EP3581636A1 - Vorrichtung und verfahren zum speichern von energie von blockheizkraftwerken - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum speichern von energie von blockheizkraftwerken Download PDF

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EP3581636A1
EP3581636A1 EP18176974.6A EP18176974A EP3581636A1 EP 3581636 A1 EP3581636 A1 EP 3581636A1 EP 18176974 A EP18176974 A EP 18176974A EP 3581636 A1 EP3581636 A1 EP 3581636A1
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EP
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hydrogen
synthesis gas
plant
oxygen
heat
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EP18176974.6A
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Gaston Glock
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Glock Technology GmbH
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Glock Technology GmbH
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/06—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by mixing with gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/164—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with conversion of synthesis gas
    • C10J2300/1643—Conversion of synthesis gas to energy
    • C10J2300/165—Conversion of synthesis gas to energy integrated with a gas turbine or gas motor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/1684—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with electrolysis of water

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for storing energy from combined heat and power plants which are operated with product gas from a carburetor of carbon-containing material, in particular wood, and to a synthesis gas mixture which results with the highest energy density, according to the preamble of claim 1 and claim 4 or claim 6.
  • Such cogeneration plants use biogenic material, preferably wood, in a gas generator to produce product gas and, on the one hand, supply heat to households and businesses, possibly also to industrial companies, and via a gas engine, usually a piston engine (diesel or petrol engine), and a generator of electrical energy which is fed into a public or at least regional network.
  • a gas engine usually a piston engine (diesel or petrol engine), and a generator of electrical energy which is fed into a public or at least regional network.
  • the need for thermal energy is easy to estimate and only changes in a foreseeable way both daily and seasonally, the need for electrical energy, and with it the possibility of feeding it into the grid, changes in comparison to this in an unexpected manner and extremely quickly, what the Operating conditions at the gas generator does not meet, but, on the contrary, causes problems.
  • the combined heat and power plant is assigned an electrolysis plant, preferably a hot electrolysis plant, in which water is split into hydrogen and oxygen when excess electricity occurs. Due to the heat generated during gas generation in the gas generator, which in one embodiment is led to the electrolysis system via a line for the heat transfer medium, for example heated air, the operation of this hot electrolysis system is possible with high efficiency at low costs.
  • the hydrogen is stored, and preferably added to the synthesis gas in front of the engine of the combined heat and power plant when peak consumption occurs, which makes it possible to generate electricity in addition to the continuous output of the system and thus also to cover peak demand. This makes particular economic sense, which is directly evident from the price difference for the kilowatt hour of latitude and peak currents.
  • the size of the memory can be adapted to the conditions of operation within wide limits and only makes technological demands that have already been solved in the prior art.
  • the invention can be installed in existing systems, the possibility of coming above the nominal power is of course low, in new buildings a more powerful motor and generator than necessary for the gas generator alone can be built in, being aware of the seasonal and daily offers and inquiries for the person skilled in the field of combined heat and power plants or the energy industry, the determination of the possible delivery peaks with knowledge of the invention is not a problem.
  • a typical composition of syngas from wood is as follows: component Percentage of space [vol .-%] Nitrogen, N 2 45 Carbon monoxide, CO 20-23.8 Hydrogen, H 2 17.01 -19.8 Carbon dioxide, CO 2 8.5 - 16.2 Methane, CH 4 1.5 - 2.9 Oxygen, O 2 0.4-0.6 Higher hydrocarbons, C m H n 0.2
  • composition can be obtained by adding hydrogen: component Percentage of space [vol .-%] Nitrogen, N 2 35 Carbon monoxide, CO 21 Hydrogen, H 2 35 Carbon dioxide, CO 2 8th Methane, CH 4 1 Oxygen, O 2 0 Higher hydrocarbons, C m H n 0
  • a further enrichment of hydrogen above 35% is not technologically sensible, since then thermal problems and problems with premature ignition of the mixture can occur on conventional engines.
  • the enrichment of synthesis gas with a high proportion of CO from coal with hydrogen is, for example, from DE 33 34 687 known to be used as a starting material for methanol synthesis after removal of the sulfur.
  • the invention therefore also relates to a gaseous fuel for diesel or gasoline engines, which consists of biogenic synthesis gas, to which hydrogen up to a total of 35 vol.% hydrogen content has been added.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern und Verwenden von Energie eines Blockheizkraftwerks, das mit Synthesegas aus einem Vergaser von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere von Holz, betrieben wird und Wärme und elektrische Energie abgibt.Um überschüssige elektrische Energie speichern zu können ist vorgesehen, dass sie eine Anlage zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufweist, ein Lager für den so gebildeten Wasserstoff, und eine Verbindungsleitung vom Lager zur Synthesegasleitung, die vor dem Motor des Blockheizkraftwerks in diese einmündet.Damit kann bei Bedarf dem Synthesegas Wasserstoff zugesetzt werden und entweder die Stromgewinnung über das vom Vergaser ermöglichte Maß gehoben werden oder biogenes Material gespart werden.Weiters betrifft die Erfindung das Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung und das so gewonnene Synthesegasgemisch mit höchster Energiedichte.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern von Energie von Blockheizkraftwerken, die mit Produktgas aus einem Vergaser von Kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere Holz, betrieben werden, sowie einem dabei entstehenden Synthesegasgemisch mit höchster Energiedichte, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 4 bzw. des Anspruches 6.
  • Solche Blockheizkraftwerke, beschrieben beispielsweise in der EP 3 067 407 , verwenden biogenes Material, bevorzugt Holz, in einem Gasgenerator zur Erzeugung von Produktgas und liefern einerseits Wärme an Haushalte und Gewerbe, unter Umständen auch an Industriebetriebe, und über einen Gasmotor, üblicherweise ein Kolbenmotor (Diesel- oder Ottomotor), und einen Generator elektrische Energie, die in ein öffentliches, oder zumindest regionales Netz eingespeist wird. Der Bedarf an thermischer Energie ist gut abschätzbar und ändert sich sowohl täglich als auch jahreszeitlich nur auf absehbare Weise, der Bedarf an elektrischer Energie, und damit die Möglichkeit der Einspeisung ins Netz, ändert sich im Vergleich dazu auf unerwartete Weise und ausgesprochen rasch, was den Betriebsbedingungen beim Gaserzeuger nicht entgegenkommt, sondern, ganz im Gegenteil, Probleme bereitet.
  • Auf dem Gebiete der Solartechnik bzw. der Windräder wurde diese Problematik bereits behandelt, so in der WO 2013/152748 , die vorschlägt, mit so gewonnener, überschüssiger, elektrischer Energie elektrolytisch Wasserstoff herzustellen, der mit Synthesegas, das aus Kohle gewonnen wird, zu Methan reagiert, das in einem Erdgaslager gespeichert werden kann. Wenn ein passendes Erdgaslager mit passenden Verbrauchern in der Nähe zur Verfügung steht, ist dies vermutlich ein gangbarer Weg, für die meist um Größenordnungen kleineren Blockheizkraftwerke ist dies nicht möglich.
  • Es besteht somit ein Bedarf an einer Vorrichtung, bzw. Anlage, und einem Verfahren, mit dem diese Probleme gelöst werden können.
  • Es ist Ziel und Aufgabe der Erfindung, diese Probleme zu lösen.
  • Dies geschieht erfindungsgemäß mit einer Anlage die die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 4 angegebenen Merkmale definiert, das biogene Synthesegasgemisch durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 6 angegebenen Merkmale.
  • Mit andern Worten, es wird dem Blockheizkraftwerk eine Elektrolyseanlage, bevorzugt eine Heiß-Elektrolyseanlage zugeordnet, in der beim Auftreten von Elektrizitätsüberschuss Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Durch die bei der Gaserzeugung im Gasgenerator anfallende Wärme, die in einer Ausgestaltung über eine Leitung für Wärmeträgermedium, zB erwärmte Luft, zur Elektrolyseanlage geführt wird, ist der Betrieb dieser Heiß-Elektrolyseanlage mit hohem Wirkungsgrad bei geringen Kosten möglich. In der Folge wird zumindest der Wasserstoff gespeichert, und bevorzugt beim Auftreten von Abnahmespitze dem Synthesegas vor dem Motor des Blockheizkraftwerkes zugesetzt, wodurch es möglich wird, über die Dauerleistung der Anlage hinaus Strom zu generieren, und diese damit auch zur Abdeckung von Spitzenbedarf zu verwenden. Dies ist ökonomisch besonders sinnvoll, was am Preisunterschied für die Kilowattstunde Breitenstrom und Spitzenstrom direkt ersichtlich ist.
  • Möglich wird diese Verfahrensweise durch die Erkenntnis, dass die Zumischung von Wasserstoff aus der Elektrolyse, bzw. dem nachgeordneten Speicher, bis zu einem Gesamtvolumenanteil von 35 Vol.-% Wasserstoff im Gemisch Produktgas-Wasserstoff möglich ist, ohne dass im Motor des Blockheizkraftwerkes Probleme auftreten oder er einer Änderung bedarf. Zu berücksichtigen ist, dass auch das Produktgas, oft auch Synthesegas genannt, ebenfalls Wasserstoff enthält, meist zwischen 15 und 25 Vol.-%, sodass nur der Rest auf insgesamt maximal 35 Vol.-% zuzusetzen ist. Dies geschieht am besten durch eine Venturidüse, im Produktgasstrom gesehen möglichst knapp vor dem Motor, denn die Durchmischung in und unmittelbar hinter der Venturidüse ist völlig ausreichend, um zu einem gleichmäßigen Gemisch zu kommen.
  • Da die Elektrolyseanlage, das Lager (Speicher) und ihr Betrieb dem Stand der Technik entsprechen, braucht hier auf die einzuhaltenden Bedingungen und vorzusehenden Maßnahmen nicht eingegangen zu werden. Die Leitungen einschließlich der Zufuhr zur Synthesegasleitung entsprechen ebenso wie die Venturidüse dem Stand der Technik und können vom Fachmann auf dem Gebiete der Blockheizkraftwerke oder der Verwendung von Wasserstoffgas leicht an die jeweilige Situation angepasst werden. Das Gleiche gilt für die Regelelektronik und die notwendigen Sensoren und Armaturen.
  • Die Größe des Speichers ist in weiten Grenzen an die Bedingungen des Betriebes anpassbar und stellt technologisch nur Forderungen, die im Stand der Technik bereits gelöst sind.
  • Die Erfindung kann bei bestehenden Anlagen eingebaut werden, dabei ist die Möglichkeit, über die Nennleistung zu kommen natürlich gering, bei Neubauten können von Haus aus ein leistungsfähigerer Motor und Generator als für den Gasgenerator allein notwendig eingebaut werden, wobei in Kenntnis der jahreszeitlichen und tageszeitlichen Angebote und Nachfragen für den Fachmann auf dem Gebiet der Blockheizkraftwerke bzw. der Energiewirtschaft, die Bestimmung der möglichen Abgabespitzen in Kenntnis der Erfindung kein Problem darstellt.
  • Es kann somit erfindungsgemäß entweder die Stromgewinnung über das vom Vergaser ermöglichte Maß gehoben werden oder biogenes Material gespart werden, oder eine Kombination davon erreicht werden.
  • Davon abhängig sind die Größe des Speichers und die Beurteilung der Frage, was mit dem Sauerstoff geschehen soll, vorzunehmen. Dieser stellt ein erwünschtes und wertvolles Nebenprodukt dar und kann insbesondere in Gebieten mit Industrieansiedlungen ökonomisch und ökologisch günstig verwendet werden.
  • Es soll im Folgenden ein Beispiel für die Angaben der möglichen Zusammensetzungen gegeben werden.
  • Eine typische Zusammensetzung von Synthesegas aus Holz ist folgende:
    Komponente Raumanteil [Vol.-%]
    Stickstoff, N2 45
    Kohlenmonoxid, CO 20 - 23,8
    Wasserstoff, H2 17,01 -19,8
    Kohlendioxid, CO2 8,5 - 16,2
    Methan, CH4 1,5 - 2,9
    Sauerstoff, O2 0,4 - 0,6
    Höhere Kohlenwasserstoffe, CmHn 0,2
  • Durch Zugabe von Wasserstoff kann man auf folgende Zusammensetzung kommen:
    Komponente Raumanteil [Vol.-%]
    Stickstoff, N2 35
    Kohlenmonoxid, CO 21
    Wasserstoff, H2 35
    Kohlendioxid, CO2 8
    Methan, CH4 1
    Sauerstoff, O2 0
    Höhere Kohlenwasserstoffe, CmHn 0
  • Eine weitere Anreicherung von Wasserstoff über 35 % hinaus ist technologisch nicht sinnvoll, da dann an üblichen Motoren thermische Probleme und Probleme mit vorzeitiger Zündung des Gemisches eintreten können.
  • Im Stand der Technik ist die Anreicherung von Synthesegas mit hohem Anteil an CO aus Kohle mit Wasserstoff beispielsweise aus der DE 33 34 687 bekannt, um nach Entfernen des Schwefels als Ausgangsstoff für die Methanolsynthese verwendet zu werden.
  • Selbstverständlich kann die Erkenntnis, dass übliche Motoren eine derartige Wasserstoffkonzentration vertragen, auch auf anderen technischen Gebieten nützlich angewandt werden; die Erfindung betrifft daher auch einen gasförmigen Brennstoff für Diesel- oder Ottomotoren, der aus biogenem Synthesegas besteht, dem Wasserstoff bis zu insgesamt 35 Vol.-% Wasserstoffgehalt zugesetzt ist.
  • In der Beschreibung und den Ansprüchen werden die Begriffe "vorne", "hinten", "oben", "unten" und so weiter in der landläufigen Form und unter Bezugnahme auf den Gegenstand in seiner üblichen Gebrauchslage, gebraucht. Quer zu einer Richtung meint im Wesentlichen eine um 90° dazu gedreht verlaufende Richtung.
  • Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung und den Ansprüchen Angaben wie "unterer Bereich" eines Gehänges, Reaktors, Filters, Bauwerks, oder einer Vorrichtung oder, ganz allgemein, eines Gegenstandes, die untere Hälfte und insbesondere das untere Viertel der Gesamthöhe bedeutet, "unterster Bereich" das unterste Viertel und insbesondere einen noch kleineren Teil; während "mittlerer Bereich" das mittlere Drittel der Gesamthöhe (Breite - Länge) meint. All diese Angaben haben ihre landläufige Bedeutung, angewandt auf die bestimmungsgemäße Position des betrachteten Gegenstandes.
  • In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet "im Wesentlichen" eine Abweichung von bis zu 10 % des angegebenen Wertes, wenn es physikalisch möglich ist, sowohl nach unten als auch nach oben, ansonsten nur in die sinnvolle Richtung, bei Gradangaben (Winkel und Temperatur) sind damit ± 10° gemeint.
  • Alle Mengenangaben und Anteilsangaben, insbesondere solche zur Abgrenzung der Erfindung, soweit sie nicht die konkreten Beispiele betreffen, sind mit ± 10 % Toleranz zu verstehen, somit beispielsweise: 11% bedeutet: von 9,9% bis 12,1 %. Bei Bezeichnungen wie bei: "ein Lösungsmittel" ist das Wort "ein" nicht als Zahlwort, sondern als unbestimmter Artikel oder Fürwort anzusehen, wenn nicht aus dem Zusammenhang etwas anderes hervorgeht. Alle Prozentangaben von Gasströmen oder Gasmengen sind, wenn nichts anderes angegeben ist, Volumsprozente.
  • Der Begriff: "Kombination" bzw. "Kombinationen" steht, soferne nichts anderes angegeben, für alle Arten von Kombinationen, ausgehend von zwei der betreffenden Bestandteile bis zu einer Vielzahl oder aller derartiger Bestandteile, der Begriff: "enthaltend" steht auch für "bestehend aus".
  • Die in den einzelnen Ausgestaltungen und Beispielen angegebenen Merkmale und Varianten können mit denen der anderen Beispiele und Ausgestaltungen frei kombiniert und insbesondere zur Kennzeichnung der Erfindung in den Ansprüchen ohne zwangläufige Mitnahme der anderen Details der jeweiligen Ausgestaltung bzw. des jeweiligen Beispiels verwendet werden

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Speichern und Verwenden von Energie eines Blockheizkraftwerks, das mit Synthesegas aus einem Vergaser von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere von Holz, betrieben wird und Wärme und elektrische Energie abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anlage zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufweist und ein Lager für den so gebildeten Wasserstoff, und eine Verbindungsleitung vom Lager zur Synthesegasleitung, die vor dem Motor des Blockheizkraftwerks in diese einmündet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff eine Hochtemperatur-Elektrolyse-Anlage ist, und dass eine Leitung zum Transport eines Wärmeträgermediums vom Vergaser zur Elektrolyse-Anlage führt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung der Wasserstoffleitung in die Synthesegasleitung als Venturidüse ausgebildet ist.
  4. Verfahren zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes, das mit Synthesegas aus einem Vergaser von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere Holz, betrieben wird und Wärme und elektrische Energie abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssig produzierte elektrische Energie zum Betrieb einer Anlage zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird, dass der so gebildete Wasserstoff in einem Lager gespeichert wird und bei Bedarf an elektrischer Energie dem Synthesegas bis zu einem Gesamtgehalt an Wasserstoff von 35 Vol.-% zugemischt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff eine Hochtemperatur-Elektrolyse-Anlage ist und zumindest teilweise mit Wärme vom Vergaser erwärmt wird.
  6. Biogenes Synthesegasgemisch für den Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Synthesegas aus einem Vergaser von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere von Holz, dem Wasserstoff bis zu einem Gesamtgehalt an Wasserstoff von 35 Vol. % im Gemisch zugemischt ist, besteht.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3334687A1 (de) 1983-09-24 1985-04-18 Klöckner-Humboldt-Deutz AG, 5000 Köln Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines aus wasserstoff und kohlenmonoxid bestehenden synthesegases
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