NL1029758C2 - Systeem en werkwijze voor integratie van duurzame energie en brandstofcel voor het produceren van elektriciteit en waterstof. - Google Patents

Description

i

Systeem en werkwijze voor integratie van duurzame energie en brandstofcel voor het produceren van elektriciteit en waterstof

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze voor integratie van duurzame energie en brandstofcel voor het produceren van elektriciteit en waterstof.

Het is in de techniek algemeen bekend om elektriciteit te produceren met behulp van fluctuerende energiebronnen, bijvoorbeeld maar niet uitsluitend duurzame energiebronnen zoals windenergie en zonne-energie. Een bekend voor-5 beeld van een dergelijk systeem gebruikt windturbines. Windturbines worden, veelal in grote aantallen, bij elkaar gezet waar zij een bijdrage kunnen leveren aan het elektriciteitsnet .

Het is duidelijk dat de geproduceerde elektriciteit 10 sterk afhankelijk is van de hoeveelheid wind. Op momenten van geen of weinig wind zal er geen bijdrage aan het elektriciteitsnet kunnen worden geleverd. Op momenten dat het hard waait is het daarentegen zelfs mogelijk dat de hoeveelheid energie niet aan het elektriciteitsnet kan worden afgegeven, 15 omdat de opnamecapaciteit van het elektriciteitsnet beperkt is.

Op dergelijke momenten van grote elektriciteitsproductie door windturbines wordt in sommige gevallen het overschot aan elektriciteit gebruikt voor de productie van water-20 stof. De elektriciteit wordt daarvoor toegepast voor de elektrolyse van water. De zuurstof die daarbij vrijkomt wordt veelal geventileerd naar de lucht. De geproduceerde waterstof wordt opgeslagen in tanks, waarbij het zal worden aangeboden voor de verkoop of in een brandstofcel wordt omgezet in elek-25 triciteit in tijden van weinig wind.

Dit bekende systeem heeft nadelen. De totale kosten die moeten worden gemaakt voor de productie van de waterstof zijn zeer hoog. Het zal in de praktijk namelijk summier voorkomen dat de hoeveelheid wind zodanig is dat een overschot 1029758 * 2 aan elektriciteit voor de productie van waterstof moet worden toegepast. Echter, de technische uitrusting dient er wel voor aanwezig te zijn.

Een ander nadeel bestaat uit het feit dat deze be-5 kende systemen niet zodanig zijn uitgevoerd dat de maximale hoeveelheid elektriciteit die in het systeem geproduceerd wordt, kan worden toegevoerd aan het elektriciteitsnet.

Ook duurzame elektriciteit die wordt opgewekt met behulp van fotovoltaïsche cellen heeft als eigenschap dat er 10 geen continue productie plaatsvindt en lijdt derhalve aan de hiervoor genoemde nadelen.

De uitvinding heeft nu tot doel een verbeterd systeem te verschaffen.

Met name heeft de uitvinding tot doel een systeem te 15 verschaffen waarbij, in hoofdzaak onafhankelijk van de door de fluctuerende energie-bron geleverde elektriciteit, bijvoorbeeld onafhankelijk van de hoeveelheid wind of zon, een constante elektriciteitsproductie mogelijk is of die eenvoudig kan worden geregeld om aan de vraag naar elektriciteit te 20 voldoen.

Met name heeft de uitvinding tot doel een systeem te verschaffen waarmee het te allen tijde mogelijk is om de hoeveelheid elektriciteit die aan het elektriciteitsnet wordt afgegeven, kan worden geregeld.

25 Tevens heeft de uitvinding tot doel een systeem te verschaffen waarbij, zelfs tijdens windstilte of 's nachts, elektriciteit kan worden geproduceerd.

Ter verkrijging van ten minste één van de hiervoor genoemde doelen verschaft de uitvinding een systeem als in de 30 aanhef genoemd, dat wordt gekenmerkt door de maatregelen van conclusie 1.

Door middel van dit systeem volgens de uitvinding, kan te allen tijde een vooraf te bepalen hoeveelheid elektriciteit worden geproduceerd.

35 Andere voordelen van de uitvinding zullen na het le zen van de hierna volgende beschrijving door het systeem volgens de uitvinding alsmede door verschillende uitvoeringsvormen duidelijk worden.

1029758 3

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorin van de uitvinding produceert de brandstofcel behalve elektriciteit ook waterstof. Daarbij kan de brandstofcel op voordelige wijze een waterstofproductafvoer omvatten die al dan niet rechtstreeks 5 is verbonden met een gasleiding voor het toevoeren van de geproduceerde waterstof aan een brandstof gasleiding, bij voorkeur een aardgasleiding. Vanwege de gecombineerde productie van elektriciteit en waterstof wordt zodoende enerzijds elektriciteit toegevoerd aan het elektriciteitsnet, terwijl an-10 derzijds waterstof kan worden toegevoerd aan een gasleiding. Zulks is met name zeer geschikt wanneer als brandstof voor de brandstofcel gas, bijvoorbeeld aardgas, wordt gebruikt. De in de brandstofcel geproduceerde waterstof kan dan worden teruggevoerd naar de aardgasleiding. Het totale rendement van het 15 systeem wordt daardoor sterk verhoogd.

Met de term "al dan niet rechtstreeks" wordt bedoeld dat de geproduceerde waterstof rechtstreeks vanuit de brandstofcel naar de brandstof gasleiding kan worden gevoerd of dat dit gas eventueel een voorbehandeling ondergaat. Een der-20 gelijke voorbehandeling is het verwijderen van resterende gassen die niet in een brandstof gasleiding mogen worden gevoerd .

Indien lucht als zuurstof.toevoer aan de brandstofcel wordt toegevoerd, zal de zuurstof in hoofdzaak voor de ver-25 branding van de brandstof in de brandstofcel worden gebruikt. Het resterende gas, in hoofdzaak stikstof, kan eventueel aan de gasleiding worden toegevoerd teneinde de energie-inhoud van het gas op een gewenste waarde te brengen. Ook kan deze gasstroom, die hoofdzakelijk uit stikstof bestaat, eventueel 30 worden behandeld om deze geschikt te maken voor toevoer aan een brandstofgasleiding, bijvoorbeeld een aardgasleiding. Een dergelijke behandeling kan bijvoorbeeld bestaan uit het verwijderen van zuurstof daaruit. Zoals hiervoor genoemd, heeft het met name de voorkeur dat een organisch gas, bijvoorbeeld 35 en bij voorkeur CH4 (methaan, aardgas) als brandstof voor de brandstofcel wordt gebruikt. Methaan kan namelijk eenvoudig door een interne reforming brandstofcel worden omgezet in o.a. waterstof. Andere productgassen zijn in hoofdzaak CO2 en 1 073758_ 4 CO. CO kan, door een zogenoemde shiftreactie met stoom (H2O) volgens bekende technieken worden omgezet in waterstof en C02. Daardoor wordt de totale productie aan waterstof verder verhoogd.

5 Voorts wordt er de voorkeur aan gegeven dat het sys teem volgens de uitvinding de toevoer van warmte uit de brandstofcel naar een warmteverlangend systeem omvat. De in de brandstofcel geproduceerde warmte kan dan uit de brandstofcel worden afgevoerd en naar het warmteverlangende sys-10 teem worden toegevoerd. Een dergelijk warmteverlangend systeem kan bijvoorbeeld de omgeving zijn. Echter, het is evenzeer mogelijk de in de brandstofcel geproduceerde warmte gericht toe te passen, bijvoorbeeld wanneer de brandstofcel wordt geplaatst in de nabijheid van een aardgasmengstation.

15 Het gewonnen aardgas heeft in de regel een druk die zeer veel hoger is. dan de druk in een aardgastransportleiding. Aangezien bij het expanderen van de gewonnen aardgas tot de in de aardgas transportleiding heersende druk, dit aardgas sterk afkoelt, is het voordelig om de in de brandstofcel geprodu-20 ceerde warmte voor het verwarmen van het te expanderen aardgas toe te passen. De totale energiebenutting van het systeem wordt daardoor sterk verhoogd. Met name heeft het de voorkeur dat de in de brandstofcel geproduceerde stikstofstroom aan de te expanderen aardgasstroom wordt toegevoerd, waardoor zowel 25 de verbrandingswaarde als de temperatuur van de aardgasstroom op gewenste wijze kunnen worden aangepast.

Hoewel hiervoor in hoofdzaak is verwezen naar toepassing van het systeem bij gebruik van windenergie, is het systeem op gelijke wijze geschikt toe te passen bij zonne-30 energie, hydro-energie zoals golfenergie, biomassa-energie, geo-energie en andere fluctuerende energie-bronnen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het produceren van elektriciteit waarbij een duurzame energiebron wordt gebruikt. Daartoe omvat de werkwijze 35 de maatregelen zoals genoemd in conclusie 8.

Door toepassing van deze werkwijze kunnen de doelen worden behaald zoals hiervoor beschreven, onder verwijzing naar het systeem volgens de uitvinding.

1 Ü Z 9 Ί 0 Ö 5

Het heeft in het bijzonder de voorkeur wanneer de totale productie door de duurzame energiebron en de brandstofcel in hoofdzaak gelijk is aan de vooraf bepaalde waarde. Daardoor kan een zeer nauwkeurige elektriciteitsproductie 5 worden verschaft die is aangepast aan de elektriciteitsvraag en/of die economisch is geoptimaliseerd.

Het heeft in het bijzonder de voorkeur wanneer het systeem volgens de uitvinding wordt toegepast bij de werkwijze zoals hiervoor genoemd. Dit verschaft de gecombineerde 10 voordelen van de beide aspecten van de uitvinding.

Het heeft binnen het kader van de uitvinding de voorkeur dat de vooraf te bepalen waarde variabel is. Bijvoorbeeld kan op deze wijze bij een hoge elektriciteitsvraag de vooraf te bepalen waarde op een hogere waarde worden ge-15 steld dan bij een lagere elektriciteitsvraag. Echter, wanneer een constante behoefte aan elektriciteit bestaat, is het ook mogelijk om bij windstil weer aan de elektriciteitsvraag te voldoen. Afhankelijk van het aantal brandstofcellen dat wordt toegepast en het soort bedrijf van de brandstofcellen is het 20 mogelijk om de gehele elektriciteitsproductie, dan wel een nader te kiezen maximaal of minimaal gedeelte ervan, door de brandstofcellen te verzorgen. Bij het bedrijven van een brandstofcel bestaat de mogelijkheid om bijvoorbeeld te kiezen tussen een bedrijf waarbij een hoge elektriciteitsproduc-25 tie wordt verkregen en een lage waterstofproductie, of juist een bedrijf waarbij weinig elektriciteit en veel waterstof wordt geproduceerd. Ook een combinatie is hiervan mogelijk. Een deskundige in de techniek is in staat om het bedrijf van een brandstofcel zodanig aan te passen dat één van deze soor-30 ten bedrijf of een combinatie ervan wordt verkregen.

Hoewel hiervoor in hoofdzaak is verwezen naar het gebruik van een windturbine en een brandstofcel, is de uitvinding niet beperkt in het aantal windturbines of het aantal brandstofcellen. Het aantal windturbines en het aantal brand-35 stofcellen kan in principe willekeurig worden gekozen. Bij voorkeur is het aantal brandstofcellen echter zodanig gekozen dat de maximale elektriciteitsproductie die hiermee mogelijk is, ongeveer gelijk is aan de maximale elektriciteitsproduc- 1029758 6 tie door de windturbines. In een dergelijk geval is het namelijk mogelijk om, bij volledig windstil weer, te voldoen aan de maximale elektriciteitsproductie. Aangezien een brandstofcel eenvoudig kan worden geregeld voor wat betreft elektrici-5 teitsproductie en/of waterstofproductie, kan een fluctuerende elektriciteitsproductie door windenergie worden vereffend door een geschikt bedrijf van de brandstofcellen. Ook kan de maximale capaciteit van de brandstofcel en de fluctuerende energie-bron gelijk worden gekozen aan de maximaal door het 10 elektriciteitsnet op te nemen hoeveelheid elektriciteit.

Behalve de hiervoor genoemde doelen die expliciet zijn beschreven, en die impliciet aan een deskundige in de techniek bekend zijn, wordt het grote voordeel verkregen dat de installatiekosten aanzienlijk kunnen worden verminderd ten 15 opzichte van een bekend systeem. Met het systeem volgens de uitvinding is namelijk geen elektrolyseapparatuur nodig. Evenmin wordt onnodige zuurstof geproduceerd. Ten gevolge hiervan kent het systeem volgens de onderhavige uitvinding een zeer hoge efficiëntie.

20 Omdat slechts zeer weinig of geen restwarmte wordt geproduceerd, wordt een verder verbeterd rendement verkregen.

De uitvinding zal hierna aan de hand van een bereke-ningsvoorbeeld nader worden beschreven. Wanneer een brandstofcel wordt bedreven als waterstofproducent, stijgt de to-25 tale efficiëntie van de brandstofcel ten opzichte van het bedrijf van een brandstofcel die slechts wordt bedreven als elektriciteitsproducent. Wanneer een vaste hoeveelheid brandstof (aardgas) aan de brandstofcel wordt toegevoerd, kan worden gekozen tussen een bedrijf van in hoofdzaak elektrici-30 teitsproducent dan wel een bedrijf waarbij ook een (aanzienlijke) hoeveelheid waterstof wordt geproduceerd.

Wanneer, bij een constante toevoer van aardgas, 190 kW minder elektriciteit wordt geproduceerd, kan deze vermindering aan elektriciteitsproductie worden omgezet in een ver-35 hoging van de productie aan waterstof van 727 kW. Een dergelijk bedrijf is bijvoorbeeld mogelijk wanneer de hoeveelheid windenergie toeneemt met een waarde van 190 kW. De vermindering van de productie aan elektriciteit door de brandstofcel 1 02975ft__ 7 leidt tot een extra productie van 727 kW aan koolmonoxide en waterstof. Hierdoor wordt een schijnbare efficiëntie van (727:190 x 100% =) 383% verkregen. Het hier gekozen rekenvoorbeeld werkt met arbitrair gekozen vermogens. In de prak-5 tijksituatie zullen grotere vermogens nodig zijn, maar het I principe van de uitvinding en de schijnbaar verkregen efficiëntie gelden ook bij grotere vermogens. De koolmonoxide ! kan hierbij via een zogenoemde shiftreactie met stoom volgens j in de techniek bekende wijze worden omgezet in waterstof en j 10 CO2 · De toename van de efficiëntie wordt verkregen door een verhoging van de in de geproduceerde gassen opgeslagen energie en een vermindering van de hoeveelheid geproduceerde warmte in de brandstofcel. Wanneer het overschot aan elektriciteit dat door de windturbines werd geproduceerd zou worden 15 gebruikt voor de elektrolyse van water in waterstof en zuurstof, zou dat met een rendement van slechts 80 a 90% kunnen worden uitgevoerd. Op die wijze zou derhalve slechts ongeveer 150 - 170 kW aan waterstof kunnen worden geproduceerd.

Het systeem volgens de uitvinding is derhalve zeer 20 veel efficiënter dan de in de techniek gebruikelijke systemen .

Zoals hiervoor beschreven, kan de geproduceerde waterstof worden toegevoerd aan een aardgasleidingnet. Hierbij bestaat de mogelijkheid dat de brandstofcel tevens een stik-25 stofstroom produceert. Deze stikstofstroom kan tevens, samen met het waterstof of afzonderlijk daarvan, en eventueel in dezelfde leiding, aan de aardgasleiding worden toegevoerd teneinde de totale energie-inhoud van het gas in de gasleiding op een gewenste waarde te brengen.

30 Voorts heeft het de voorkeur dat de elektriciteits productie van de brandstofcel in hoofdzaak gelijk is aan het verschil van de vooraf bepaalde waarde en de gemeten waarde.

Ook heeft het de voorkeur dat de werkwijze volgens de uitvinding een systeem volgens de onderhavige uitvinding 35 toepast voor het regelen van het bedrijf van de brandstofcel.

Verder heeft het de voorkeur dat de uit de kathode afkomstige gasstroom aan een verdere behandeling wordt onderworpen teneinde een resterende hoeveelheid zuurstof daaruit 1 029758_ 8 te verwijderen, bijvoorbeeld door deze aan een katalytische oxidator toe te voeren, en waarna de behandelde gasstroom ten minste gedeeltelijk aan de aardgasstroom wordt toegevoerd.

Daarnaast heeft het de voorkeur dat de uit de katho-5 de afkomstige gasstroom wordt toegevoerd aan de kathode van een lage temperatuur-brandstofcel.

Verder heeft het de voorkeur dat· waterstof uit een van de anode van de eerste brandstofcel afkomstige gasstroom j wordt toegevoerd aan de anode van een tweede brandstofcel en 10 een uit de kathode van de eerste brandstofcel afkomstige gasstroom die een ten opzichte van lucht verlaagd zuurstofgehalte bevat, wordt toegevoerd aan de kathode van de tweede brandstofcel.

Ook heeft het de voorkeur dat de brandstofcel waar-15 aan lucht wordt toegevoerd een hoge temperatuur-brandstofcel is, bij voorkeur van het interne reforming-type, bijvoorbeeld een SOFC-type of een MCFC-type.

Tenslotte heeft het de voorkeur dat de geproduceerde elektriciteit ten minste gedeeltelijk aan het elektriciteits-20 net wordt toegevoerd.

De uitvinding is niet beperkt tot het toevoeren van de geproduceerde waterstof aan een gasleiding. Bijvoorbeeld kan de waterstof worden opgeslagen en later worden gebruikt als brandstof in een brandstofcel, zelfs in een brandstofcel 25 die is ingesteld op waterstofproductie.

Hoewel hiervoor met name wordt verwezen naar een aardgasstroom, worden ook andere brandstoffen bedoeld. De uitvinding is dan ook gericht op alle koolwaterstoffen (inclusief kool) die door middel van H20 en/of C02 omgezet kunnen 30 worden in een H2 bevattende gasstroom.

Een werkwijze voor het produceren van stikstof en waterstof in een brandstofcel staat beschreven in de gelijktijdig met de onderhavige octrooiaanvrage ingediende Nederlandse octrooiaanvrage met de titel "Werkwijze voor het pro-35 duceren van stikstof en waterstof in een brandstofcel" en de Nederlandse octrooiaanvrage met de titel "Werkwijze voor het geïntegreerd bedrijven van een brandstofcel en een lucht-scheider".

1029758 9

De uitvinding is niet beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen. Deze betreffen slechts een voor-keursuitvoeringsvorm van de uitvinding. De uitvinding wordt slechts beperkt tot de bijgevoegde conclusies.

| 102975ft

Claims (17)

1. Systeem voor integratie van duurzame energie en brandstofcel voor het produceren van elektriciteit en waterstof, met het kenmerk, dat het. tevens het gebruik omvat van ten minste één brandstofcel en waarbij een regeleenheid het 5 bedrijf van de ten minste ene brandstofcel zodanig regelt dat de totaalproductie aan elektriciteit binnen vooraf te kiezen grenzen ligt.

2. Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een brandstoftoevoer naar de brandstofcel is verbonden met 10 een brandstofleiding, bij voorbeeld een aardgasleiding.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de brandstofcel behalve elektriciteit ook waterstof produceert.

4. Systeem volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, 15 dat de brandstofcel een waterstofproductafvoer omvat die al dan niet rechtstreeks is verbonden met een gasleiding voor het toevoeren van de geproduceerde waterstof aan een brand-stofleiding, bij voorkeur een aardgasleiding.

5. Systeem volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, 20 dat de brandstofcel behalve elektriciteit en waterstof ook stikstof produceert.

6. Systeem volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat de brandstofcel een stikstofproductafvoer omvat die al dan niet rechtstreeks is verbonden met een gasleiding voor 25 het toevoeren van de geproduceerde stikstof aan een brand- stofleiding, bijvoorbeeld een aardgasleiding, bijvoorbeeld de leiding waar de geproduceerde waterstof aan wordt toegevoerd.

7. Systeem volgens conclusie 1-6, met het kenmerk, dat door de brandstofcellen geproduceerde warmte naar een 30 warmteverlangend systeem wordt gevoerd.

8. Systeem volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het warmteverlangende systeem een inrichting voor het verwarmen van gewonnen en te expanderen aardgas omvat.

9. Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 35 de fluctuerende energiebron is gekozen uit ten minste één van een warmte-gestuurde warmte-krachtcentrale en een duurzame ί 1029758 energie-bron gekozen uit windenergie, zonne-energie, biomas-sa-energie, hydro-energie en geo-energie.

10. Werkwijze voor integratie van duurzame energie en brandstofcel voor het produceren van elektriciteit en waterstof, met het kenmerk, dat deze de stappen omvat van het meten van de elektriciteitsproductie van de fluctuerende energie-bron, het vergelijken van de elektriciteitsproductie van de fluctuerende energie-bron met een vooraf te bepalen productiewaarde en het bedrijven van een brandstofcel voor de productie van ten minste elektriciteit indien de gemeten waarde minder is dan de vooraf bepaalde waarde.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de elektriciteitsproductie van de brandstofcel in hoofd- 5 zaak gelijk is aan het verschil van de vooraf bepaalde waarde en de gemeten waarde.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat het een systeem volgens conclusie 1-9 toepast voor het regelen van het bedrijf van de brandstofcel.

13. Werkwijze volgens conclusies 10, met het ken merk, dat de uit de kathode afkomstige gasstroom aan een verdere behandeling wordt onderworpen teneinde een resterende hoeveelheid zuurstof daaruit te verwijderen, bijvoorbeeld door deze aan een katalytische oxidator toe te voeren, en 15 waarna de behandelde gasstroom ten minste gedeeltelijk aan de aardgasstroom wordt toegevoerd.

14. Werkwijze volgens conclusies 13, met het kenmerk, dat de uit de kathode afkomstige gasstroom wordt toegevoerd aan de kathode van een lage temperatuur-brandstofcel.

15. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14 waarbij ten minste waterstof in een eerste brandstofcel wordt gevormd, met het kenmerk, dat waterstof uit een van de anode van de eerste brandstofcel afkomstige gasstroom wordt toegevoerd aan de anode van een tweede brandstofcel en een uit de kathode 25 van de eerste brandstofcel afkomstige gasstroom die een ten opzichte van lucht verlaagd zuurstofgehalte bevat, wordt toegevoerd aan de kathode van de tweede brandstofcel.

16. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de brandstofcel waaraan lucht wordt toegevoerd een ho.ge 1029758 temperatuur-brandstofcel is, bij voorkeur van het interne re-forming-type, bijvoorbeeld een SOFC-type of een MCFC-type.

17. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de geproduceerde elektriciteit ten minste gedeeltelijk 5 aan het elektriciteitsnet wordt toegevoerd. 1 029758