  • the difficulty arises that, for certain types, such as wind power and solar energy, the power generation power is not present and controllable at any time, but is e.g. Daytime and weather-related fluctuations are subject that are only partially predictable and usually do not match the current energy needs.
  • Another approach is to save part of the output in the case of high generation from renewable energy sources and to recycle it in times of low generation or high consumption.
  • pumped storage power plants are already being used today.
  • the system should be flexibly operable, so that responding to a change in electricity supply and / or electricity demand particularly flexible, for example, to achieve economic benefits.
  • the system should be able to be used for storage or supply of electrical energy even for longer periods of high or low electricity supply.
  • the system and the method should continue to have the highest possible efficiency. Furthermore, the method according to the invention should be able to be carried out using the conventional and widely available infrastructure.
  • the subject of the present invention is accordingly an integrated plant comprising a plant for the electrothermal production of ethyne and a plant for power generation and is characterized in that the plant for the electrothermal production of ethyne is connected via a line with the plant for power generation and the line in the plant for the electrothermic production of ethyin obtained product gas of the plant for power generation supplies.
  • the present invention also relates to a method for the flexible use of electricity, in which the system for the electrothermal production of ethyne is operated in an integrated system according to the invention in times of high electricity supply and stored at least part of hydrogen and / or gaseous hydrocarbons obtained next to ethyne be stored in times of low supply of electricity stored hydrogen and / or gaseous hydrocarbons of the plant for power generation.
  • the integrated system according to the invention and the method according to the invention have a particularly good property profile, whereby the disadvantages of conventional methods and systems can be significantly reduced.
  • renewable energies can be used economically in excess.
  • the system can convert a power surplus from renewable energies, including wind power or photovoltaics, into a storable form.
  • electrical energy can be provided to a small supply of renewable energy in a particularly cost-effective manner.
  • a plant for the electrothermal production of ethyne can be operated dynamically, so it can be variably adjusted to the electricity supply.
  • the integrated system can also be used for longer periods of high or low electricity supply for storage or provision of electrical energy.
  • surprisingly long terms of all components of the integrated system can be achieved, so that their operation can be made very economical.
  • the plant for the electrothermal production of ethyne is designed adjustable, the scheme is carried out depending on the electricity supply.
  • electricity from renewable energies is used for the electrothermal production of ethyne.
  • the process can be carried out with relatively few process steps, the same being simple and reproducible.
  • the present integrated facility enables the delivery of chemical derived products with a low release of carbon dioxide, since the ethyne obtained at very high levels of conversion and compared to alternative starting materials with less additional energy or heat release to many chemically important follow-on products can be implemented.
  • the integrated system according to the invention serves for the purposeful and flexible use of electrical energy, also referred to herein synonymously as electricity.
  • the integrated system can store electrical energy with a high electricity supply and, in particular with a low electricity supply, feed electrical energy into a power grid.
  • the term storage here refers to the ability of the system, with a high supply of electricity to convert this into a storable form, in this case as chemical energy, which chemical energy can be converted into electrical energy with a small supply of electricity.
  • the storage can take place in the form of coupling product hydrogen, which inevitably arises in the electrothermal production of ethyne from methane or higher hydrocarbons.
  • the storage may also be in the form of products obtained in the electrothermal production of ethyne in an endothermic reaction proceeding in parallel with the formation of ethyne, for example by reacting two molecules of methane to ethane and hydrogen.
  • methane CH
  • C 2 H 6 ethane
  • hydrogen ethane
  • a relatively large amount of energy is expended in order to work up the resulting by-product gases so that they may be sold in pure form. In the present system, this purification can be made much simpler by using the by-product gases energetically.
  • the integrated system according to the invention comprises a plant for the electrothermal production of ethyne.
  • electrothermal refers to a process in which ethyne is produced in an endothermic reaction from hydrocarbons or coal and the heat required to carry out the reaction is generated by electric current.
  • gaseous or vaporized hydrocarbons are used, more preferably aliphatic hydrocarbons.
  • Particularly suitable are methane, ethane, propane and butanes, especially methane.
  • hydrogen is obtained as coproduct.
  • Suitable plants for the electrothermic production of ethyne are known from the prior art, for example from Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume 1, 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, DOI: 10.1002 / 14356007.a01_097.pub4, pages 296 to 303, from DE 1 900 644 A1 and from EP 0 133 982 A2.
  • the plant for the electrothermal production of ethyne preferably comprises an arc reactor.
  • the electrothermal production of ethyne can be carried out in a one-step process in which at least one hydrocarbon is passed through the arc with a gas stream.
  • the electrothermal production of ethyne can be carried out in a two-stage process in which hydrogen is passed through the arc and at least one hydrocarbon is fed behind the arc into the hydrogen plasma generated in the arc.
  • the arc reactor is preferably with an energy density of 0.5 to 10 kWh / Nm 3 , especially 1 to 5 kWh / Nm 3 and in particular 2 to 3.5 kWh / Nm 3 operated, wherein the energy density refers to the guided through the arc gas volume.
  • the temperature in the reaction zone of the arc reactor varies due to the gas flow, wherein in the center of the arc up to 20,000 ° C can be achieved and at the edge, the temperature can be about 600 ° C.
  • the average temperature of the gas is preferably in the range of 1300 to 3000 ° C, more preferably in the range of 1500 to 2600 ° C.
  • the residence time of the starting material in the reaction zone of the arc reactor is preferably in the range of 0.01 ms to 20 ms, more preferably in the range of 0.1 ms to 10 ms and especially preferably in the range of 1 to 5 ms.
  • the gas mixture exiting the reaction zone is quenched, i. subjected to a very rapid cooling to temperatures of less than 250 ° C in order to avoid decomposition of the thermodynamically unstable intermediate acetylene.
  • a direct quenching process such as, for example, the introduction of hydrocarbons and / or water or an indirect quenching process, such as rapid cooling in a vapor recovery heat exchanger may be used.
  • Direct quenching and indirect quenching can also be combined.
  • the gaseous mixture leaving the reaction zone is only quenched with water.
  • This embodiment is characterized by relatively low investment costs.
  • the disadvantage, however, is that in this way a considerable part of the energy contained in the product gas is not used or exergetically inferior.
  • the gaseous mixture leaving the reaction zone is mixed with a hydrocarbon-containing gas or a hydrocarbon-containing liquid, at least part of the hydrocarbons being split endothermically.
  • a hydrocarbon-containing gas or a hydrocarbon-containing liquid at least part of the hydrocarbons being split endothermically.
  • a more or less broad product spectrum is generated, eg. B. in addition to ethyne and hydrogen also shares in ethane, propane, ethene and other lower hydrocarbons.
  • the heat generated in a significant be supplied to a higher level of further use such as the endothermic cleavage of hydrocarbons.
  • Ethyne can be separated from the gas mixture by selective absorption into a solvent.
  • solvents are, for example, water, methanol, N-methylpyrrolidone or mixtures thereof.
  • Suitable methods for separating ethyne from the gas mixture are known from the prior art, for example from Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol.
  • the power consumption of the electrothermal plant for the production of ethyne depends on the planned production capacity of acetylene. As with most other chemical production technologies, the specific investment cost (cost of investment in terms of installed production capacity) decreases with increasing plant size. Typical plant sizes for the production of acetylene range from a few 10,000 tons of acetylene to a few 100,000 tons of acetylene per year (calculated at full capacity).
  • the specific energy requirement is in the reaction part for the production of acetylene iektrisch depending on the raw material used in the range of about 9 to about 12 MWh per tonne e ethyne. Including the demand for electrical energy for the workup, the absolute power requirement of the acetylene plant is derived from this.
  • the desired production capacity is usually achieved by a parallel arrangement of several arc reactors, which can be controlled together or separately.
  • the integrated system according to the invention also comprises a plant for power generation, which is fed via a line a obtained in the plant for the production of ethyne product gas.
  • Suitable plants for power generation are all systems that generate electricity from the product gas can be.
  • a plant is used for power generation, which has a high efficiency.
  • the product gas supplied to the plant for generating electricity preferably contains hydrogen and / or hydrocarbons other than ethyne.
  • the hydrocarbons may be unreacted feedstocks of the electrothermic production of ethyne, quenched hydrocarbons, quenched hydrocarbons, or mixtures thereof.
  • the plant for power generation comprises a fuel cell.
  • the power generation plant is preferably supplied with a product gas consisting essentially of hydrogen.
  • the plant for power generation comprises a power plant with a turbine.
  • the plant comprises a gas turbine which can be operated with hydrogen and / or hydrocarbon-containing gases.
  • a gas turbine is used which can be operated with mixtures of hydrogen and hydrocarbon-containing gases of varying composition.
  • the power plant with a turbine, a gas and steam turbine power plant (combined cycle power plant), also called gas and steam combined cycle power plant.
  • gas turbine generally serves, among other things, as a heat source for a downstream waste heat boiler, which in turn acts as a steam generator for the steam turbine.
  • the plant for power generation in addition to the product gas obtained in the production of ethyine further substances can be supplied, for example, additional hydrogen for the operation of a fuel cell or additional fuel for the operation of a turbine or the heating of a steam generator.
  • the capacity of the plant for power generation may be chosen depending on the production capacity of the plant for the electrothermal production of ethyne.
  • the power of the plant for power generation is so chosen that the power requirement of the plant for the electrothermal production of ethyne at full load can be fully covered by the power generation plant.
  • the ratio of the electric power is to ethyne production capacity is preferably in a range of 2 to 20 MW e iektrisch per t / h ethyne, particularly preferably in a range 5-15 per MWeiektrisch t / h ethyne.
  • the power can be achieved by a single device or a combination of multiple devices, the merger (pool) can be achieved via a common control.
  • electrical energy for the plant for the electrothermal production of ethyne can be obtained from the power grid.
  • the plant for power generation can be dimensioned so that in addition to the plant for the electrothermal production of ethyne also supplies other power consumers or beyond the needs of the plant for the electrothermal production of ethy beyond electrical energy is fed into a grid.
  • the ethin electrothermal production line is connected to the power generation plant through a line, which supplies the plant with a product gas obtained in the electrothermal production plant of ethyne.
  • the product gas preferably consists of hydrogen and / or hydrocarbon-containing gases.
  • the product gas can be supplied via the line of the power generation plant in gaseous or liquefied form, wherein the liquefaction can be done by increasing the pressure or reducing the temperature.
  • the line connecting the plant for the electrothermal production of ethyne with the plant for power generation preferably has a length of less than 10 km, more preferably less than 1 km.
  • the plant for the electrothermal production of ethyne has a device for separating the gas mixture obtained in the electrothermal production, wherein this device is connected to the plant for generating electricity.
  • ethyne is separated from hydrogen and other hydrocarbons.
  • the separated from ethyne, hydrogen and hydrocarbons containing mixture can directly be supplied to the plant for power generation.
  • hydrogen may be separated from the mixture separated from ethyne and optionally hydrogen or a resulting hydrocarbonaceous gas may be supplied to the plant for power generation.
  • hydrogen and a hydrocarbon-containing gas may also be supplied via separate lines from the device for separating the gas mixture obtained in the electrothermal production of ethyne the plant for power generation.
  • the separation of hydrogen and hydrocarbons can also be incomplete in the integrated system according to the invention without an incomplete separation adversely affecting the operation of the system, so compared to the complete separation, as in plants for electrothermic production of ethyne according to the prior art carried out, reduce the expenditure on equipment and energy consumption for the separation.
  • the plant for generating electricity comprises separate devices for the production of electricity from hydrogen and for the production of electricity from a hydrocarbon-containing gas, preferably via separate lines with a device for separating the in the electrothermal production of ethyne obtained gas mixture are connected.
  • the plant for power generation comprises a fuel cell for the production of electricity from hydrogen and a combined cycle power plant for the production of electricity from a hydrocarbon-containing gas.
  • gas and steam turbine power plants can be used in the integrated system according to the invention, which are not suitable for the conversion of hydrogen-rich gases.
  • the integrated system according to the invention additionally has at least one reservoir for a product gas obtained in the plant for the electrothermal production of ethyne, the reservoir being connected via lines both to the plant for the electrothermal production of ethyne and to the plant for generating electricity ,
  • the memory with the device described above for the separation of the gas mixture obtained in the electrothermal production of ethyne connected so that in the memory hydrogen and / or separated from ethyne hydrocarbon-containing gases can be stored.
  • the memory is a hydrogen storage.
  • the integrated system comprises both a hydrogen storage and a storage for ethyne-separated hydrocarbon-containing gases.
  • the integrated plant may additionally comprise a device for changing the composition of a product gas obtained in the electrothermal production of ethyne before it is supplied to the plant for power generation.
  • integrated system additionally comprises a device with which hydrogen obtained in the electrothermal production of ethyne as co-product can be converted to hydrocarbons by a Fischer-Tropsch synthesis or a methanation.
  • the hydrocarbons thus obtained can be supplied together with ethyne separated hydrocarbons or separately from the plant for power generation.
  • the integrated plant comprises a steam generator in the plant for the electrothermic production of ethyne, with which from the waste heat of the electrothermal process steam is generated, a device in which electricity is generated from steam, in the plant for power generation, and a Steam line, with the vapor generated in the steam generator of a device in which stream of steam is generated, is supplied.
  • a steam generator in the plant for the electrothermic production of ethyne, with which from the waste heat of the electrothermal process steam is generated
  • a device in which electricity is generated from steam in the plant for power generation
  • a Steam line with the vapor generated in the steam generator of a device in which stream of steam is generated, is supplied.
  • an indirect quench of the reaction gas obtained in an arc reactor is used as a steam generator.
  • the device in which electricity is generated from steam is preferably a steam turbine or a steam engine and more preferably a steam turbine. Most preferred is the steam turbine Part of a combined cycle power plant.
  • the integrated system according to the invention additionally comprises a memory for ethyne.
  • This storage facility enables the continuous downstream conversion of ethyne to other products, even if little or no ethyne is produced at the low current supply in the electrothermal production plant of ethyne.
  • the storage of ethyne is carried out in a solvent, more preferably in a solvent used to absorb ethyne in the separation of ethyne from the reaction mixture of the electrothermic production of ethyne.
  • the integrated system according to the invention is connected to a weather forecast unit.
  • a weather forecasting unit makes it possible to adjust the operation of the system so that on the one hand the possibility of using cheap excess electricity and the ability to provide electricity from the plant for power generation with low electricity supply and correspondingly high electricity price can be used and on the other always provide sufficient ethyne for the continuous operation of a downstream, ethy-consuming plant.
  • a memory for ethyne can be brought to a high or low level.
  • a plant for further processing of ethyne can be prepared and adjusted for changed operating modes.
  • these parts of the system can be set to a reduced production output, so that a business interruption due to a lack of ethyne can be avoided.
  • the integrated system may be connected to a unit for generating a consumption forecast, wherein this unit preferably has a data memory that includes data on the historical consumption.
  • the historical consumption data can, for example, show the course of the day, the course of the week, the course of the year and further developments concerning electricity demand and / or electricity generation.
  • the consumption forecast data can also take into account specific changes, for example, in the access or omission of a large consumer.
  • the data store may also contain data about the historical history of electricity prices.
  • the system for electrothermic production of ethyne is operated in the integrated system according to the invention in times of high electricity supply and stored at least part of next obtained ethyne hydrogen and / or gaseous hydrocarbons and stored in times of low electricity supply Hydrogen and / or gaseous hydrocarbons fed to the plant for power generation.
  • hydrogen is stored in the process.
  • the electricity supply can be present both a surplus of electricity and a power shortage.
  • a surplus of electricity results if more electricity is generated from renewable energies at a time than total electricity is consumed at that time. Electricity surplus also occurs when large amounts of electrical energy are supplied from fluctuating renewable energies and throttling or shutting down power plants is associated with high costs.
  • the cases of surplus power and power shortage described here can be identified in various ways.
  • the prices on the power exchanges can be an indicator of the current situation, with a surplus of electricity leading to lower electricity prices and electricity shortfalls to higher electricity prices.
  • An electricity surplus or electricity shortage can also exist without any direct effect on the electricity price. For example, there is a surplus of electricity even if the operator of a wind farm produces more power than he predicted and sold. Similarly, there can be a power shortage if it produces less power than it does predicted.
  • the terms excess current and under current include all these cases.
  • the process according to the invention is preferably operated in such a way that at least part of the electricity required for the electrothermal production of ethyne is generated from product gas obtained from the electrothermal production of ethyne by means of the plant comprising electricity generated by the integrated plant.
  • the plant for electrothermal production of ethyne in times of high electricity supply, it is preferable to operate or shut down the power generation plant included in the integrated plant with reduced power, and a larger part of the electricity required for electrothermic production of ethyne would be a high current power supply taken.
  • the plant for electrothermic production of ethyne is preferably operated or turned off at a reduced power and a smaller part of the electricity required for electrothermal production of ethy is taken from the power grid or electricity from the integrated power plant in the electricity grid.
  • Storage of hydrogen and / or gaseous hydrocarbons obtained in addition to ethyin is preferably carried out in a reservoir encompassed by the integrated plant, more preferably in a reservoir arranged as described above between the plant for electrothermic production of ethyne and the plant for generating electricity.
  • the storage can also be done in a separate memory, which is connected to the integrated system via a gas distribution line, such as a natural gas network.
  • the nature of the memory is not critical, so that for this purpose a pressure tank, a liquid gas storage, a memory in which hydrocarbons are absorbed in a solvent, or a storage with gas adsorption on a solid can be used.
  • a pressure tank for storage of hydrogen are also suitable chemical storage in which hydrogen is stored by a reversible chemical reaction.
  • separate storage for hydrogen and gaseous hydrocarbons obtained besides ethyne used.
  • the capacity of the reservoir is preferably such that the amount of hydrogen and / or gaseous hydrocarbons produced by the plant for the electrothermal production of ethyne under full load can be absorbed within 2 hours, more preferably the amount produced within 12 hours, and more particularly prefers the amount produced within 48 hours.
  • the plant for the electrothermic production of ethyne has an arc reactor and the gas mixture obtained from the arc reactor is mixed with a hydrocarbon-containing gas and / or a hydrocarbon-containing liquid for cooling.
  • the hydrocarbons is endothermically split, so that cleavage products are obtained which have a higher energy content than the starting materials and supply to the plant for power generation provide a greater amount of electrical energy than would be obtained with supply of the starting materials.
  • This embodiment thus enables storage of electric energy supplied to the arc reactor in the form of high-energy fission products.
  • the type and / or amount of hydrocarbonaceous gas and / or liquid are selected depending on the expected electricity supply.
  • This is particularly advantageous in a method in which a direct quench is used by addition of hydrocarbon-containing gas and / or liquid in combination with an indirect quench with steam generation, since then by the choice of type and / or amount of added in the direct quench Controlling hydrocarbons, the amount of heat generated in the arc reactor is stored in the form of fission products for later power generation and what is the proportion that is used immediately in the form of steam without storage for power generation.
  • the electrical energy used to produce ethy comes at least partially from renewable energy, more preferably from wind power and / or solar energy.
  • renewable energy more preferably from wind power and / or solar energy.
  • Conventionally generated electricity may therefore be present as a "surplus" at times because for a power plant operator, shutting down a power plant may be more inefficient than delivering electricity below cost.This excess electrical energy obtained through the continued operation of conventional plants may be economically utilized by the present process , in particular, be stored.
  • a gas-and-steam turbine power plant is used as a plant for power generation and it is at a high electricity supply, the plant for the electrothermal production of ethyne with a capacity of more than 80% of the rated power and the plant for power generation operated at 0-50% of the nominal electrical power and operated at a low power supply, the plant for the electrothermal production of ethyne with a power of 0-50% of the nominal power and the plant for power generation with more than 80% of the rated electrical power.
  • the combined-cycle power plant is preferably operated with a power of at most 40% and particularly preferably at most 30% of the rated electrical power.
  • the plant for the electrothermal production of ethyne is preferably operated with a power of at most 40% and more preferably at most 30% of the nominal power.
  • the rated electrical capacity of the power plant may either be a change in the amount of gas used or a change in the proportion of steam taken off as process steam and not used for power generation be set.
  • both the plant for the electrothermal production of ethyne and the plant for power generation are operated at a power at which the total amount of in the plant for electrothermic production of ethyne obtained in addition to ethyne hydrogen and / or gaseous hydrocarbons of the plant for power generation is supplied.
  • the method according to the invention comprises the steps
  • the thresholds are set depending on the actual level of storage for ethyne or depending on the forecasts of the evolution of consumption and production of ethyne in the next few hours. For example, if the level of the ethyne reservoir falls to a low level, the threshold below which the power of the electrothermal production equipment of ethyne is reduced is set to a lower value.
  • the supply of electricity can be determined either directly through coordination with electricity producers and / or electricity consumers or indirectly through trading platforms and / or through OTC procedures and an associated electricity price.
  • the electricity supply is determined by coordination with power generators from wind energy and / or solar energy.
  • the electricity supply is determined via the electricity price on a trading platform. If the supply of electricity is determined by matching with generators from wind energy and / or solar energy, the electric power of the plant for power generation is preferably changed when the first threshold value is exceeded according to the excess current and falls below the second threshold, the power of the plant for electrothermic production of ethyne accordingly changed the power penalty.
  • the electrical output of the plant for power generation is preferably changed to a predetermined lower value when the first threshold value is exceeded and the output of the plant for the electrothermal production of ethyne to a predetermined lower value falls below the second threshold value changed lower value.
  • the absolute magnitude of the first threshold above which power reduction of the power plant is performed is not essential to this embodiment of the present method and may be determined by economic criteria. The same applies to the second predetermined value, below which there is a reduction in the power of the plant for the electrothermal production of ethyne.
  • the first predetermined and the second threshold are chosen equal.
  • the electricity supply is calculated from the data of a weather forecast. Based on the predicted electricity supply, the above-mentioned threshold values for a power supply are then preferably selected such that a planned amount of ethyne is produced in the forecast period and the storage capacity for hydrogen and / or gaseous hydrocarbons obtained next to ethyne is not exceeded.
  • the power generation plant is operated within a calendar year at least 4000 full load hours, preferably at least 5000 full load hours and more preferably at least 5500 full load hours.
  • the arc reactors are preferably operated within a calendar year on average at least 2500 full load hours, preferably at least 4000 full load hours and more preferably at least 5000 full load hours.
  • the full load hours are calculated according to the formula
  • Full load hours production / capacity
  • production is the quantity of ethin produced in one calendar year in tonnes
  • capacity is the total rated capacity of the arc reactors in tonnes of ethyne per hour.
  • the present integrated plant and process are suitable for producing ethyne in a very economical and resource efficient manner.
  • Ethin can be converted into many valuable intermediates, whereby a surprising reduction of carbon dioxide emissions can be achieved.
  • This surprising reduction is based on several synergistic factors.
  • electricity from renewable energies can be used to produce ethin, whereby the production of ethin can be flexibly adapted to a supply of electricity.
  • hydrogen can be obtained at a very high power efficiency, which can be used without the release of carbon dioxide to generate electrical energy.
  • heat is often released during the production of the valuable secondary products. This waste heat can often be used to cover the heat demand in other parts of the process (eg distillative separation processes).
  • the carbon dioxide emissions are reduced, if otherwise an oxidation of hydrocarbons to produce the process heat would be necessary.
  • the specific enthalpy is higher than for other common hydrocarbons used as an alternative to the synthesis of the same end products as, for example, ethylene or propylene.
  • more waste heat can be generated during the conversion and used for other applications.
  • the ethyne produced is reacted to produce acetone, butanediol or unsaturated compounds having a molecular weight of at least 30 g / mol.
  • the unsaturated compounds having a molecular weight of at least 30 g / mol include, in particular, vinyl ethers, preferably methyl vinyl ether or ethyl vinyl ether; Vinyl halides, preferably vinyl chloride; acrylonitrile; unsaturated alcohols, preferably allyl alcohol, propargyl alcohol, butynediol and / or butenediol; vinyl acetylene; Acrylic acid and acrylic ester; Esters of vinyl alcohol, preferably vinyl acetate; Butadiene and butene.
  • the generated ethyne can also be selectively hydrogenated to ethene.
  • gaseous by-products or suitable liquid by-products after evaporation can preferably be fed into the gas turbine.
  • Solid residues can be converted into combustible gases, in particular using hydrogen, and then emitted in a gas turbine.
  • the ethyne produced in the plant for the electrothermal production of ethyne is converted into another product in at least one further process, and a by-product from this process is used in the power generation plant to generate electricity.
  • the waste heat obtained in a reaction of the ethyne to an unsaturated compound having a molecular weight of at least 30 g / mol or other secondary compound can be at least partially used to generate electricity.
  • the ethyne produced in the plant for the electrothermal production of ethyne is converted into a further product in at least one further process, and heat generated in this process is used in the power generation plant to generate electricity.
  • FIG. Figure 1 Schematic structure of an integrated system according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic structure of an integrated system 10 according to the invention, comprising a system 12 for the electrothermal production of ethyne and a system 14 for power generation, wherein the integrated system 10 is connected to a central power grid 16.
  • the individual devices can be connected directly to the central power grid 16 or, as shown in Figure 1, are connected via a switching point 18 for power transmission to the central power grid 16.
  • the plant 12 for electrothermic production of ethyne is then connected via a first electrical connection line 20 to the switching point 18 for power transmission, the plant 14 for power generation is connected via a second electrical connection line 22 to the switching point 18 for power transmission and the switching point 18 for power transmission connected to the central power grid 16.
  • This embodiment may have advantages in installation costs and / or operational expense.
  • the integrated system 10 comprises a hydrogen storage 24, which can be filled via a first connection line 26 for hydrogen with hydrogen from the plant 12 for the electrothermal production of ethyne.
  • hydrogen can be supplied via the second connecting line 28 for hydrogen of the plant 14 for generating electricity.
  • a controller 30, which via a first KonnnunikationsENS 32 with the system 12 for the electrothermal production of ethyne, via a second communication link 34 to the system 14 for power generation, via a third communication link 36 with the Switching point 18 for power transmission and via a fourth communication link 38 is connected to the hydrogen storage 24.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Anlage, die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst, wobei die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist und in der Anlage zur Stromerzeugung aus einem in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen Produktgas Strom erzeugt wird. Diese integrierte Anlage ermöglicht einen flexiblen Einsatz von Strom durch ein Verfahren, bei dem in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert wird und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden.

Description

Integrierte Anlage und Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Anlage und ein Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom. Der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Windkraft, Solarenergie und Wasserkraft, gewinnt eine immer größere Bedeutung zur Stromerzeugung. Elektrische Energie wird typischerweise über langreichweitige, überregionale und länderübergreifend gekoppelte Stromversorgungsnetze, kurz als Stromnetze bezeichnet, an eine Vielzahl von Verbrauchern geliefert. Da elektrische Energie im Stromnetz selbst beziehungsweise ohne weitere Vorrichtungen nicht in signifikantem Umfang speicherbar ist, muss die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung auf den verbraucherseitigen Leistungsbedarf, die sogenannte Last, abgestimmt werden. Die Last schwankt bekanntermaßen zeitabhängig, insbesondere je nach Tageszeit, Wochentag oder auch Jahreszeit. Klassisch wird der Lastverlauf in die drei Bereiche Grundlast, Mittellast und Spitzenlast unterteilt, und elektrische Energieerzeuger werden je nach Typ geeignet in diesen drei Lastbereichen eingesetzt. Für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung ist ein kontinuierlicher Gleichlauf von Stromerzeugung und Stromabnahme notwendig. Eventuell auftretende kurzfristige Abweichungen werden durch sogenannte positive oder negative Regelenergie bzw. Regelleistung ausgeglichen. Bei regenerativen Stromerzeugungseinrichtungen tritt die Schwierigkeit auf, dass bei bestimmten Typen, wie Windkraft und Solarenergie, die Energieerzeugungsleistung nicht zu jedem Zeitpunkt vorhanden und in bestimmter Weise steuerbar ist, sondern z.B. tageszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen unterliegt, die nur bedingt vorhersagbar sind und in der Regel nicht mit dem jeweils aktuellen Energiebedarf übereinstimmen.
Üblicherweise ist die Differenz zwischen der Erzeugungsleistung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien und dem aktuellen Verbrauch durch andere Kraftwerke bereitzustellen, wie beispielsweise Gas-, Kohle- und Kernkraftwerke. Mit zunehmendem Ausbau und Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien an der Stromversorgung müssen immer größere Schwankungen zwischen deren Leistung und dem aktuellen Verbrauch ausgeglichen werden. So werden bereits heute neben Gaskraftwerken zunehmend auch Steinkohlekraftwerke in Teillast gefahren oder ganz heruntergefahren, um die Schwankungen auszugleichen. Da diese variable Fahrweise der Kraftwerke mit beträchtlichen Zusatzkosten verbunden ist, wird seit geraumer Zeit die Entwicklung alternativer Maßnahmen untersucht. Ein Ansatz ist es, alternativ oder ergänzend zur Veränderung der Leistung eines Kraftwerks die Leistung von einem oder mehreren Verbrauchern anzupassen (z.B. Demand Side Management, Smart Grids). Ein weiterer Ansatz ist es, im Fall von hohen Erzeugungsleistungen aus erneuerbaren Energien einen Teil der Leistung zu speichern und in Zeiten von geringen Erzeugungsleistungen oder hohem Verbrauch wieder auszuspeichern. Dazu werden bereits heute beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt. In der Entwicklung befinden sich auch Konzepte zur Speicherung von Strom in Form von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser.
Die hier beschriebenen Maßnahmen sind insgesamt mit beträchtlichen Zusatzkosten und wirkungsgradbedingten Energieverlusten verbunden. Vor diesem Hintergrund wird verstärkt nach besseren Möglichkeiten gesucht, die durch die Verwendung von erneuerbaren Energien, insbesondere Windkraft und Solarenergie, auftretenden Unterschiede zwischen Strombereitstellung und Stromabnahme auszugleichen.
Von Anlagen zur Herstellung von Ethin in Lichtbogenreaktoren ist bekannt, dass diese durch Zu- oder Abschalten von Lichtbögen sehr gut auf ein stark schwankendes Angebot an elektrischer Energie angepasst werden können. Allerdings ergibt sich hierbei das Problem, dass diese Anlagen in diesem Fall nur eine relativ geringe Auslastung aufweisen, so dass die Investitionskosten, bezogen auf die durch die Anlage im Jahresdurchschnitt erzeugte Menge an Ethin, sehr hoch sind, wenn die Anlage nur bei einem Überschuss an elektrischer Energie betrieben wird.
Bei einer geschätzten Betriebsdauer von höchstens 20%, bezogen auf einen maximal möglichen Dauereinsatz, ergeben sich inakzeptabel lange Amortisationszeiten, so dass eine Rentabilität nur durch staatliche Eingriffe oder außergewöhnliche Geschäftsmodelle gegeben sein kann. Diese Schätzung beruht darauf, dass die Anlage nur in Zeiten eines Überschusses an erneuerbaren Energien betrieben wird. Weiterhin ist festzuhalten, dass für den Fall eines über längere Zeit geringen Angebots an erneuerbarer Energie Kraftwerke vorgehalten werden müssen, die die Deckung eines Grundbedarfs sicherstellen können. Die hierzu notwendige Vorhaltung von Kraftwerkskapazitäten muss betriebswirtschaftlich machbar sein oder gegebenenfalls durch staatliche Regelungen finanziert werden, da auch in diesem Fall vergleichsweise hohe Fixkosten einer relativ geringen Betriebsdauer gegenüberstehen.
Konventionelle Kraftwerke, d. h. Kraftwerke, die auf fossilen oder biogenen Energieträgern oder auf Kernkraft basieren, können elektrische Energie planbar über lange Zeit bereitstellen. Der Einsatz von auf fossilen Energieträgern oder Kernkraft basierten Anlagen soll allerdings aufgrund von politischen Gründen, insbesondere Gründen der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes, zunehmend zu Gunsten von Stromerzeugern reduziert werden, die auf erneuerbaren Energien basieren. Diese Stromerzeuger müssen jedoch bedarfsgerecht installiert und ihrerseits wirtschaftlich betrieben werden können. Ab einem gewissen Grad an installierter Kapazität auf Basis erneuerbarer Energien ist es wirtschaftlich sinnvoller, statt eines weiteren Zubaus an Kapazitäten für erneuerbare Energien solche in Form von Speichern zu installieren, so dass in Zeiten eines Stromüberschusses durch erneuerbare Energie diese sinnvoll eingesetzt und gespeichert werden kann und in Zeiten eines Stromunterschusses aus Energiespeichern oder konventionellen Kraftwerken Strom bereitgestellt werden kann. Bei einer zweckmäßigen Flexibilisierung des Energieverbrauchs kann hierbei angenommen werden, dass die Zeiten eines spürbaren Stromüberschusses oder Stromunterschusses geringer sein werden. Für diese geringen Zeiten besteht trotz allem die Notwendigkeit, die Stromversorgung sicherzustellen, wobei dies möglichst wirtschaftlich bewerkstelligt werden sollte.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anlage bereitzustellen, die nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wege zu finden, die es ermöglichen, die Flexibilität im Hinblick auf Speicherung und Nutzung von elektrischer Energie gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen. Weiterhin sollte die Anlage flexibel betreibbar sein, so dass auf eine Veränderung von Stromangebot und/oder Strom nachfrage besonders flexibel reagiert werden kann, um beispielsweise wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Hierbei sollte die Anlage auch bei längeren Perioden eines hohen oder geringen Stromangebots zur Speicherung oder Bereitstellung von elektrischer Energie eingesetzt werden können.
Ferner sollte durch die vorliegende Erfindung die Versorgungssicherheit verbessert werden.
Die Anlage und das Verfahren sollten weiterhin einen möglichst hohen Wirkungsgrad besitzen. Weiterhin sollte das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der herkömmlichen und weithin vorhandenen Infrastruktur durchgeführt werden können.
Darüber hinaus sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die sich aus den einleitend diskutierten Zusammenhängen ergeben, durch eine integrierte Anlage, die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und eine Anlage zur Stromerzeugung integriert, indem die Anlagen über eine Leitung verbunden werden, sodass in der Anlage zur Stromerzeugung ein Produktgas, das in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erhalten wird, zur Erzeugung von Strom genutzt werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine integrierte Anlage die eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist und die Leitung ein in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgas der Anlage zur Stromerzeugung zuführt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom, bei dem in einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert werden und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße integrierte Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren weisen ein besonders gutes Eigenschaftsprofil auf, wobei die Nachteile herkömmlicher Verfahren und Anlagen deutlich reduziert werden können.
Insbesondere wurde in überraschender Weise gefunden, dass es damit möglich wird, eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit einer hohen Auslastung zu betreiben, wobei erneuerbare Energien bei einem Überschuss wirtschaftlich eingesetzt werden können. Weiterhin kann durch die Anlage ein Stromüberschuss aus erneuerbaren Energien, unter anderem Windkraft oder Photovoltaik, in eine speicherbare Form überführt werden.
Ferner kann elektrische Energie auch bei einer längeren Periode an einem geringen Angebot an erneuerbarer Energie auf besonders kostengünstige Weise bereitgestellt werden. Eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin kann gut dynamisch betrieben werden, lässt sich also variabel auf das Stromangebot hin anpassen. Hierbei kann die integrierte Anlage auch bei längeren Perioden eines hohen oder geringen Stromangebots zur Speicherung oder Bereitstellung von elektrischer Energie eingesetzt werden. Hierbei können überraschend hohe Laufzeiten aller Komponenten der integrierten Anlage erzielt werden, so dass deren Betrieb sehr wirtschaftlich gestaltet werden kann.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin regelbar ausgestaltet ist, wobei die Regelung in Abhängigkeit des Stromangebots erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur elektrothermischen Herstellung von Ethin Strom aus erneuerbaren Energien verwendet.
Darüber hinaus kann das Verfahren mit relativ wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.
Durch die Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien ermöglicht die vorliegende integrierte Anlage die Bereitstellung von chemischen Folgeprodukten bei einer geringen Freisetzung von Kohlendioxid, da das erhaltene Ethin bei sehr hohen Umsatzgraden und im Vergleich zu alternativen Ausgangsstoffen bei geringerer weiterer Energiezufuhr oder höherer Wärmefreisetzung zu vielen chemisch wichtigen Folgeprodukten umgesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße integrierte Anlage dient zur zweckmäßigen und flexiblen Verwendung von elektrischer Energie, hierin synonym auch als Strom bezeichnet. Die integrierte Anlage kann bei einem hohen Stromangebot elektrische Energie speichern und insbesondere bei einem geringen Stromangebot elektrische Energie in ein Stromnetz einspeisen. Der Begriff Speicherung bezeichnet hierbei die Fähigkeit der Anlage, bei einem hohen Angebot an Strom diesen in eine speicherbare Form, vorliegend als chemische Energie, zu überführen, wobei diese chemische Energie bei einem geringen Angebot an Strom in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Speicherung kann dabei in Form des Koppel produkts Wasserstoff erfolgen, das bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin aus Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen zwangsläufig entsteht. Die Speicherung kann außerdem in Form von Produkten erfolgen, die bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin in einer parallel zur Bildung von Ethin ablaufenden endothermen Umsetzung erhalten werden, beispielsweise durch eine Umsetzung von zwei Molekülen Methan zu Ethan und Wasserstoff. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass zwei Mol Methan (CH ) einen geringeren Energiegehalt haben, als beispielsweise ein Mol Ethan (C2H6) und ein Mol Wasserstoff, so dass durch eine Umwandlung von Methan in Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen Energie gespeichert werden kann. In konventionellen Anlagen zur Herstellung von Ethin wird relativ viel Energie aufgewendet, um die entstehenden Nebenproduktgase aufzuarbeiten, um diese gegebenenfalls in reiner Form zu verkaufen. In der vorliegenden Anlage kann diese Reinigung sehr viel einfacher ausgestaltet werden indem die Nebenproduktgase energetisch verwendet werden.
Die erfindungsgemäße integrierte Anlage umfasst eine Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin. Der Begriff elektrothermisch bezeichnet dabei ein Verfahren, bei dem Ethin in einer endothermen Reaktion aus Kohlenwasserstoffen oder Kohle hergestellt wird und die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme durch elektrischen Strom erzeugt wird. Vorzugsweise werden gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoffe eingesetzt, besonders bevorzugt aliphatische Kohlenwasserstoffe. Besonders geeignet sind Methan, Ethan, Propan und Butane, insbesondere Methan. Bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen wird als Koppelprodukt Wasserstoff erhalten.
Geeignete Anlagen zur elektrothermischen Herstellung von Ethin sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Band 1 , 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, DOI: 10.1002/14356007.a01_097.pub4, Seiten 296 bis 303, aus DE 1 900 644 A1 und aus EP 0 133 982 A2.
Die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin umfasst vorzugsweise einen Lichtbogenreaktor. Die elektrothermische Herstellung von Ethin kann dabei in einem einstufigen Prozess erfolgen, bei dem mindestens ein Kohlenwasserstoff mit einem Gasstrom durch den Lichtbogen geführt wird. Alternativ kann die elektrothermische Herstellung von Ethin in einem zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem Wasserstoff durch den Lichtbogen geführt wird und mindestens ein Kohlenwasserstoff hinter dem Lichtbogen in das im Lichtbogen erzeugte Wasserstoffplasma eingespeist wird.
Der Lichtbogenreaktor wird vorzugsweise mit einer Energiedichte von 0,5 bis 10 kWh/Nm3, besonders 1 bis 5 kWh/Nm3 und insbesondere 2 bis 3,5 kWh/Nm3 betrieben, wobei sich die Energiedichte auf das durch den Lichtbogen geleitete Gasvolumen bezieht.
Die Temperatur in der Reaktionszone des Lichtbogenreaktors variiert aufgrund des Gasflusses, wobei im Zentrum des Lichtbogens bis zu 20000 °C erreicht werden und am Rand die Temperatur etwa 600 °C betragen kann. Am Ende des Lichtbogens liegt die mittlere Temperatur des Gases vorzugsweise im Bereich von 1300 bis 3000 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 1500 bis 2600 °C.
Die Verweilzeit des Einsatzstoffes in der Reaktionszone des Lichtbogenreaktors liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 ms bis 20 ms, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 ms bis 10 ms und speziell bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 ms. Danach wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung gequencht, d.h. einer sehr schnellen Abkühlung auf Temperaturen von weniger als 250 °C unterzogen, um eine Zersetzung des thermodynamisch instabilen Zwischenprodukts Acetylen zu vermeiden. Zum Quenchen kann ein direktes Quenchverfahren wie zum Beispiel die Einspeisung von Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser oder ein indirektes Quenchverfahren, wie zum Beispiel die rasche Abkühlung in einem Wärmetauscher mit Dampfgewinnung eingesetzt werden. Direktes Quenchen und indirektes Quenchen können auch miteinander kombiniert werden.
In einer ersten Ausführungsform wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung nur mit Wasser gequencht. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch relativ geringe Investitionskosten aus. Nachteilig ist jedoch, dass auf diese Weise ein beträchtlicher Teil der im Produktgas enthaltenen Energie nicht oder exergetisch minderwertig genutzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit gemischt, wobei zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe endotherm gespalten wird. Je nach Prozessführung wird dabei ein mehr oder minder breites Produktspektrum erzeugt, z. B. neben Ethin und Wasserstoff auch Anteile an Ethan, Propan, Ethen und anderen niederen Kohlenwasserstoffen. Hierdurch kann die entstehende Wärme in einem wesentlich höheren Umfang einer weiteren Verwendung wie der endothermen Spaltung der Kohlenwasserstoffe zugeführt werden.
Nach dieser Temperaturabsenkung, beispielsweise auf 150 bis 300 °C, werden feste Bestandteile, insbesondere Kohlenstoffpartikel, abgetrennt und die Gasmischung, die je nach Ausgangsstoffen neben Ethin und Wasserstoff noch weitere Stoffe, wie Ethen, Ethan, Kohlenmonoxid und flüchtige Schwefelverbindungen, wie H2S und CS2 enthalten kann, der weiteren Aufarbeitung zur Gewinnung von Ethin zugeführt. Ethin kann dabei aus der Gasmischung durch selektive Absorption in ein Lösungsmittel abgetrennt werden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser, Methanol, N-Methylpyrrolidon oder deren Gemische. Geeignete Methoden zur Abtrennung von Ethin aus der Gasmischung sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Band 1 , 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, DOI: 10.1002/14356007.a01_097.pub4, Seiten 291 bis 293, 299 und 300, DE 31 50 340 A1 und WO 2007/096271 A1 . Die Leistungsaufnahme der elektrothermischen Anlage zur Herstellung von Ethin hängt von der geplanten Produktionskapazität an Acetylen ab. Wie bei den meisten anderen chemischen Produktionstechnologien sinken die spezifischen Investitionskosten (Kosten für die Investition bezogen auf die installierte Produktionskapazität) mit zunehmender Anlagengröße. Übliche Anlagengrößen zur Herstellung von Acetylen liegen im Bereich von wenigen 10.000 Tonnen Acetylen bis wenige 100.000 Tonnen Acetylen pro Jahr (gerechnet auf Vollauslastung). Wie aus der Literatur entnommen werden kann, liegt der spezifische Energiebedarf im Reaktionsteil für die Erzeugung von Acetylen je nach eingesetztem Rohstoff im Bereich von ca. 9 bis ca. 12 MWheiektrisch je Tonne Ethin. Einschließlich des Bedarfs an elektrischer Energie für die Aufarbeitung leitet sich daraus der absolute Leistungsbedarf der Acetylenanlage ab. Die gewünschte Produktionskapazität wird in der Regel durch eine parallele Anordnung von mehreren Lichtbogenreaktoren erzielt, die gemeinsam oder getrennt gesteuert werden können.
Die erfindungsgemäße integrierte Anlage umfasst außerdem eine Anlage zur Stromerzeugung, der über eine Leitung ein in der Anlage zur Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgas zugeführt wird. Als Anlagen zur Stromerzeugung eignen sich dabei alle Anlagen, mit denen aus dem Produktgas elektrischer Strom erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird eine Anlage zur Stromerzeugung verwendet, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Das der Anlage zur Stromerzeugung zugeführte Produktgas enthält vorzugsweise Wasserstoff und/oder von Ethin verschiedene Kohlenwasserstoffe. Die Kohlenwasserstoffe können nicht umgesetzte Einsatzstoffe der elektrothermischen Herstellung von Ethin, bei einem Quench zugesetzte Kohlenwasserstoffe, durch das Quenchen gebildete Kohlenwasserstoffe oder Mischungen davon sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle. In dieser Ausführungsform wird der Anlage zur Stromerzeugung vorzugsweise ein Produktgas zugeführt, das im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Stromerzeugung ein Kraftwerk mit einer Turbine. Besonders bevorzugt umfasst die Anlage eine Gasturbine, die mit Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen betreibbar ist. Am meisten bevorzugt wird dabei eine Gasturbine verwendet, die sich mit Mischungen aus Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltigen Gasen wechselnder Zusammensetzung betreiben lässt.
Vorzugsweise ist das Kraftwerk mit einer Turbine ein Gas-und-Dampfturbinen- Kraftwerk (GuD-Kraftwerk), auch Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk genannt. In diesen Kraftwerken werden die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes verknüpft. Eine Gasturbine dient hierbei im Allgemeinen unter anderem als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt.
Der Anlage zur Stromerzeugung können zusätzlich zu dem bei der Herstellung von Ethin erhaltenen Produktgas noch weitere Stoffe zugeführt werden, beispielsweise zusätzlicher Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle oder zusätzlicher Brennstoff für den Betrieb einer Turbine oder die Beheizung eines Dampferzeugers.
Die Leistung der Anlage zur Stromerzeugung kann abhängig von der Produktionskapazität der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin gewählt werden. Vorzugsweise wird die Leistung der Anlage zur Stromerzeugung so gewählt, dass der Strombedarf der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin bei Volllast vollständig durch die Anlage zur Stromerzeugung gedeckt werden kann. Dabei liegt das Verhältnis der elektrischen Leistung zur Ethin- Produktionskapazität vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 20 MWeiektrisch je t/h Ethin, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 15 MWeiektrisch je t/h Ethin. Die Leistung kann dabei durch eine einzelne Vorrichtung oder einen Zusammenschluss von mehreren Vorrichtungen erzielt werden, wobei der Zusammenschluss (Pool) über eine gemeinsame Steuerung erzielt werden kann. Außerdem kann elektrische Energie für die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin aus dem Stromnetz bezogen werden. Ebenso kann die Anlage zur Stromerzeugung so dimensioniert werden, dass zusätzlich zur Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin auch weitere Stromverbraucher versorgt oder die über den Bedarf der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin hinausgehende elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird. In der integrierten Anlage ist die Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin über eine Leitung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden, mit der der Anlage zur Stromerzeugung ein in der Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgas zugeführt wird. Das Produktgas besteht vorzugsweise aus Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen. Das Produktgas kann über die Leitung der Anlage zur Stromerzeugung gasförmig oder in verflüssigter Form zugeführt werden, wobei die Verflüssigung durch Erhöhen des Drucks oder Verringern der Temperatur erfolgen kann.
Die Leitung, die die Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin mit der Anlage zur Stromerzeugung verbindet, weist vorzugsweise eine Länge von weniger als 10 km auf, besonders bevorzugt weniger als 1 km.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin eine Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches auf, wobei diese Vorrichtung mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist. In der Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen Gasgemisches wird Ethin von Wasserstoff und anderen Kohlenwasserstoffen abgetrennt. Die von Ethin abgetrennte, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltende Mischung kann direkt der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Alternativ kann aus der von Ethin abgetrennten Mischung Wasserstoff abgetrennt werden und wahlweise Wasserstoff oder ein dabei resultierendes kohlenwasserstoffhaltiges Gas der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Ebenso können auch Wasserstoff und ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas über getrennte Leitungen von der Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen Gasgemisches der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Die Trennung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen kann bei der erfindungsgemäßen integrierten Anlage auch unvollständig erfolgen, ohne dass sich eine unvollständige Trennung nachteilig auf den Betrieb der Anlage auswirkt, sodass gegenüber der vollständigen Trennung, wie sie in Anlagen zur elektrothermischen Herstellung von Ethin nach dem Stand der Technik durchgeführt wird, der apparative Aufwand und der Energieverbrauch für die Trennung verringern lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der integrierten Anlage umfasst die Anlage zur Stromerzeugung voneinander getrennte Vorrichtungen für die Erzeugung von Strom aus Wasserstoff und für die Erzeugung von Strom aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, die vorzugsweise über getrennte Leitungen mit einer Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen Gasgemisches verbunden sind. Besonders bevorzugt umfasst die Anlage zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle für die Erzeugung von Strom aus Wasserstoff und ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk für die Erzeugung von Strom aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas. Bei dieser Ausführungsform können auch Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke in der erfindungsgemäßen integrierten Anlage eingesetzt werden, die nicht zur Verstromung von wasserstoffreichen Gasen geeignet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße integrierte Anlage zusätzlich mindestens einen Speicher für ein in der Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgas auf, wobei der Speicher über Leitungen sowohl mit der Anlage zur elektrothermische Herstellung von Ethin als auch mit der Anlage zur Stromerzeugung verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Speicher mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen Gasgemisches verbunden, sodass im Speicher Wasserstoff und/oder von Ethin abgetrennte kohlenwasserstoffhaltige Gase gespeichert werden können. Vorzugsweise ist der Speicher ein Wasserstoffspeicher. Besonders bevorzugt umfasst die integrierte Anlage sowohl einen Wasserstoffspeicher als auch einen Speicher für von Ethin abgetrennte kohlenwasserstoffhaltige Gase.
Die integrierte Anlage kann zusätzlich noch eine Vorrichtung umfassen, mit der sich die Zusammensetzung eines bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgases ändern lässt, bevor es der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt wird. Vorzugsweise umfasst sie integrierte Anlage zusätzlich eine Vorrichtung, mit der sich bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin als Koppelprodukt erhaltener Wasserstoff durch eine Fischer-Tropsch-Synthese oder eine Methanisierung zu Kohlenwasserstoffen umsetzen lässt. Die so erhaltenen Kohlenwasserstoffe können zusammen mit von Ethin abgetrennten Kohlenwasserstoffen oder davon getrennt der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt werden. Eine Umwandlung von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen vereinfacht die Zufuhr von bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenem Produktgas bei Anlagen zur Stromerzeugung, in denen zur Stromerzeugung Kohlenwasserstoffe verbrannt werden und bei denen für einen zuverlässigen Betrieb der Gehalt an Wasserstoff im Brenngas in bestimmten engen Grenzen gehalten werden muss. Geeignete Anlagen zur Fischer-Tropsch-Synthese oder zur Methanisierung sind aus dem Stand der Technik bekannt, für die Methanisierung beispielsweise aus DE 43 32 789 A1 und WO 2010/1 15983 A1
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die integrierte Anlage einen Dampferzeuger in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin, mit dem aus der Abwärme des elektrothermischen Verfahrens Dampf erzeugt wird, eine Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, in der Anlage zur Stromerzeugung, sowie eine Dampfleitung, mit der in dem Dampferzeuger erzeugter Dampf der eine Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, zugeführt wird. Vorzugsweise wird ein indirekter Quench des in einem Lichtbogenreaktor erhaltenen Reaktionsgases als Dampferzeuger verwendet. Die Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, ist vorzugsweise eine Dampfturbine oder ein Dampfmotor und besonders bevorzugt eine Dampfturbine. Am meisten bevorzugt ist die Dampfturbine Teil eines Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerks. Mit dieser Ausführungsform kann in der Anlage zur Herstellung von Ethin erzeugte Abwärme zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden und der Brennstoffbedarf für den Betrieb der Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, verringert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße integrierte Anlage zusätzlich einen Speicher für Ethin. Dieser Speicher ermöglicht es, nachgeschaltete Umsetzungen von Ethin zu weiteren Produkten kontinuierlich weiterzubetreiben, auch wenn bei niedrigem Stromangebot in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin nur wenig oder gar kein Ethin produziert wird. Vorzugsweise erfolgt die Speicherung von Ethin gelöst in einem Lösungsmittel, besonders bevorzugt in einem Lösungsmittel, das zur Absorption von Ethin bei der Abtrennung von Ethin aus dem Reaktionsgemisch der elektrothermischen Herstellung von Ethin verwendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße integrierte Anlage mit einer Wetterprognose-Einheit verbunden. Eine solche Verbindung mit einer Wetterprognose-Einheit ermöglicht es, den Betrieb der Anlage so anzupassen, dass einerseits die Möglichkeit der Nutzung von preiswertem überschüssigen Strom und die Möglichkeit zur Strombereitstellung aus der Anlage zur Stromerzeugung bei geringem Stromangebot und dementsprechend hohem Strompreis genutzt werden können und andererseits stets ausreichend Ethin für den kontinuierlichen Betrieb einer nachgeschalteten, Ethin verbrauchenden Anlage bereitzustellen. So kann, je nach Ergebnis der Wetterprognose, beispielsweise ein Speicher für Ethin auf einen hohen oder tiefen Füllstand gebracht werden. Darüber hinaus kann eine Anlage zur Weiterverarbeitung des Ethins auf geänderte Betriebsweisen vorbereitet und eingestellt werden. So können bei einem längerfristigen Unterangebot an Strom diese Teile des Systems auf eine reduzierte Produktionsleistung eingestellt werden, so dass eine Betriebsunterbrechung aufgrund von fehlendem Ethin vermieden werden kann.
Zusätzlich kann die integrierte Anlage mit einer Einheit zur Erstellung einer Verbrauchsprognose verbunden sein, wobei diese Einheit bevorzugt einen Datenspeicher aufweist, der Daten über den historischen Verbrauch umfasst. Die Daten über den historischen Verbrauch können beispielsweise den Tagesverlauf, den Wochenverlauf, den Jahresverlauf und weitere Verläufe über den Strombedarf und/oder die Stromerzeugung umfassen. Die Daten über die Verbrauchsprognose können auch spezifische Änderungen berücksichtigen, die beispielsweise in einem Zugang oder einem Wegfall eines Großverbrauchers bestehen. Zusätzlich oder alternativ kann der Datenspeicher auch Daten über den historischen Verlauf von Strompreisen enthalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom wird in der erfindungsgemäßen integrierten Anlage in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin betrieben und mindestens ein Teil von neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt. Vorzugsweise wird in dem Verfahren Wasserstoff gespeichert. Bei dem Stromangebot kann sowohl ein Stromüberschuss als auch ein Stromunterschuss vorliegen. Ein Stromüberschuss ergibt sich, wenn zu einem Zeitpunkt mehr Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird als zu diesem Zeitpunkt insgesamt an Strom verbraucht wird. Ein Stromüberschuss ergibt sich auch, wenn große Mengen an elektrischer Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Energien bereitgestellt werden und das Drosseln oder Abschalten von Kraftwerken mit hohen Kosten verbunden ist. Ein Stromunterschuss ergibt sich, wenn vergleichsweise geringe Mengen an erneuerbaren Energien zur Verfügung stehen und ineffiziente oder mit hohen Kosten verbundene Kraftwerke betrieben werden müssen. Die hier beschriebenen Fälle Stromüberschuss und Stromunterschuss können sich auf verschiedene Weise erkennbar werden. Zum Beispiel können die Preise an den Strombörsen ein Indikator für die jeweilige Situation sein, wobei ein Stromüberschuss zu tieferen und ein Stromunterschuss zu höheren Strompreisen führt. Ein Stromüberschuss oder Stromunterschuss kann aber auch ohne unmittelbare Auswirkung auf den Strompreis vorliegen. Beispielsweise ist ein Stromüberschuss auch dann gegeben, wenn der Betreiber eines Windparks mehr Leistung produziert als er prognostiziert und verkauft hat. Analog kann ein Stromunterschuss vorliegen, wenn er weniger Leistung produziert als er prognostiziert hat. Erfindungsgemäß umfassen die Begriffe Stromüberschuss und Stromunterschuss alle diese Fälle.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so betrieben, dass zumindest ein Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Ethin benötigten Stroms mit der von der integrierten Anlage umfassten Anlage zur Stromerzeugung aus Produktgas erzeugt wird, das bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhalten wird. Wenn in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin betrieben wird, wird vorzugsweise die von der integrierten Anlage umfasste Anlage zur Stromerzeugung mit verringerter Leistung betrieben oder abgeschaltet und ein größerer Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Ethin benötigten Stroms einem Stromnetz mit hohem Stromangebot entnommen. Analog wird, wenn in Zeiten eines geringen Stromangebots die von der integrierten Anlage umfasste Anlage zur Stromerzeugung betrieben wird, die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin vorzugsweise mit verringerter Leistung betrieben oder abgeschaltet und ein geringerer Teil des zur elektrothermischen Herstellung von Ethin benötigten Stroms dem Stromnetz entnommen oder Strom aus der von der integrierten Anlage umfassten Anlage zur Stromerzeugung in das Stromnetz eingespeist.
Das Speichern von neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen erfolgt vorzugsweise in einem von der integrierten Anlage umfassten Speicher, besonders bevorzugt in einem wie zuvor beschrieben zwischen der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und der Anlage zur Stromerzeugung angeordnetem Speicher. Alternativ kann die Speicherung aber auch in einem getrennten Speicher erfolgen, der mit der integrierten Anlage über eine Gasverteilleitung, beispielsweise ein Erdgasnetz, verbunden ist.
Die Art des Speichers ist unkritisch, so dass hierfür ein Drucktank, ein Flüssiggasspeicher, ein Speicher, bei dem Kohlenwasserstoffe in einem Lösungsmittel absorbiert sind, oder ein Speicher mit Gasadsorption an einem Feststoff eingesetzt werden kann. Für die Speicherung von Wasserstoff eignen sich außerdem chemische Speicher, in denen Wasserstoff durch eine reversible chemische Reaktion gespeichert wird. Vorzugsweise werden separate Speicher für Wasserstoff und für neben Ethin erhaltene gasförmige Kohlenwasserstoffe verwendet. Die Kapazität des Speichers wird vorzugsweise so bemessen, dass die von der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin unter Volllast innerhalb von 2 Stunden produzierte Menge an Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen aufgenommen werden kann, besonders bevorzugt die innerhalb von 12 Stunden produzierte Menge und ganz besonders bevorzugt die innerhalb von 48 Stunden produzierte Menge.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin einen Lichtbogenreaktor auf und die aus dem Lichtbogenreaktor erhaltene Gasmischung wird zur Abkühlung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas und/oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit versetzt. Dabei wird, wie zuvor beschrieben, zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe endotherm gespalten, sodass Spaltprodukte erhalten werden, die einen höheren Energiegehalt als die Ausgangsstoffe haben und bei Zufuhr zur Anlage zur Stromerzeugung eine größere Menge an elektrischer Energie liefern als bei Zufuhr der Ausgangsstoffe erhalten würde. Diese Ausführungsform ermöglicht so eine Speicherung von dem Lichtbogenreaktor zugeführter elektrischer Energie in Form von energiereichen Spaltprodukten. Vorzugsweise werden Art und/oder Menge von kohlenwasserstoffhaltigem Gas und/oder Flüssigkeit in Abhängigkeit vom erwarteten Stromangebot gewählt. Besonders vorteilhaft ist dies bei einem Verfahren, bei dem ein direkter Quench durch Versetzen mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas und/oder Flüssigkeit in Kombination mit einem indirekten Quench mit Dampferzeugung eingesetzt wird, da sich dann durch die Wahl von Art und/oder Menge der im direkten Quench zugegebenen Kohlenwasserstoffe steuern lässt, wie hoch der Anteil der im Lichtbogenreaktor anfallenden Wärme ist, der in Form von Spaltprodukten für eine spätere Stromerzeugung gespeichert wird und wie hoch der Anteil ist, der in Form von Dampf ohne Speicherung sofort zur Stromerzeugung genutzt wird.
Vorzugsweise stammt bei einem hohen Stromangebot die zur Herstellung von Ethin eingesetzte elektrische Energie zumindest teilweise aus erneuerbaren Energien, besonders bevorzugt aus Windkraft und/oder Solarenergie. Allerdings ist festzuhalten, dass gemäß gegenwärtiger deutscher Rechtslage Strom, der durch erneuerbare Energien gewonnen wurde, auch ohne aktuellen Bedarf in das Stromnetz eingespeist werden darf und vergütet werden muss. Konventionell erzeugter Strom kann deshalb zeitweise als„Überschuss" vorliegen, da für einen Kraftwerksbetreiber ein Herunterfahren eines Kraftwerks unwirtschaftlicher sein kann als eine Abgabe von Strom unter dem Selbstkostenpreis. Diese durch den Weiterbetrieb von konventionellen Anlagen erhaltene überschüssige elektrische Energie kann durch das vorliegende Verfahren wirtschaftlich verwertet, insbesondere gespeichert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Anlage zur Stromerzeugung ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk eingesetzt und es wird bei einem hohen Stromangebot die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit einer Leistung von mehr als 80 % der Nennleistung und die Anlage zur Stromerzeugung mit 0-50 % der elektrischen Nennleistung betrieben und bei einem geringen Stromangebot die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit einer Leistung von 0-50 % der Nennleistung und die Anlage zur Stromerzeugung mit mehr als 80 % der elektrischen Nennleistung betrieben.
Bei einem hohen Stromangebot wird das Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk vorzugsweise mit einer Leistung von höchstens 40 % und besonders bevorzugt höchstens 30 % der elektrischen Nennleistung betrieben.
Bei einem geringen Stromangebot wird die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin vorzugsweise mit einer Leistung von höchstens 40 % und besonders bevorzugt höchstens 30 % der Nennleistung betrieben.
Wenn das Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk mit einer Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird, kann die elektrische Nennleistung des Kraftwerks entweder durch eine Veränderung der eingesetzten Menge an Gas oder durch eine Veränderung des Anteils des als Prozessdampf entnommenen und nicht zur Stromerzeugung genutzten Dampfs eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise werden im größten Teil der Betriebszeit bei einem mittleren Stromangebot sowohl die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin als auch die Anlage zur Stromerzeugung mit einer Leistung betrieben, bei der die gesamte Menge von in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen der Anlage zur Stromerzeugung zugeführt wird.
Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine hohe Betriebszeit sowohl der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin als auch der Anlage zur Stromerzeugung und damit ein wirtschaftlicher Betrieb beider Anlagen erzielt werden.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte
a) Festlegen eines ersten Schwellwerts und eines zweiten Schwellwerts für ein Stromangebot,
b) Bestimmung des Stromangebots,
c) Veränderung der elektrischen Leistung der Anlage zur Stromerzeugung in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den ersten Schwellwert überschreitet und Veränderung der Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den zweiten Schwellwert unterschreitet, und
d) Wiederholen der Schritte b) und c).
Vorzugsweise werden die Schwellwerte abhängig vom aktuellen Füllstand des Speichers für Ethin oder abhängig von den Prognosen der Entwicklung von Verbrauch und Erzeugung von Ethin in den nächsten Stunden festgelegt. Wenn beispielsweise der Füllstand des Speichers für Ethin auf einen niedrigen Wert sinkt, wird der Schwellwert, unterhalb dessen die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin reduziert wird, auf einen niedrigeren Wert festgelegt.
Das Stromangebot kann entweder direkt durch Abstimmung mit Stromerzeugern und/oder Stromverbrauchern oder indirekt über Handelsplattformen und/oder durch OTC-Verfahren und einen dazugehörigen Strompreis ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Stromangebot durch Abstimmung mit Stromerzeugern aus Windenergie und/oder Solarenergie ermittelt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Stromangebot über den Strompreis auf einer Handelsplattform ermittelt. Wenn das Stromangebot durch Abstimmung mit Stromerzeugern aus Windenergie und/oder Solarenergie ermittelt wird, wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten Schwellwerts die elektrische Leistung der Anlage zur Stromerzeugung entsprechend dem Stromüberschuss geändert und bei Unterschreiten des zweiten Schwellwerts die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin entsprechend dem Stromunterschuss geändert.
Wenn das Stromangebot über den Strompreis auf einer Handelsplattform ermittelt wird, wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten Schwellwerts die elektrische Leistung der Anlage zur Stromerzeugung auf einen vorherbestimmten niedrigeren Wert geändert und bei Unterschreiten des zweiten Schwellwerts die Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin auf einen vorherbestimmten niedrigeren Wert geändert.
Die absolute Höhe des ersten Schwellwerts, ab dem eine Verringerung der Leistung der Anlage zur Stromerzeugung erfolgt, ist für diese Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens nicht wesentlich und kann anhand wirtschaftlicher Kriterien festgelegt werden. Gleiches gilt für den zweiten vorgegebenen Wert, unterhalb dessen eine Verringerung der Leistung der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erfolgt.
Wenn die Leistung der beiden Anlagen aufeinander abgestimmt ist, werden vorzugsweise der erste vorgegebene und der zweite Schwellwert gleich gewählt.
Vorzugsweise wird das Stromangebot aus den Daten einer Wetterprognose vorausberechnet. Anhand des vorausberechneten Stromangebot werden dann vorzugsweise die oben genannten Schwellwerte für ein Stromangebot so gewählt, dass im Prognosezeitraum einerseits eine geplante Menge an Ethin produziert wird und andererseits die Speicherkapazität für neben Ethin erhaltenen Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe nicht überschritten wird.
Durch einen gemeinsamen Betrieb der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und der Anlage zur Stromerzeugung bei einem mittleren Stromangebot können überraschend hohe Betriebszeiten erzielt werden, so dass eine hohe Rentabilität der Anlage erreicht wird. Vorzugsweise wird die Anlage zur Stromerzeugung innerhalb eines Kalenderjahres mindestens 4000 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5500 Volllaststunden betrieben. Die Volllaststunden errechnen sich dabei gemäß der Formel Volllaststunden = W / P wobei W die innerhalb eines Kalenderjahres bereitgestellte elektrische Arbeit in MWh und P die elektrische Nennleistung der Anlage in MW bezeichnen.
Wenn die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mindestens einen Lichtbogenreaktor umfasst, werden die Lichtbogenreaktoren vorzugsweise innerhalb eines Kalenderjahres im Mittel mindestens 2500 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 4000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden betrieben. Die Volllaststunden errechnen sich dabei gemäß der Formel
Volllaststunden = Produktion / Kapazität wobei„Produktion" die innerhalb eines Kalenderjahres hergestellte Menge an Ethin in Tonnen und „Kapazität" die gesamte Nennleistung der Lichtbogenreaktoren in Tonnen Ethin je Stunde bezeichnen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der zuvor dargelegten Beschreibung einer integrierten Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende integrierte Anlage sowie das Verfahren eignen sich zur Herstellung von Ethin auf eine sehr wirtschaftliche und ressourcenschonende Weise. Ethin kann in viele wertvolle Zwischenprodukte überführt werden, wobei hierdurch eine überraschende Reduktion des Kohlendioxidausstoßes erzielt werden kann. Diese überraschende Reduktion basiert auf mehreren synergistisch wirkenden Faktoren. Hierzu gehört die Tatsache, dass zur Herstellung von Ethin Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt werden kann, wobei die Herstellung von Ethin sehr flexibel an ein Stromangebot angepasst werden kann. Weiterhin kann Wasserstoff bei einem sehr hohen Stromnutzungsgrad erhalten werden, welcher ohne Freisetzung von Kohlendioxid zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann. Weiterhin wird bei der Herstellung der wertvollen Folgeprodukte häufig Wärme freigesetzt. Diese Abwärme kann oftmals genutzt werden zur Deckung des Wärmebedarfs in anderen Prozessteilen (z.B. bei destillativen Trenn prozessen). Entsprechend reduziert sich der Kohlendioxidausstoß, wenn andernfalls eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung der Prozesswärme notwendig wäre. Bei Ethin ist die spezifische Enthalpie höher als bei anderen üblichen Kohlenwasserstoffen, die alternativ zur Synthese der gleichen Endprodukte eingesetzt werden wie beispielsweise Ethylen oder Propylen. Somit kann im Allgemeinen bei der Umsetzung mehr Abwärme erzeugt und für andere Anwendungen genutzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das erzeugte Ethin zur Herstellung von Aceton, Butandiol oder ungesättigten Verbindungen mit einem Molekulargewicht von mindestens 30 g/mol umgesetzt wird. Zu den ungesättigten Verbindungen mit einem Molekulargewicht von mindestens 30 g/mol zählen insbesondere Vinylether, vorzugsweise Methylvinylether oder Ethylvinylether; Vinylhalogenide, vorzugsweise Vinylchlorid; Acrylnitril; ungesättigte Alkohole, vorzugsweise Allylalkohol, Propargylalkohol, Butindiol und/oder Butendiol; Vinylacetylen; Acrylsäure und Acrylsäureester; Ester von Vinylalkohol, vorzugsweise Vinylacetat; Butadien und Buten.
Das erzeugte Ethin kann außerdem selektiv zu Ethen hydriert werden.
Weiterhin können Nebenprodukte aus diesen Prozessen zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden. Hierbei können gasförmige Nebenprodukte oder geeignete flüssige Nebenprodukte nach Verdampfung vorzugsweise in die Gasturbine eingespeist werden. Feste Rückstände können, insbesondere unter Verwendung von Wasserstoff in brennbare Gase umgewandelt und anschließend in einer Gasturbine verströmt werden. Vorzugsweise wird das in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erzeugte Ethin in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt und ein Nebenprodukt aus diesem Prozess wird in der Anlage zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt. Ferner kann die bei einer Reaktion des Ethins zu einer ungesättigte Verbindung mit einem Molekulargewicht von mindestens 30 g/mol oder einer anderen Folgeverbindung erhaltene Abwärme zumindest teilweise zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das in der Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erzeugte Ethin in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt und in diesem Prozess erzeugte Wärme wird in der Anlage zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figur 1 beispielhaft erläutert. Figur 1 : Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen integrierten Anlage 10, umfassend eine Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und eine Anlage 14 zur Stromerzeugung, wobei die integrierte Anlage 10 an ein zentrales Stromnetz 16 angeschlossen ist. Hierbei können die einzelnen Vorrichtungen unmittelbar an das zentrale Stromnetz 16 angeschlossen werden oder, wie in Figur 1 gezeigt, über einen Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung an das zentrale Stromnetz 16 angeschlossen werden. Die Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Ethin ist dann über eine erste elektrische Verbindungsleitung 20 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung verbunden, die Anlage 14 zur Stromerzeugung ist über eine zweite elektrische Verbindungsleitung 22 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung verbunden und der Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung ist mit dem zentralen Stromnetz 16 verbunden. Diese Ausführungsform kann Vorteile in den Installationskosten und/oder dem betrieblichen Aufwand haben. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die integrierte Anlage 10 einen Wasserstoffspeicher 24, der über eine erste Verbindungsleitung 26 für Wasserstoff mit Wasserstoff aus der Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Ethin befüllt werden kann. Zur Erzeugung von elektrischer Energie kann der in dem Wasserstoffspeicher 24 gespeicherte Wasserstoff über die zweite Verbindungsleitung 28 für Wasserstoff der Anlage 14 zur Stromerzeugung zugeführt werden. Weiterhin weist die integrierte Anlage 10 in der gezeigten Ausführungsform eine Steuerung 30 auf, die über eine erste Konnnnunikationsverbindung 32 mit der Anlage 12 zur elektrothermischen Herstellung von Ethin, über eine zweite Kommunikationsverbindung 34 mit der Anlage 14 zur Stromerzeugung, über eine dritte Kommunikationsverbindung 36 mit dem Schaltpunkt 18 zur Stromübertragung und über eine vierte Kommunikationsverbindung 38 mit dem Wasserstoffspeicher 24 verbunden ist.
Die in der voranstehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können zur Ausführung der Erfindung auch in jeder beliebigen Kombination verwendet werden.
Bezugszeichenliste:
10 integrierte Anlage
12 Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin
14 Anlage zur Stromerzeugung
16 zentrales Stromnetz
18 Schaltpunkt zur Strom Übertragung
20 erste elektrische Verbindungsleitung
22 zweite elektrische Verbindungsleitung
24 Wasserstoffspeicher
26 erste Verbindungsleitung für Wasserstoff
28 zweite Verbindungsleitung für Wasserstoff
30 Steuerung
32 erste Kommunikationsverbindung
34 zweite Kommunikationsverbindung
36 dritte Kommunikationsverbindung
38 vierte Kommunikationsverbindung

Claims

Patentansprüche:
1 . Integrierte Anlage (10), umfassend eine Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und eine Anlage (14) zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin über eine Leitung (26, 28) mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist und die Leitung ein in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenes Produktgas der Anlage (14) zur
Stromerzeugung zuführt.
2. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Anlage (14) zur Stromerzeugung eine Brennstoffzelle umfasst.
3. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung ein Kraftwerk mit einer Turbine umfasst.
4. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kraftwerk mit einer Turbine eine Gasturbine umfasst, die mit Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen betreibbar ist.
5. Integrierte Anlage gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk mit einer Turbine ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk ist.
6. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin einen Lichtbogenreaktor umfasst.
7. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin eine Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches aufweist und die Vorrichtung zur Trennung des bei der elektrothermischen Herstellung erhaltenen Gasgemisches mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist.
8. Integrierte Anlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die integrierte Anlage (10) mindestens einen Speicher (24) für Wasserstoff und/oder von Ethin abgetrennte kohlenwasserstoffhaltige Gase aufweist, der über eine Leitung (26) mit der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin verbunden ist und über eine Leitung (28) mit der Anlage (14) zur Stromerzeugung verbunden ist.
9. Integrierte Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anlage zur elektrothermischen Herstellung von Ethin einen Dampferzeuger umfasst, mit dem aus der Abwärme des
elektrothermischen Verfahrens Dampf erzeugt wird, die Anlage zur
Stromerzeugung eine Vorrichtung umfasst, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, und die integrierte Anlage eine Dampfleitung umfasst, mit der in dem Dampferzeuger erzeugter Dampf der Vorrichtung, in der Strom aus Dampf erzeugt wird, zugeführt wird.
10. Integrierte Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sie mit einer Wetterprognose-Einheit verbunden ist.
1 1 . Verfahren zum flexiblen Einsatz von Strom, dadurch gekennzeichnet, dass in einer integrierten Anlage (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in Zeiten eines hohen Stromangebots die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin betrieben wird und mindestens ein Teil von neben Ethin erhaltenem Wasserstoff und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gespeichert werden und in Zeiten eines geringen Stromangebots gespeicherter Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Anlage (14) zur Stromerzeugung zugeführt werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin einen Lichtbogenreaktor aufweist, und die aus dem Lichtbogenreaktor erhaltene Gasmischung zur Abkühlung mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder einer kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit versetzt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Art und/oder Menge des Gases und/oder der Flüssigkeit in Abhängigkeit vom erwarteten Stromangebot gewählt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromangebot aus den Daten einer Wetterprognose vorausberechnet wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung ein Gas-und-Dampfturbinen- Kraftwerk ist und in der integrierten Anlage (10) bei einem hohen Stromangebot die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit einer Leistung von mehr als 80 % der Nennleistung und die Anlage (14) zur Stromerzeugung mit 0-50 % der elektrischen Nennleistung betrieben wird und bei einem geringen Stromangebot die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit einer Leistung von 0-50 % der Nennleistung und die Anlage (14) zur Stromerzeugung mit mehr als 80 % der elektrischen Nennleistung betrieben wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 15, umfassend die Schritte
a) Festlegen eines ersten Schwellwerts und eines zweiten Schwellwerts für ein Stromangebot,
b) Bestimmung des Stromangebots,
c) Veränderung der elektrischen Leistung der Anlage (14) zur
Stromerzeugung in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den ersten Schwellwert überschreitet und Veränderung der Leistung der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin in Abhängigkeit vom Stromangebot, falls das Stromangebot den zweiten Schwellwert unterschreitet, und
d) Wiederholen der Schritte b) und c).
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Schwellwert und der zweite Schwellwert gleich sind.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mindestens einen Lichtbogenreaktor umfasst und die Lichtbogenreaktor innerhalb eines Kalenderjahres im Mittel mindestens 2500 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 4000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden betrieben wird.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (14) zur Stromerzeugung innerhalb eines Kalenderjahres mindestens 4000 Volllaststunden, bevorzugt mindestens 5000 Volllaststunden und besonders bevorzugt mindestens 5500 Volllaststunden betrieben wird.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erzeugte Ethin in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt wird und ein Nebenprodukt aus diesem Prozess in der Anlage (14) zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt wird.
21 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Anlage (12) zur elektrothermischen Herstellung von Ethin erzeugte Ethin in mindestens einem weiteren Prozess zu einem weiteren Produkt umgesetzt wird und in diesem Prozess erzeugte Wärme in der Anlage (14) zur Stromerzeugung zur Erzeugung von Strom eingesetzt wird.
EP13789282.4A 2012-12-06 2013-11-08 Integrierte anlage und verfahren zum flexiblen einsatz von strom Withdrawn EP2929585A1 (de)

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