EP4326924A1 - Prozess für eine effiziente speicherung und bereitstellung von energie - Google Patents

Prozess für eine effiziente speicherung und bereitstellung von energie

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EP4326924A1
EP4326924A1 EP22729465.9A EP22729465A EP4326924A1 EP 4326924 A1 EP4326924 A1 EP 4326924A1 EP 22729465 A EP22729465 A EP 22729465A EP 4326924 A1 EP4326924 A1 EP 4326924A1
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EP
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heat
hydrogen
water
ely
ccpp
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EP22729465.9A
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Inventor
Christian HÜTTL
Peter Rop
Jochen SCHÄFER
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks
    • H02J15/50—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks using stored hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
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    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H02J2101/30—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a combined heat and power process in which electricity can be both absorbed and given off.
  • the invention relates to a method for the efficient and resource-saving implementation and provision of electrical and/or thermal as well as electrical energy with the features of claim 1.
  • devices for converting electrical energy are required, be it for intermediate storage, whether in the short term in the seconds range or in the long term in the range of days, or be it for the conversion of frequency and phase.
  • devices for converting electrical energy are required, be it for intermediate storage, whether in the short term in the seconds range or in the long term in the range of days, or be it for the conversion of frequency and phase.
  • the invention is based on the problem of specifying a method for converting electrical energy that has a high efficiency according to possi probability, including both electrical as well as caloric energies with a possibly low demand for fresh water.
  • the condensation heat from the exhaust gas (e.g. the gas turbine or the cathode of a PEM fuel cell) is used as a heat source for a Heat pump used to provide heat with a useful temperature, for example in a (district) heating system, as process heat.
  • the condensation of the water from the exhaust gas results in water recovery, with the water being stored, treated if necessary and/or mixed with fresh water and used again as an electrolyser feed.
  • the heat pump uses additional heat sources.
  • the cooling medium in particular cooling water, and the heat of the product flow from the electrolyzer can be used.
  • the cooling water of the combined heat and power plant CHP (for: Combined Heat and Power) can be used (directly in addition to the heat of condensation).
  • a small part of the water from the circuit can be replaced with fresh water in order to avoid an increase in the concentration of impurities in the system.
  • the energy supply device shown in FIG. 1 can store supplied electrical energy IP (for: input power) as hydrogen H (for: hydrogen) and convert combustible gas H, NG to electrical energy, possibly at a later point in time.
  • supplied electrical energy IP is stored chemically bound in the form of hydrogen H on the one hand and chemically bound energy such as hydrogen H or natural gas NG (for: natural gas) on the other in an implementation stage CHP, CCPP , FC in useful energy, especially electrical power OP (for: output power) implemented.
  • the chemically bound energy can be implemented by a combined heat and power plant CHP (for: Combined Heat and Power), a combined cycle power plant, gas and steam turbine power plant GuD (for: gas and steam power plant), CCPP (for: combined cycle power plant) to which hydrogen H, natural gas NG or a mixture of both is supplied as chemically bound energy on the outlet side.
  • CHP combined Heat and Power
  • gas and steam turbine power plant GuD for: gas and steam power plant
  • CCPP for: combined cycle power plant
  • the chemically bound energy can also be converted by a fuel cell FC (for: fuel cell), which is fed with hydrogen H.
  • FC for: fuel cell
  • hydrogen H is obtained from the natural gas NG in a (not shown) upstream stage, such as reforming, in particular steam reforming, which is fed to the fuel cell on the input side.
  • the fuel cell may be given by a PEM fuel cell, which can also be referred to as a proton exchange membrane fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, or proton exchange membrane fuel cell, and which operates as a low-temperature fuel cell at around 80 degrees Celsius.
  • PEM fuel cell which can also be referred to as a proton exchange membrane fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, or proton exchange membrane fuel cell, and which operates as a low-temperature fuel cell at around 80 degrees Celsius.
  • An electrolyzer ELY converts supplied electrical current IP (for: input power) using water W (for: water) into hydrogen H, which is either directly or preferably with temporary storage in a hydrogen storage device HS (for: hydrogen storage) of the conversion stage CHP , CCPP, FC is supplied.
  • the hydrogen may be stored in the hydrogen storage device HS in gaseous form, optionally under a pressure of several hundred bar, in liquid form, optionally by cooling below the liquefaction temperature, or chemically bound in a metal hydride.
  • the water W supplied to the electrolyser ELY is previously brought to the quality requirement required for the electrolyser in a water treatment stage WT (for: water treatment).
  • the conversion stage CHP, CCPP, FC emits off-gas EG (for: exhaust gas), which has a temperature above ambient temperature and above the dew point, as well as water in vapor form contains.
  • the exhaust gas EG is cooled by means of an exhaust gas heat exchanger EGHE (exhaust gas heat exchange) below the condensation temperature of the exhaust gas EG (below the dew point). Cooling in the exhaust gas heat exchanger EGHE takes place by supplying heat to the cold heat input of a heat pump HP (for: heat pump), which feeds a process heat exchanger PHE (for: process heat exchange) on its hot output side.
  • the heat given off by the heat exchanger PHE is available as useful heat or process heat HC (for: heat consumer) for universal use.
  • the heat pump HP may be given by a design based on the compressor principle, on the absorber principle or on the Peltier principle.
  • the water falling out of the cooled exhaust gas EG is separated as condensate C (for: condensate) and fed to a water reservoir WS (for: water storage), with vapors PS (for: purge stream) being separated.
  • the condensate C buffered in the water reservoir WS feeds the water treatment stage WT.
  • the water treatment stage WT fresh water FW (for: fresh water) supplied.
  • a portion of the water can be removed from the cycle, cyclically or continuously, and replaced with fresh water FW.
  • the device according to the invention for converting electrical energy can be used for temporary storage, whether in the short term in the customer range in seconds or in the long term in the range of days.
  • the inventive device for converting electrical energy can - without intermediate storage of hydrogen produced in the electrolyzer Ely being required - for loose coupling with galvanic isolation of two different electrical power systems, such as, for example
  • Power systems of different frequencies, power systems of different phases, power systems of different voltages, AC/AC, DC/AC, AC/DC, 50Hz/60Hz, 60Hz/50Hz, DC/DC, can be used.

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Abstract

Die Erfindung schafft ein System zur effizienten Umsetzung und Bereitstellung von elektrischer Energie, bei dem zugeführter elektrischer Strom IP in einem Elektrolyseur ELY in Wasserstoff H umgestzt und gegebenenfalls in einem Wasserstoffspeicher HS zwischengespeichert wird. Der Wasserstoff H wird in einer Umsetzungsstufe CHP, CCPP, FC in elektrischen Strom OP umgestzt, wobei Abgas EG, das Wasser in Dampfform enthält, abgegeben wird. Das Abgas EG wird mittels einer Wärmepumpe HP abgekühlt, wobei Kondensat C gewonnen wird, das dem Elektrolyseur ELY als Speisewasser zugeführt wird. Die Erfindung bewirkt eine Entkoppelung von zugeführtem elektrischen Strom IP und erzeugtem elektrischen Strom OP, wobei unter Nutzung der von der Wärmepumpe HP bereitgestellten Prozesswärme HC ein hoher Wirkungsgrad bei einem geringen Bedarf an Frischwasser FW für den Elektrolyseur ELY erzielt wird.

Description

Beschreibung
Prozess für eine effiziente Speicherung und Bereitstellung von Energie
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraft-Wärme- Kopplungsprozess, wobei Strom sowohl aufgenommen als auch ab gegeben werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten und res sourcenschonenden Umsetzung und Bereitstellung von elektri scher und/oder thermischer ebenso wie elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Transformation der elektrischen Energieversorgung unter zunehmender Einbindung von erneuerbaren Energien mit ihrem fluktuierenden Angebot stellt die jederzeitige Ausbalancie rung von Angebot und Nachfage elektrischer Energie vor beson dere Herausforderungen.
Hierzu werden Einrichtungen zur Umsetzung elektrischer Ener gie, sei es zur Zwischenspeicherung, ob kurzfristig im Sekun denbereich oder langfristig im Bereich von Tagen, oder sei es zur Umsetzung von Frequenz und Phase, benötigt. Für diese An wendungen ist es wichtig, dass die Einrichtungen in hohem Ma ße effizient arbeiten.
Es ist bekannt, Wasserstoff mittels Elektrolyse unter Einsatz von Elektrizität und Wasser zu erzeugen und dann auch zu speichern. Es ist weiter bekannt, Wasserstoff durch Verbren nung, beispielsweise mittels einer Gasturbine, einer Hubkol benmaschine, eines Turbosatzes oder einer Brennstoffzelle, in elektrische Energie umzusetzen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Umsetzung elektrischer Energie anzugeben, das einen nach Mög lichkeit hohen Wirkungsgrad unter Einbeziehung sowohl elektrischer als auch calorischer Energien bei einem nach Möglichkeit niedrigen Bedarf an Frischwasser aufweist.
Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Energie-Entnahme aus dem erfindungsgemäßen Energie- Umsetzer wird nach einer Umwandlung von Brenngas, insbesonde re Wasserstoff, und Sauerstoff zu Wasser die Kondensations wärme aus dem Abgas (zum Beispiel der Gasturbine oder der Ka thode einer PEM-Brennstoffzelle) als Wärmequelle für eine Wärmepumpe genutzt, um Wärme mit einer Nutztemperatur zum Beispiel in einem (Fern-)Heizsystem, als Prozesswärme bereit zustellen.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Wärmepumpe und Nut zung der zur Verfügung gestellten Prozeßwärme wird eine sig nifikante Erhöhung der Ausnutzung des Brennstoffes erzielt, wobei als mögliches Potential die Differenz zwischen dem hö heren Brennwert 142 kJ/kg zum niedrigeren Brennwert 120 kJ/kg, entsprechend einer Effizienzsteigerung um 18,3 Prozent gegeben ist.
Die Kondensation des Wassers aus dem Abgas bringt eine Was serrückgewinnung, wobei das Wasser gespeichert, gegebenen falls aufbereitet und / oder mit Frischwasser gemischt und wieder als Elektrolyseur-Einspeisung verwendet wird.
Durch die erfindungsgemäße Rückführung von Kondensat aus dem Abgas als Speisewasser für den Elektrolyseur wird eine signi fikante Abnahme an Frischwasserbedarf (> 90Prozent) erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.
In Weiterbildung der Erfindung nutzt die Wärmepumpe zusätzli che Wärmequellen. Bei Aufladung des erfindungsgemäßen Energiespeichers kann das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, und die Wärme des Pro duktflusses aus dem Elektrolyeur genutzt werden.
Bei Entladung des erfindungsgemäßen Energiespeichers kann (unmittelbar neben der Kondensationwärme) das Kühlwasser der Kraft-Wärme-Koppelungsanlage CHP (für: Combined Heat and Power) genutzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann ein kleiner Teil des Was sers aus dem Kreislauf durch Frischwasser ersetzt werden, um eine Erhöhung der Konzentration von Verunreinigungen im Sys tem zu vermeiden.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig eine das erfindungsgemäße Verfahren realisierende Ener giebereitstellungseinrichtung
Die in Figur gezeigte Energiebereitstellungseinrichtung ver mag zugeführte elektrische Energie IP (für: input power) als Wasserstoff H (für: hydrogen) zu speichern und Brenngas H, NG zu elektrischer Energie, gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt, umzusetzen. In der Energiebereitstellungseinrich tung wird zum Einen zugeführte elektrische Energie IP che misch gebunden in Form von Wasserstoff H gespeichert und zum Anderen chemisch gebundene Energie, wie zum Beispiel Wasser stoff H oder Erdgas NG (für: natural gas), in einer Umset zungsstufe CHP, CCPP, FC in Nutzenergie, insbesondere elektrischer Strom OP (für: output power), umgesetzt. Die Um setzung der chemisch gebundenen Energie mag durch eine Kraft- Wärme-Koppelungsanlage CHP (für: Combined Heat and Power), ein Kombikraftwerk, Gas und Dampfturbinenkraftwerk GuD (für: Gas- und Dampfkraftwerk), CCPP (für: combined cycle power plant) erfolgen, denen als chemisch gebundene Energie ein gangsseitig Wasserstoff H, Erdgas NG oder eine Mischung aus beiden zugeführt wird. Die Umsetzung der chemisch gebundenen Energie kann auch durch eine Brennstoffzelle FC (für: fuel cell) erfolgen, die mit Wasserstoff H gespeist wird. Ist als chemisch gebundene Energie Erdgas NG gegeben, wird in einer (nicht dargestellten) vorgeschalteten Stufe, wie zum Beispiel einer Reformierung, insbesondere Dampfreformierung, aus dem Erdgas NG Wasserstoff H gewonnen, der der Brennstoffzelle eingangsseitig zugeführt wird. Die Brennstoffzelle mag durch eine PEM-Brennstoffzelle gegeben sein, die auch als Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Polymerelektrolytbrennstoffzel le, oder Protonenaustauschmembran- Brennstoffzelle bezeichnet werden kann, und die als Niedertemperatur-Brennstoffzelle bei etwa 80 Grad Celsius arbeitet.
Ein Elektrolyseur ELY setzt zugeführten elektrischen Strom IP (für: Input Power) unter Verbrauch von Wasser W (für: water) in Wasserstoff H um, der entweder direkt oder bevorzugt unter zeitlicher Zwischenspeicherung in einem WasserstoffSpeicher HS (für: hydrogen storage) der Umsetzungsstufe CHP, CCPP, FC zugeführt wird.
Der Wasserstoff mag in dem WasserstoffSpeicher HS gasförmig, gegebenenfalls unter einem Druck von mehreren Hundert bar, flüssig, gegebenenfalls durch Kühlung unter die Verflüssi gungtemperatur, oder chemisch gebunden in einem Metallhydrid gespeichert sein.
Das dem Elektrolyseur ELY zugeführte Wasser W wird zuvor in einer Wasser- Aufbereitungsstufe WT (für: water treatment) auf die für den Elektrolyseur erforderliche Qualitätsanforde rung gebracht.
Die Umsetzungsstufe CHP, CCPP, FC gibt Abgas EG (für: exhaust gas) ab, das eine Temperatur oberhalb Umgebungstemperatur und oberhalb des Taupunkts aufweist sowie Wasser in Dampfform enthält. Das Abgas EG wird mittels eines Abgaswärmetauschers EGHE (für: exhaust gas heat exchange) unterhalb der Kondensa tionstemperatur des Abgases EG (unterhalb des Taupunkts) ab gekühlt. Die Abkühlung in dem Abgaswärmetauscher EGHE erfolgt durch Wärmezufuhr in den kalten Wärme-Eingang einer Wärmepum pe HP (für: heat pump), die auf ihrer heißen Ausgangsseite einen Prozess-Wärmetauscher PHE (für: process heat exchange) speist. Die von dem Wärmetauscher PHE abgegebene Wärme steht als Nutzwärme oder Prozeßwärme HC (für: heat consumer) zum universellen Einsatz zur Verfügung. Die Wärmepumpe HP mag durch eine Bauart nach dem Kompressor-Prinzip, nach dem Ab sorber-Prinzip oder nach dem Peltier-Prinzip gegeben sein.
In dem Abgaswärmetauscher EGHE wird das aus dem abgekühlten Abgas EG ausfallende Wasser als Kondensat C (für: condensate) abgeschieden und einem Wasserspeicher WS (für: water storage) zugeführt, wobei Brüden PS (für: purge stream) abgeschieden werden.
Das in dem Wasserspeicher WS gepufferte Kondensat C speist die Wasser-Aufbereitungsstufe WT. Zur Kompensation von Ver lustmengen an Wasser bei der Kreislaufführung über den Elekt rolyseur ELY, die Umsetzungsstufe (CHP, CCPP, FC), das Abgas EG und die Kondensatabscheidung in dem Abgaswärmetauscher EGHE wird der Wasser- Aufbereitungsstufe WT Frischwasser FW (für: fresh water) zugeführt.
Zur Vermeidung einer Erhöhung der Konzentration von Verunrei nigungen im Wasserkreislauf-System kann, zyklisch oder konti nuierlich, eine Teilmenge des Wassers aus dem Kreislauf ent fernt und durch Frischwasser FW ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umsetzung elektrischer Energie kann zur Zwischenspeicherung, ob kurzfristig im Se kundenbereich oder langfristig im Bereich von Tagen verwendet werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umsetzung elektrischer Energie kann - ohne dass eine Zwischenspeicherung von in dem Elektrolyseur Ely erzeugtem Wasserstoff erforderlich ist - zur losen Koppelung unter galvanischer Trennung zweier ver- schiedener elektrischer Stromsysteme, wie zum Beispiel
Stromsysteme unterschiedlicher Frequenz, Stromsysteme unter schiedlicher Phase, Stromsysteme unterschiedlicher Spannun gen, AC/AC, DC/AC, AC/DC, 50Hz/60Hz, 60Hz/50Hz, DC/DC, ver wendet werden.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken an hand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
Bezugszeichenliste
AC Wechselstrom
C Kondensat
CCPP Kombikraftwerk
CHP Kraft-Wärme-Koppelungsanlage
DC Gleichstrom
EG Abgas
EGHE Abgaswärmetauseher
ELY Elektrolyseur
FC Brennstoffzelle
FW Frischwasser
GuD Gas- und Dampfkraftwerk
H Wasserstoff
H, NG Brenngas
HC Nutzwärme, Prozesswärme
HS WasserstoffSpeicher
Hz Frequenz
IP zugeführte elektrische Energie
NG Erdgas
OP erzeugte elektrische Energie
PHE Prozess-Wärmetauscher
PS Brüden
WS Wasserspeieher

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur effizienten Umsetzung und Bereitstellung von, inbesondere elektrischer, Energie, demzufolge
- Brenngas (H, NG) in einer Umsetzungsstufe (CHP, CCPP,
FC) in elektrische Energie (OP) umgesetzt wird,
- das von der Umsetzungsstufe (CHP, CCPP, FC) abgegebene Abgas (EG) in einem Abgaswärmetauscher (EGHE) abgekühlt wird und in dem Abgas (EG) enthaltener Wasserdampf zu Kondensat (C) auskondensiert wird,
- ein Elektrolyseur (ELY) unter Zuführung von elektrischer Energie (IP) und zumindest überwiegender Zuführung des Kondensats (C) Wasserstoff (H) erzeugt,
- der Wasserstoff (H) der Umsetzungsstufe (CHP, CCPP, FC) als Brenngas zugeführt wird,
- der Abgaswärmetauscher (EGHE) durch eine Wärmepumpe (HP) gekühlt wird,
- die Wärmepumpe (HP) die im Abgaswärmetauscher (EGHE) aufgenommene Wärmemenge auf einem erhöhten Temperaturni veau als Nutzwärme (HC) abgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H) in einem WasserstoffSpeicher (HS) zwischengespeichert wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Elektrolyseurs (ELY) dem kalten Wärme-Eingang der Wärmepumpe (HP) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme des aus dem Elektroly seur (ELY) abfließenden Wasserstoffs (H) dem kalten Wärme- Eingang der Wärmepumpe (HP) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Umsetzungsstufe (CHP, CCPP, FC) dem kalten Wärme-Eingang der Wärmepumpe (HP) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dem Elektrolyseur (ELY) zu geführte Kondensat (C) eine Wasser- Aufbereitungsstufe (WT) durchläuft.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustmenge von im Kreis lauf geführten Wassers (W) durch Frischwasser (FW) ergänzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des im Kreislauf geführten Wassers (W) durch Frischwasser (FW) kontinuierlich ersetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des im Kreislauf geführten Wassers (W) durch Frischwasser (FW) zyklisch er setzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungsstufe durch ein Kombikraftwerk (CCPP) gegeben ist.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungsstufe durch eine Kraft-Wärme-Koppelungsanlage (CHP) gegeben ist.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungsstufe durch eine Brennstoffzelle (FC) gegeben ist.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzungsstufe als Brenngas Erdgas (NG) zugeführt wird.
EP22729465.9A 2021-06-08 2022-05-12 Prozess für eine effiziente speicherung und bereitstellung von energie Pending EP4326924A1 (de)

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