EP3681982A1 - System und verfahren zur speicherung von aus kohle gewonnenem wasserstoff - Google Patents

System und verfahren zur speicherung von aus kohle gewonnenem wasserstoff

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EP3681982A1
EP3681982A1 EP18765861.2A EP18765861A EP3681982A1 EP 3681982 A1 EP3681982 A1 EP 3681982A1 EP 18765861 A EP18765861 A EP 18765861A EP 3681982 A1 EP3681982 A1 EP 3681982A1
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hydrogen
reaction
water
gas shift
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    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin

Definitions

  • the invention relates to a system for storing carbon derived from hydrogen. Furthermore, the invention relates to a method for storing coal-derived hydrogen.
  • plasma gasification reactors are very maintenance-prone, since the electrodes must be changed regularly.
  • the invention has for its object to store both regenerative and conventionally produced hydrogen in an efficient manner.
  • the object is achieved by a system for storing coal-derived hydrogen, comprising a coal gasification reactor for gasification of coal, a steam power plant for power production, which is thermally coupled to the coal gasification reactor, a water gas shift reaction plant, which is connected to the coal gasification reactor to obtain the reaction gases of the coal gasification reactor, and a gas storage, wherein the gas storage is connected to the water gas shift reaction plant to store at least one of the product gases of the water gas shift reaction plant.
  • a method for storing coal-derived hydrogen comprising a system according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
  • the system and method according to the invention have the advantage over conventional steam power plants that the storage of hydrogen instead of the complete power generation in a future Hydrogen economy cost possible as a by-product of a steam power plant is possible.
  • the main component of the system is a coal gasification reactor, a thermally coupled steam power plant, a water gas shift reaction plant and a gas storage, which interact accordingly.
  • reaction gases In the coal gasification reactor, carbon monoxide and hydrogen, which are typically produced by rapid oxidation in the coal gasification reactor, are produced as reaction gases.
  • the reaction gases of the gasification have a temperature of for example 1500 to 1800 ° C, which is much too high for a subsequent hydrogen shift reaction.
  • reaction gases heat the feed water of the boiler of the steam power plant for the production of electric current, for example, steam is produced at a temperature of about 530 ° C, whereby the reaction gases are cooled, in particular to below 700 ° C, preferably to 200 ° C to 500 ° C.
  • the water gas shift reaction proceeds in particular with the addition of water in vapor form, ie by adding steam.
  • the thermally coupled steam power plant ensures that the reaction gases of the coal gasification reactor are sufficiently cooled so that the water gas shift reaction can proceed at all. However, there is no active cooling is made, is consumed in the energy for cooling, but the heat of the reaction gases is used to operate the steam power plant, at least partially, so to generate steam for the steam power plant.
  • coal gasification reactor is operated at very high temperatures, so that it provides almost exclusively hydrogen and carbon monoxide as reaction gases, for example 33% hydrogen and 60% carbon monoxide.
  • a coal gasification reactor is usually operated at lower temperatures, for example at temperatures of maximum 1000 ° C to 1200 ° C, in order to then cool the reaction gases less active active, so that the overall efficiency is as high as possible.
  • the resulting carbon monoxide as part of the cooled reaction gases of the coal gasification reactor is converted into hydrogen via the water gas shift reaction system.
  • more hydrogen is available, which can be used.
  • the additional hydrogen represents a part of the product gases of the water gas shift reaction system.
  • the water gas shift reaction system may also include a high temperature and low temperature equipment part, whereby the carbon monoxide content in the production gases of the water gas shift reaction plant can be reduced.
  • the product gases of the water gas shift reaction system ie mainly hydrogen, stored in a gas storage.
  • the hydrogen can be used for hydrogen cars or other hydrogen applications.
  • the hydrogen formed in the coal gasification reactor can be separated, for example via a downstream filter, so that only the cooled carbon monoxide is fed to the water gas shift reaction system as (cooled) reaction gas.
  • the hydrogen produced in the coal gasification reactor ie the hydrogen as reaction gas
  • the hydrogen from the water gas shift reaction plant ie the hydrogen as product gas
  • the proportion of recovered hydrogen is thus maximum.
  • the hydrogen produced in the coal gasification reactor is also fed to the water gas shift reaction plant and, via this, to the gas reservoir.
  • the system always produces an excess of electricity that can be fed into the grid, partly because of the connected steam power plant.
  • systems with plasma gasification reactors require at least a majority of the power to operate on their own. However, any surplus is needed at the latest for hydrogen production, ie it is directly consumed again.
  • One aspect provides a separation system for separating hydrogen, which is arranged between the water gas shift reaction system and the gas storage, so that the gas storage stores only hydrogen.
  • the hydrogen is separated from the remaining product gases of the water gas shift reaction system by means of a further subsystem, namely the separation system, and then stored in the gas storage, so that pure hydrogen is available.
  • the separation plant may be a filter.
  • the other product gases can also be separated or filtered so that they can also be stored separately.
  • a carbonization plant for continuous or discontinuous hydrothermal carbonization of biomass wherein the carbonation plant is fed as starting material any biomass, which is subjected to a continuous or batch process in a continuous process of hydrothermal carbonation, in particular wherein the the carbonization liberated heat of reaction is used to dry the resulting coal-water slurry.
  • a regenerative operation is possible in which any biomass in an upstream part of the plant is subjected to a hydrothermal carbonation in a continuous flow process or a batch batch process.
  • the resulting coal can be dried with the heat of reaction from the hydrothermal carbonization prior to gasification.
  • the carbonization unit may comprise a carbonization part, a drying part adjoining the carbonization part, and a heat exchanger, the heat exchanger leading the heat of reaction liberated during the carbonization in the carbonization part to the drying part.
  • This is a energy-efficient carbonisation plant, since the heat of reaction released during the carbonization of the biomass is used to dry the coal produced during the carbonation, so that dried coal can be fed to the coal gasification reactor.
  • any biomass, even very humid, such as organic waste can be used in the carbonization plant without pretreatment in order to produce the coal-water slurry by hydrothermal carbonation, which is also referred to as lignite-water slurry or HTC coal.
  • the power consumption here is minimal.
  • the steam power plant can serve as a heat sink, so that the water gas shift reaction system receives the reaction gases of the coal gasification reactor cooled.
  • the reaction gases are therefore cooled due to the heat dissipated to the temperature required for the water gas shift reaction. Since the cooling of the reaction gases or the dissipation of the heat generated is used to heat the existing water in the boiler of the steam power plant and to generate steam, there is a correspondingly energy-efficient system.
  • the coal gasification reactor may be a Koppers-Totzek reactor. Such a coal gasification reactor works with fine coal, which can work with different types of coal.
  • the coal can be shredded in advance to the required grain size.
  • the coal in an upstream part of the plant must be crushed to a certain granularity.
  • the HTC coal ie the carbon-water slurry obtained from the carbonization plant, does not have to be comminuted before the subsequent gasification, since it is 8 to 20 nm in size, since a Kopper-Totzek reactor, for example, a grain size of less than 0.1 mm needed.
  • the reaction gases of the gasification may mainly comprise carbon monoxide, in particular wherein the reaction gases include, inter alia, hydrogen.
  • the product gases produced in the water gas shift reaction are processed by means of an upstream separation unit for the separation of hydrogen, so that only hydrogen is supplied to the gas storage.
  • the coal is provided from fossil coal and / or from any biomass.
  • the coal can therefore be made entirely from fossil coal, entirely from any biomass or even from a mixture. If a proportion of biomass is provided, it must first be carbonized accordingly.
  • the comminuted coal, the lignite-water slurry produced from biomass, and / or the dried lignite-water slurry may generally be gasified in the coal gasification reactor with water and (air) oxygen.
  • the system comprises a steam power plant, the system is a stationary, immobile or stationary system.
  • the biomass waste is first dried as a biomass with a high energy input and then broken down into atomic elements. These can form toxic compounds on cooling, which could then escape during the combustion of the product gas. In order to avoid such compounds, the hot gases are actively cooled very quickly in order to prevent the external conditions necessary for the formation of compounds such as furans and dioxins.
  • FIG. 1 shows a system 10 that can generate hydrogen from a biomass.
  • the system 10 comprises a biomass feed 12, via which the carbonization plant 14 can be fed with the biomass to be carbonized.
  • the carbonator 14, which is part of the system 10, serves for continuous or discontinuous hydrothermal carbonization of the biomass to produce coal.
  • the carbonization unit 14 comprises a carbonization part 16, a drying part 18 adjoining the carbonization part 16, and a heat exchanger 20 which couples the carbonization part 16 to the drying part 18.
  • system 10 includes a coal gasification reactor 22 coupled to the carbonator 14 to obtain the output of the carbonator 14.
  • the coal gasification reactor 22 gasifies the coal, thus among other things the starting products of the carbonization plant 14, wherein the coal is gasified with the addition of water and (air) oxygen inter alia to carbon monoxide and hydrogen. This creates thermal energy that can be used.
  • the thermal energy is utilized by a steam power plant 24 that is thermally coupled to the coal gasification reactor 22 so that feed water of a boiler of the steam power plant 24 is heated by the heat generated during gasification.
  • the system 10 includes a water gas shift reaction unit 26 coupled to the coal gasification reactor 22 for the reaction gases the coal gasification reactor 22, which are cooled due to the thermal coupling with the steam power plant 24.
  • the carbon monoxide obtained as the reaction gas from the coal gasification reactor 22 is converted to further hydrogen by adding water.
  • the gas-shift reaction system 26 is adjoined by a gas reservoir 28, in which at least one of the product gases of the water-gas shift reaction system 26 can be stored.
  • the one production gas may be hydrogen, which is why a separation plant 30 is provided for separating hydrogen, which is arranged between the water gas shift reaction plant 26 and the gas reservoir 28, so that the gas reservoir 28 stores only hydrogen.
  • the carbonization system 14 is fed via the biomass feed 12 biomass, which is then carbonized in the Karbonmaschinesteil 16, that is converted to coal.
  • the biomass can be heated initially, to then be converted by means of an exothermic reaction in a coal-water slurry, in particular a lignite-water slurry.
  • the released heat is passed through the integrated heat exchanger 20 of the carbonization system 14 to the subsequent drying part 18, which serves to dry the coal-water slurry.
  • the heat exchanger 20 serves as a heat coupling, so that the drying part 18 uses the heat released during the exothermic reaction of the carbonization to dry the coal-water slurry.
  • the dried coal-water slurry is then fed to the coal gasification reactor 22, where the coal is gasified together with water and (air) oxygen with release of energy inter alia to carbon monoxide and hydrogen.
  • the Karbonmaschinesstrom 14 is only optional, if hydrogen is to be obtained from biomass.
  • coal gasification reactor 22 fed directly, which is then gasified with release of energy among other things to carbon monoxide and hydrogen.
  • a mixture of biomass and fossil coal may be supplied to the coal gasification reactor 22.
  • the coal gasification reactor 22 is operated at temperatures as high as almost exclusively carbon monoxide and hydrogen. This is done by rapid oxidation at high temperatures, mainly resulting in carbon monoxide and hydrogen as reaction gases.
  • the coal gasification reactor 22 may be a Koppers-Totzek reactor which requires crushed coal for gasification, so that a comminution plant may be connected upstream, which comminutes the coal, in particular the fossil coal.
  • the carbon-water slurry produced in the carbonation plant 14 does not have to be further comminuted, since the coal has already been sufficiently comminuted.
  • the coal in the coal gasification reactor 22, the coal can be gasified at temperatures of 1600 to 1800 ° C in a flame of the coal gasification reactor 22, producing hydrogen and carbon monoxide (generator gas).
  • the carbon monoxide (generator gas) is generated in accordance with incomplete combustion of coal with air, which is just not possible for example in a plasma combustion, especially since a working gas must still be used.
  • the heat energy of the reaction gases is fed to and / or removed from the steam power plant 24, which is thermally coupled to the coal gasification reactor 22, in particular the boiler of the steam power plant 24.
  • the feed water therein is due to the heat of the reaction gases heated so that the feed water evaporates.
  • the steam may then drive one or more turbines of the steam power plant 24 for power production.
  • the heating of the feed water with the reaction gases of the coal gasification reactor 22 cools the reaction gases accordingly, in particular the carbon monoxide as a reaction gas.
  • the reaction gases are cooled to temperatures below 700 ° C.
  • reaction gases in particular the carbon monoxide
  • the reaction gases can be processed directly in the water gas shift reaction system 26, ie without intermediate active cooling, as is usual.
  • the steam power plant 24, which is thermally coupled to the coal gasification reactor 22, serves as a heat sink, so that the water gas shift reaction plant 26 receives the reaction gases of the coal gasification reactor 22 cooled.
  • the additional hydrogen is then separated via the separation unit 30 for separation, so that the gas reservoir 28 receives only hydrogen.
  • the hydrogen which has formed as the reaction gas in the coal gasification reactor 22 may also have previously been separated off, in particular before the reaction gases are passed on to the water gas shift reaction plant 26, the branched off hydrogen being combined with the additional hydrogen.
  • the branched hydrogen are stored in the gas storage 28 together with the additional hydrogen.
  • the gas storage 28 may be preceded by a compression system to compress the gas to be stored.
  • the system 10 of the coal which is provided in particular from biomass, can produce almost exclusively hydrogen and carbon monoxide, namely more than 90%.
  • the resulting ash accumulates liquid in the reactor bottom and is granulated in a water bath.
  • Simplified shown in the coal gasification reactor 22 following reaction C6H2O + 5 H2O 6 CO + 6 h .
  • the entire process is very energy efficient, so that additional electricity can be produced, whereas in systems with plasma gasification no surplus energy is obtained, if the hydrogen is to be stored.

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Abstract

Ein System (10) zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff ist beschrieben, umfassend einen Kohlevergasungsreaktor (22) zur Vergasung der Kohle, ein Dampfkraftwerk(24) zur Stromproduktion, das thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor (22) gekoppelt ist, eine Wassergas-Shift- Reaktionsanlage (26), die mit dem Kohlevergasungsreaktor (22) verbunden ist, um die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors (22) zu erhalten, und einen Gasspeicher (28), wobei der Gasspeicher (28) mit der Wassergas-Shift- Reaktionsanlage (26) verbunden ist, um wenigstens eines der Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26) zu speichern. Ferner ist ein Verfahren zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff beschrieben.

Description

System und Verfahren zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem
Wasserstoff
Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff.
Im Hinblick auf einen künftigen verstärkten Bedarf an Wasserstoff, gerade im Mobilitätsbereich, und dem Ziel einer Energiewende aus regenerativen Ausgangsmaterialen bei gleichzeitigem fortschreitenden Ausbau der regenerativen Stromproduktion stellt die Speicherung von Wasserstoff zur weiteren Verwendung eine große Herausforderung der nächsten Jahre dar.
Aus der US 201 1/0243802 A1 ist ein Verfahren zur Speicherung von aus organischem Material gewonnenem Wasserstoff bekannt, bei dem organisches Material vergast wird, dessen Abwärme zur Trocknung des organischen Materials verwendet wird. Ferner ist ein Plasmavergasungsreaktor angeschlossen, der sehr viel Energie benötigt, sodass die gewonnene Energie größtenteils zum Betrieb des Plasmavergasungsreaktors und zur anschließenden aktiven Kühlung des Synthesegases verwendet wird, das aufgrund des Plasmas mehrere Tausend Grad Celsius heiß ist. Des Weiteren lassen sich in Plasmavergasungsreaktoren vorzugsweise vorbehandelte, nämlich getrocknete Biomasse bzw. organisches Material, verarbeiten, was gerade bei organischem Material schwierig ist, da dieses zunächst unter hohem Energieaufwand getrocknet werden muss.
Zudem sind Plasmavergasungsreaktoren sehr wartungsanfällig, da die Elektroden regelmäßig gewechselt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl regenerativ als auch konventionell hergestellten Wasserstoff in effizienter Weise zu speichern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff, umfassend einen Kohlevergasungsreaktor zur Vergasung der Kohle, ein Dampfkraftwerk zur Stromproduktion, das thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor gekoppelt ist, eine Wassergas-Shift- Reaktionsanlage, die mit dem Kohlevergasungsreaktor verbunden ist, um die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors zu erhalten, und einen Gasspeicher, wobei der Gasspeicher mit der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage verbunden ist, um wenigstens eines der Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage zu speichern. Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff, mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
Vergasen der Kohle im Kohlevergasungsreaktor mit Wasser und (Luft- Sauerstoff, - Ableiten der beim Vergasen entstehenden Reaktionswärme, um einen Wasserkessel des Dampfkraftwerks zu erhitzen, wobei die beim Vergasen entstehenden Reaktionsgase abgekühlt werden,
Produzieren von Strom im Dampfkraftwerk,
Weiterleiten der bei der Vergasung entstehenden Reaktionsgase an die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage,
Durchführen einer Wassergas-Shift-Reaktion in der Wassergas-Shift- Reaktionsanlage, indem der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage neben der bei der Vergasung entstehenden Reaktionsgase zusätzlich Wasser zugeführt wird, - Weiterleiten der bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstehenden Produktgase, und
Speichern wenigstens eines der Produktgase in dem Gasspeicher.
Das System und das Verfahren gemäß der Erfindung haben den Vorteil gegenüber herkömmlichen Dampfkraftwerken, dass die Speicherung von Wasserstoff anstelle der vollständigen Verstromung in einer künftigen Wasserstoffwirtschaft kostengünstig als Nebenprodukt eines Dampfkraftwerks möglich wird. Den Hauptbestandteil des Systems bilden ein Kohlevergasungsreaktor, ein damit thermisch gekoppeltes Dampfkraftwerk, eine Wassergas-Shift-Reaktionsanlage und ein Gasspeicher, die entsprechend zusammenwirken.
In dem Kohlevergasungsreaktor entsteht idealtypisch hauptsächlich Kohlen- monoxid und Wasserstoff durch schnelle Oxidation im Kohlevergasungsreaktor als Reaktionsgase. Die Reaktionsgase der Vergasung haben eine Temperatur von beispielsweise 1500 bis 1800°C, was viel zu hoch ist für eine anschließende Wasserstoff-Shift-Reaktion.
Erfindungsgemäß erhitzen die Reaktionsgase das Speisewasser des Wasserkessels des Dampfkraftwerks zur Produktion von elektrischem Strom, beispielsweise wird Dampf mit einer Temperatur von ca. 530°C erzeugt, wodurch die Reaktionsgase gekühlt werden, insbesondere auf unter 700°C, vorzugsweise auf 200°C bis 500°C.
Hierdurch ist es überhaupt erst möglich, dass die Reaktionsgase in der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage verarbeitet werden können, um spontan weiteren Wasserstoff als Produktgase zu erzeugen. Die Wassergas-Shift-Reaktion läuft insbesondere unter Zugabe von Wasser in Dampfform ab, also durch Zugabe von Wasserdampf.
Mit anderen Worten stellt das thermisch gekoppelte Dampfkraftwerk sicher, dass die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors ausreichend gekühlt werden, sodass die Wassergas-Shift-Reaktion überhaupt ablaufen kann. Es wird jedoch keine aktive Kühlung vorgenommen, bei der Energie zur Kühlung verbraucht wird, sondern die Wärme der Reaktionsgase wird genutzt, um das Dampfkraftwerk zumindest teilweise zu betreiben, also Dampf für das Dampfkraftwerk zu erzeugen.
Der Kohlevergasungsreaktor wird dagegen bei sehr hohen Temperaturen betrieben, sodass dieser fast ausschließlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reaktionsgase bereitstellt, beispielsweise 33% Wasserstoff und 60% Kohlenmonoxid. Im Stand der Technik wird ein Kohlevergasungsreaktor üblicherweise bei geringeren Temperaturen betrieben, beispielsweise auf Temperaturen von maximal 1000°C bis 1200°C, um die Reaktionsgase anschließend weniger stark aktiv abkühlen zu müssen, sodass die Gesamteffizienz möglichst hoch ist.
Allerdings entstehen bei derartigen Temperaturen, die im Stand der Technik vorgesehen sind, Dioxide, was erfindungsgemäß vermieden werden soll. Aufgrund der hohen Temperaturen liegt erfindungsgemäß eine schnelle Oxidation der zu geführten Kohle vor.
Das entstehende Kohlenmonoxid als Teil der abgekühlten Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors wird über die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage in Wasserstoff umgesetzt. Insofern steht weiterer Wasserstoff zur Verfügung, der genutzt werden kann. Der weitere Wasserstoff stellt dabei einen Teil der Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage dar.
Die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage kann zudem einen Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Anlagenteil umfassen, wodurch sich der Kohlenmonoxid- Anteil in den Produktionsgasen der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage reduzieren lässt.
Letztlich werden die Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage, also hauptsächlich Wasserstoff, in einem Gasspeicher gespeichert. Der Wasserstoff kann unter anderem für Wasserstoffautos oder andere Wasserstoffanwendungen genutzt werden. Grundsätzlich kann der im Kohlvergasungsreaktor entstehende Wasserstoff abgeschieden werden, beispielsweise über einen nachgeschalteten Filter, sodass der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage nur der gekühlte Kohlenmonoxid als (gekühltes) Reaktionsgas zugeführt wird.
Anschließend kann der im Kohlvergasungsreaktor entstandene Wasserstoff, also der Wasserstoff als Reaktionsgas, mit dem Wasserstoff aus der Wassergas- Shift-Reaktionsanlage, also der Wasserstoff als Produktgas, zusammengeführt und im Gasspeicher gespeichert werden. Der Anteil des gewonnenen Wasserstoffs ist somit maximal.
Alternativ wird der im Kohlvergasungsreaktor entstehende Wasserstoff ebenfalls der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage und hierüber dem Gasspeicher zugeführt. Das System produziert unter anderem aufgrund des angeschlossenen Dampfkraftwerks immer einen Stromüberschuss, der in das Netz eingespeist werden kann. Im Gegensatz hierzu benötigen Systeme mit Plasmavergasungsreaktoren zumindest einen Großteil des Stroms zum Eigenbetrieb. Ein etwaiger Überschuss wird jedoch spätestens zur Wasserstoffproduktion benötigt, also direkt wieder verbraucht.
Ein Aspekt sieht eine Abtrennungsanlage zur Abtrennung von Wasserstoff vor, die zwischen der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage und dem Gasspeicher angeordnet ist, sodass der Gasspeicher nur Wasserstoff speichert. Insofern wird mittels einerweiteren Teilanlage, nämlich der Abtrennungsanlage, der Wasserstoff von den restlichen Produktgasen der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage getrennt und dann im Gasspeicher gespeichert, sodass reiner Wasserstoff zur Verfügung steht. Bei der Abtrennungsanlage kann es sich um einen Filter handeln. Die weiteren Produktgase können ebenfalls abgetrennt bzw. gefiltert werden, sodass sie ebenfalls separat gespeichert werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Karbonisierungsanlage zur kontinuierlichen oder zur diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse vorgesehen, wobei der Karbonisierungsanlage als Ausgangsmaterial eine beliebige Biomasse zugeführt wird, die in einem Durchlaufverfahren einer kontinuierlichen oder in einem Batchverfahren einer diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung unterworfen wird, insbesondere wobei die bei der Karbonisierung freiwerdende Reaktionswärme zur Trocknung des entstehenden Kohle-Wasser-Slurry verwendet wird. Insofern ist ein regenerativer Betrieb möglich, bei dem eine beliebige Biomasse in einem vorgelagertem Anlagenteil in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren oder einem diskontinuierlichen Batchverfahren einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen wird. Je nach verwendetem Vergasungsreaktor kann die dabei entstehende Kohle mit der Reaktionswärme aus der hydrothermalen Karbonisierung vor der Vergasung getrocknet werden. Die Karbonisierungsanlage kann einen Karbonisierungsteil, einen an den Karbonisierungsteil anschließenden Trocknungsteil und einen Wärmetauscher umfassen, wobei der Wärmetauscher die beim Karbonisieren im Karbonisierungsteil freiwerdende Reaktionswärme zum Trocknungsteil leitet. Hierdurch ist eine energieeffiziente Karbonisierungsanlage geschaffen, da die beim Karbonisieren der Biomasse freiwerdende Reaktionswärme zur Trocknung der beim Karbonisieren entstehenden Kohle genutzt wird, sodass dem Kohlevergasungsreaktor getrocknete Kohle zugeführt werden kann. Grundsätzlich kann in der Karbonisierungsanlage beliebige Biomasse, sogar sehr feuchte wie Biomüll, ohne Vorbehandlung verwendet werden, um mittels hydrothermaler Karbonisierung den Kohle-Wasser-Slurry herzustellen, der auch als Braunkohle-Wasser-Slurry bzw. HTC-Kohle bezeichnet wird. Der Stromverbrauch hierbei ist minimal. Generell kann das Dampfkraftwerk als Wärmesenke dienen, sodass die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors gekühlt erhält. Die Reaktionsgase werden also aufgrund der abgeleiteten Wärme auf die Temperatur abgekühlt, die für die Wassergas-Shift-Reaktion benötigt wird. Da die Kühlung der Reaktionsgase bzw. das Ableiten der entstandenen Wärme genutzt wird, um das im Wasserkessel des Dampfkraftwerks vorhandene Wasser zu erwärmen und Dampf zu erzeugen, gibt sich ein entsprechend energieeffizientes System.
Bei dem Kohlevergasungsreaktor kann es sich um einen Koppers-Totzek- Reaktor handeln. Ein derartiger Kohlevergasungsreaktor arbeitet mit Feinkohle, der mit unterschiedlichen Arten von Kohle arbeiten kann.
Die Kohle kann vorab auf die benötigte Körnung zerkleinert werden. Je nach verwendetem Vergasungsreaktor, beispielsweise bei einem Koppers-Totzek- Reaktor, muss die Kohle in einem vorgelagertem Anlagenteil zu einer gewissen Körnigkeit zerkleinert werden. Die HTC-Kohle, also das aus der Karbonisierungsanlage erhaltene Kohle- Wasser-Slurry, muss vor der anschließenden Vergasung nicht zerkleinert werden, da sie in der Größe 8 bis 20 nm vorliegt, da ein Kopper-Totzek-Reaktor beispielsweise eine Körnung von kleiner als 0,1 mm benötigt.
Die Reaktionsgase der Vergasung können hauptsächlich Kohlenmonoxid umfassen, insbesondere wobei die Reaktionsgase unter anderem Wasserstoff umfassen. Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstehenden Produktgase mittels einer vorgelagerten Abtrennungsanlage zur Abtrennung von Wasserstoff prozessiert werden, sodass nur Wasserstoff dem Gasspeicher zugeführt wird. Beispielsweise wird die Kohle aus fossiler Kohle und/oder aus einer beliebigen Biomasse bereitgestellt. Die Kohle kann also vollständig aus fossiler Kohle, vollständig aus einer beliebigen Biomasse oder gar aus einer Mischung bereitgestellt werden. Sofern ein Anteil von Biomasse vorgesehen ist, so muss diese zuvor entsprechend karbonisiert werden. Die zerkleinerte Kohle, der aus Biomasse entstandene Braunkohle-Wasser- Slurry und/oder der getrocknete Braunkohle-Wasser-Slurry können bzw. kann generell in dem Kohlevergasungsreaktor mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff vergast werden.
Da das System ein Dampfkraftwerk umfasst, handelt es sich bei dem System um ein stationäres, immobiles bzw. ortsfestes System.
Generell erfolgt die Vergasung der Kohle im Kohlevergasungsreaktor durch Zugabe von Wasser und Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit, sodass die Kohle nur kurzzeitig einer Flamme im Kohlevergasungsreaktor ausgesetzt ist, also nicht vollständig verbrennt. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen System, bei dem im Vergasungs- prozess fast ausschließlich elementarer Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsteht, nämlich zu über 90%, beispielsweise 93%, entstehen bei der Plasmavergasung Atome und je nach Abkühlungsart verschiedene, auch giftige, Moleküle, unter anderem Schwermetalle, die gesondert gefiltert werden müssen, was das System entsprechend teurer gestaltet.
Bei den Plasmaverfahren wird der Biomüll als Biomasse zunächst unter hoher Energiezufuhr getrocknet und anschließend in atomare Elemente zerlegt. Diese können beim Abkühlen wieder giftige Verbindungen bilden, die dann bei der Verbrennung des Produktgases entweichen könnten. Um solche Verbindungen zu vermeiden, werden die heißen Gase sehr schnell aktiv abgekühlt, um die zur Entstehung von Verbindungen wie Furanen und Dioxinen notwendigen äußeren Bedingungen zu verhindern. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figurl einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Systems zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
In Figur 1 ist ein System 10 gezeigt, das Wasserstoff aus einer Biomasse erzeugen kann.
Das System 10 umfasst hierzu eine Biomassenzufuhr 12, über die einer Karbonisierungsanlage 14 die zu karbonisierende Biomasse zugeführt werden kann. Die Karbonisierungsanlage 14, die Teil des Systems 10 ist, dient zur kontinuierlichen oder zur diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung der Biomasse, um Kohle zu erzeugen.
Hierzu umfasst die Karbonisierungsanlage 14 einen Karbonisierungsteil 16, einen an den Karbonisierungsteil 16 anschließenden Trocknungsteil 18 und einen Wärmetauscher 20, der den Karbonisierungsteil 16 mit dem Trocknungsteil 18 koppelt.
Ferner umfasst das System 10 einen Kohlevergasungsreaktor 22, der mit der Karbonisierungsanlage 14 gekoppelt ist, um die Ausgangsprodukte der Karbonisierungsanlage 14 zu erhalten.
Der Kohlevergasungsreaktor 22 vergast die Kohle, also unter anderem die Ausgangsprodukte der Karbonisierungsanlage 14, wobei die Kohle unter Zugabe von Wasser und (Luft-)Sauerstoff unter anderem zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff vergast wird. Hierbei entsteht thermische Energie, die genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die thermische Energie von einem Dampfkraftwerk 24 genutzt, das thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor 22 gekoppelt ist, sodass Speisewasser eines Wasserkessels des Dampfkraftwerks 24 durch die bei der Vergasung entstehenden Wärme erwärmt wird. Des Weiteren umfasst das System 10 eine Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26, die mit dem Kohlevergasungsreaktor 22 gekoppelt ist, um die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors 22 zu erhalten, die aufgrund der thermischen Koppelung mit dem Dampfkraftwerk 24 gekühlt sind.
In der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 wird das als Reaktionsgas von dem Kohlevergasungsreaktor 22 erhaltende Kohlenmonoxid unter Zugabe von Wasser zu weiterem Wasserstoff umgewandelt.
An die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 schließt sich ein Gasspeicher 28 an, in dem zumindest eines der Produktgase der Wassergas-Shift- Reaktionsanlage 26 gespeichert werden kann.
Insbesondere kann es sich bei dem einen Produktionsgas um Wasserstoff handeln, weswegen eine Abtrennungsanlage 30 zur Abtrennung von Wasserstoff vorgesehen ist, die zwischen der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 und dem Gasspeicher 28 angeordnet ist, sodass der Gasspeicher 28 nur Wasserstoff speichert.
In der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist es somit möglich, Wasserstoff aus Biomasse zu erhalten und gleichzeitig Strom zu produzieren, wobei die Effizienz entsprechend hoch ist.
Wie bereits erläutert wird der Karbonisierungsanlage 14 über die Biomassenzufuhr 12 Biomasse zugeführt, die dann in dem Karbonisierungsteil 16 karbonisiert wird, also zur Kohle umgewandelt wird. Die Biomasse kann dabei anfänglich beheizt werden, um dann mittels einer exothermer Reaktion in einen Kohle-Wasser-Slurry umgewandelt zu werden, insbesondere einem Braunkohle-Wasser-Slurry.
Die dabei freiwerdende Wärme wird über den integrierten Wärmetauscher 20 der Karbonisierungsanlage 14 zum anschließenden Trocknungsteil 18 geleitet, der zur Trocknung des Kohle-Wasser-Slurry dient. Mit anderen Worten dient der Wärmetauscher 20 als Wärmekopplung, sodass der Trocknungsteil 18 die bei der exothermen Reaktion der Karbonisierung freigewordene Wärme zur Trocknung des Kohle-Wasser-Slurrys verwendet.
Der getrocknete Kohle-Wasser-Slurry wird dann dem Kohlevergasungsreaktor 22 zugeführt, wobei die Kohle zusammen mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff unter Energieabgabe unter anderem zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff vergast wird. Die Karbonisierungsanlage 14 ist lediglich optional, sofern Wasserstoff aus Biomasse gewonnen werden soll.
Es kann auch fossile Kohle dem Kohlevergasungsreaktor 22 direkt zugeführt werden, die dann unter Energieabgabe unter anderem zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff vergast wird.
Ferner kann eine Mischung aus Biomasse und fossiler Kohle dem Kohlevergasungsreaktor 22 zugeführt werden.
In jedem Fall wird der Kohlevergasungsreaktor 22 bei derart hohen Temperaturen betrieben, das fast ausschließlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff entsteht. Dies geschieht durch schnelle Oxidation bei hohen Temperaturen, bei der hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Reaktionsgase entstehen.
Bei dem Kohlevergasungsreaktor 22 kann es sich um einen Koppers-Totzek- Reaktor handeln, der zerkleinerte Kohle für die Vergasung benötigt, sodass eine Zerkleinerungsanlage vorgeschaltet sein kann, die die Kohle zerkleinert, insbesondere die fossile Kohle.
Das in der Karbonisierungsanlage 14 entstandene Kohle-Wasser-Slurry muss dagegen nicht noch weiter zerkleinert werden, da die Kohle bereits ausreichend zerkleinert ist.
Bei dem Kohlevergasungsreaktor 22 kann demnach die Kohle bei Temperaturen von 1600 bis 1800 °C in einer Flamme des Kohlevergasungsreaktors 22 vergast werden, wobei Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Generatorgas) erzeugt wird.
Das Kohlenmonoxid (Generatorgas) wird entsprechend durch unvollständige Verbrennung von Kohle mit Luft erzeugt, was beispielsweise bei einer Plasma- Verbrennung gerade nicht möglich ist, zumal noch ein Arbeitsgas verwendet werden muss.
Die Wärmeenergie der Reaktionsgase wird dem thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor 22 gekoppelten Dampfkraftwerk 24 zugeleitet bzw. von diesem entnommen, insbesondere dem Wasserkessel des Dampfkraftwerks 24. Das darin befindliche Speisewasser wird aufgrund der Wärme der Reaktionsgase erhitzt, sodass das Speisewasser verdampft. Der Dampf kann dann eine oder mehrere Turbine(n) des Dampfkraftwerks 24 zur Stromproduktion antreiben.
Die Erhitzung des Speisewassers mit den Reaktionsgasen des Kohlevergasungsreaktor 22 kühlt die Reaktionsgase entsprechend ab, insbesondere das Kohlenmonoxid als Reaktionsgas. Beispielsweise werden die Reaktionsgase auf Temperaturen unterhalb von 700°C abgekühlt.
Hierdurch ist sichergestellt, dass die Reaktionsgase, insbesondere das Kohlenmonoxid, direkt in der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 prozessiert werden können, also ohne zwischengeschaltete aktive Kühlung, wie dies sonst üblich ist.
Mit anderen Worten dient das mit dem Kohlevergasungsreaktor 22 thermisch gekoppelte Dampfkraftwerk 24 als Wärmesenke, sodass die Wassergas-Shift- Reaktionsanlage 26 die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors 22 gekühlt erhält. In der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 wird das Kohlenmonoxid, das neben Wasserstoff bei der Vergasung im Kohlevergasungsreaktor 22 als Reaktionsgas entstanden ist, zu weiterem Wasserstoff umgesetzt, sodass noch mehr Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden kann.
Der zusätzliche Wasserstoff wird dann über die Abtrennungsanlage 30 zur Abtrennung abgetrennt, sodass der Gasspeicher 28 nur Wasserstoff erhält.
Insbesondere kann zuvor der Wasserstoff, der als Reaktionsgas im Kohlevergasungsreaktor 22 entstanden ist, ebenfalls zuvor abgetrennt worden sein, insbesondere vor der Weiterleitung der Reaktionsgase an die Wassergas- Shift-Reaktionsanlage 26, wobei der abgezweigte Wasserstoff mit dem zusätzlichen Wasserstoff zusammengeführt wird.
Anschließend werden der abgezweigte Wasserstoff zusammen mit dem zusätzlichen Wasserstoff im Gasspeicher 28 gespeichert.
Dem Gasspeicher 28 kann eine Kompressionsanlage vorgeschaltet sein, um das zu speichernde Gas zu komprimieren. Grundsätzlich kann das System 10 aus der Kohle, die insbesondere aus Biomasse bereitgestellt wird, fast ausschließlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugen, nämlich zu über 90%. Die dabei entstehende Asche fällt flüssig im Reaktorboden an und wird in einem Wasserbad granuliert. Vereinfacht dargestellt erfolgt im Kohlevergasungsreaktor 22 folgende Reaktion C6H2O + 5 H2O = 6 CO + 6 h .Das so gewonnene Kohlenmonoxid wird dann in der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage 26 einer Wassergas-Shift-Reaktion unterzogen, die sich wie folgt darstellen lässt 6 CO + 6 H2O = 6 CO2 + 6 H2. Hieraus wird deutlich, dass aus dem Kohlenmonoxid weiterer Wasserstoff gewonnen werden kann.
Es entstehen somit pro Kohlenstoffatom der HTC-Kohle zwei Moleküle Wasserstoff (H2).
Gerade die Kombination beider Verfahren (Vergasung und Wassergas-Shift- Reaktion) ermöglicht eine beinahe Verdopplung des produzierten Wasserstoffs gegenüber der reinen Vergasung oder der Plasmavergasung.
Zudem ist das gesamte Verfahren sehr energieeffizient, sodass zusätzlich noch Strom produziert werden kann, wohingegen bei Systemen mit Plasmavergasung keine überschüssige Energie anfällt, sofern der Wasserstoff gespeichert werden soll.

Claims

Patentansprüche
1 . System (10) zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff, umfassend: einen Kohlevergasungsreaktor (22) zur Vergasung der Kohle, ein Dampfkraftwerk (24) zur Stromproduktion, das thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor (22) gekoppelt ist, eine Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26), die mit dem Kohlevergasungsreaktor (22) verbunden ist, um die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors (22) zu erhalten, und einen Gasspeicher (28), wobei der Gasspeicher (28) mit der Wassergas- Shift-Reaktionsanlage (26) verbunden ist, um wenigstens eines der Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26) zu speichern.
2. System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtrennungsanlage (30) zur Abtrennung von Wasserstoff vorgesehen ist, die zwischen der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26) und dem Gasspeicher (28) angeordnet ist, sodass der Gasspeicher (28) nur Wasserstoff speichert.
3. System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Karbonisierungsanlage (14) zur kontinuierlichen oder zur diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse umfasst, um Kohle zu erzeugen.
4. System (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonisierungsanlage (14) einen Karbonisierungsteil (16), einen an den Karbonisierungsteil (16) anschließenden Trocknungsteil (18) und einen Wärmetauscher (20) umfasst, wobei der Wärmetauscher (20) die beim Karbonisieren im Karbonisierungsteil (16) freiwerdende Reaktionswärme zum Trocknungsteil (18) leitet.
5. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampfkraftwerk (24) als Wärmesenke dient, sodass die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26) die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors (22) gekühlt erhält.
6. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlevergasungsreaktor (22) ein Koppers-Totzek- Reaktor ist.
7. Verfahren zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff, mit einem System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden
Schritten:
Vergasen der Kohle im Kohlevergasungsreaktor (22) mit Wasser und (Luft- Sauerstoff,
Ableiten der beim Vergasen entstehenden Reaktionswärme, um einen Wasserkessel des Dampfkraftwerks (24) zu erhitzen, wobei die beim
Vergasen entstehenden Reaktionsgase abgekühlt werden,
Produzieren von Strom im Dampfkraftwerk (24),
Weiterleiten der bei der Vergasung entstehenden Reaktionsgase an die Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26), - Durchführen einer Wassergas-Shift-Reaktion in der Wassergas-Shift-
Reaktionsanlage (26), indem der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage (26) neben der bei der Vergasung entstehenden Reaktionsgase zusätzlich Wasser zugeführt wird,
Weiterleiten der bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstehenden Produktgase, und
Speichern wenigstens eines der Produktgase in dem Gasspeicher (28).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle vorab auf die benötigte Körnung zerkleinert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsgase der Vergasung hauptsächlich Kohlenmonoxid umfassen, insbesondere wobei die Reaktionsgase unter anderem Wasserstoff umfassen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstehenden Produktgase mittels einer vorgelagerten Abtrennungsanlage (30) zur Abtrennung von Wasserstoff prozessiert werden, sodass nur Wasserstoff dem Gasspeicher (28) zugeführt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle aus fossiler Kohle bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle aus einer beliebigen Biomasse bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Karbonisierungsanlage (14) zur kontinuierlichen oder zur diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse umfasst, wobei der Karbonisierungsanlage (14) als Ausgangsmaterial eine beliebige Biomasse zugeführt wird, die in einem Durchlaufverfahren einer kontinuierlichen oder in einem Batchverfahren einer diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung unterworfen wird, insbesondere wobei die bei der Karbonisierung freiwerdende Reaktionswärme zur Trocknung des entstehenden Kohle-Wasser-Slurry verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der entstandene Kohle-Wasser-Slurry oder der getrocknete Kohle-Wasser-Slurry dem Kohlevergasungsreaktor (22) zugeführt wird.
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