WO2011042158A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung elektrischer energie - Google Patents

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WO2011042158A1
WO2011042158A1 PCT/EP2010/006075 EP2010006075W WO2011042158A1 WO 2011042158 A1 WO2011042158 A1 WO 2011042158A1 EP 2010006075 W EP2010006075 W EP 2010006075W WO 2011042158 A1 WO2011042158 A1 WO 2011042158A1
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hydrogen
fuel cell
electrical energy
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electrolyzer
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PCT/EP2010/006075
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Hans-Jürgen MAASS
Alexander Stubinitzky
Matthias Mostertz
Otto Machhammer
Sigmar BRÄUNINGER
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Linde Aktiengesellschaft
Basf Se
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    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for storing electrical energy, split in which in an electrolyzer water with the help of electrical energy and thereby led hydrogen into a storage tank and removed as needed from this and used as fuel of a fuel cell to produce
  • the invention relates to a device for carrying out the
  • Object of the present invention is to provide a method and an apparatus of the type described above, through which the economy in the storage of electrical energy is improved compared to the prior art.
  • the object is achieved vertan tally according to the invention solved in that waste heat in the process of a hydrogen source to cover the existing heat demand is supplied, in which a hydrogen-containing use in an endothermic reaction. is reacted under production of hydrogen.
  • Heat pipes have been state of the art and known to the person skilled in the art for many years. They contain in a hermetically encapsulated volume a heat transfer medium, which is present partly as a liquid, partly in gaseous form. Energy can be transferred to the liquid via an evaporator connected to a heat source
  • waste heat according to the invention is only meaningfully possible if the waste heat is obtained at a higher temperature level than is required in the hydrogen source, and thus between waste heat and hydrogen source
  • Hydrogen source For this purpose, it is necessary to raise the temperature level of the waste heat, which could be done for example by compressing the heat transfer medium circulating in a heat pipe used for heat transfer. However, the energy required for this would reduce the efficiency of the process.
  • Electrolyzer or accumulating in the fuel cell waste heat are Electrolyzer or accumulating in the fuel cell waste heat.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention therefore provides that a HTK reactor is used as the hydrogen source, in which hydrogen is produced from a hydrogen-containing insert by hydrothermal catalysis.
  • the electrolyzer and the fuel cell will not be in operation at the same time and produce waste heat. If the waste heat from the fuel cell is supplied to the hydrogen source, then hydrogen can also be produced there if no hydrogen is generated in the electrolyzer.
  • the inventive method can be operated when the hydrogen source continuously waste heat, under
  • the hydrogen produced in the hydrogen source can not be utilized in the fuel cell at all times. For example, it does not make sense in the
  • Fuel cell to produce electrical energy when at the same time electrical energy is obtained from the public network to produce hydrogen with their help.
  • hydrogen normally generated during operation of the fuel cell in the hydrogen source may be directly supplied to the fuel cell.
  • Embodiments of the method according to the invention therefore provide that hydrogen produced in the hydrogen source is passed into a hydrogen storage unit and stored there or supplied directly to the fuel cell for generating electrical energy.
  • it may be useful to strongly compress or liquefy hydrogen produced in the process in order to store it in a small space can
  • it may be useful to strongly compress or liquefy hydrogen produced in the process in order to store it in a small space.
  • An expedient embodiment of the method according to the invention provides that the oxygen obtained in the electrolyzer is also supplied to the fuel cell and used there as an oxidizing agent in the generation of electrical energy.
  • the electrolyzer resulting oxygen which can not be supplied directly to the fuel cell, is useful for caching in a
  • Fuel cell is passed. For space and / or cost reasons, it may be useful to densify the liquefied oxygen strong or liquefied to save it in a small space can.
  • Fuel cell is generated and released into the public grid, in which an above-average price for the electricity can be achieved.
  • Particularly suitable for hydrogen production by electrolysis is not required by the consumer control energy.
  • Under control energy is to be understood as such energy that is used to cover short-term demand peaks in well-regulated power plants, so-called.
  • An electrolyzer can be supplied with electric power only with a power that does not exceed a minimum value not below and a maximum value. Between these two values is the operating point at which the electrolyzer can be operated with maximum efficiency. It makes sense, therefore, sought to supply the electrolyzer always electrical energy with a power corresponding to the operating point. Control energy is i.Allg. offered with a strongly fluctuating power, which may be higher than the maximum electrical power that can be supplied to the electrolyzer. To avoid electrical energy beyond the unavoidable degree must be converted into heat, and to implement the electrical energy to be stored with minimal losses in hydrogen, therefore, an embodiment of the method according to the invention provides that the electrical energy to be stored in an accumulator on
  • cached electrochemical path taken from the electrical energy and the electrolyzer is supplied with a power lying at or near the operating point.
  • Fuel cell can be used, which accepts hydrogen as fuel.
  • a proto-exchange membrane fuel cell is used.
  • the invention relates to a device for storing electrical energy, comprising an electrolyzer in which hydrogen can be obtained from water with the aid of electrical energy, a storage container in which recoverable hydrogen can be stored in the electrolyzer, and a
  • Fuel cell which is supplied to generate electrical energy hydrogen as fuel.
  • the object is achieved according to the device device according to the invention in that it comprises a hydrogen source in which a hydrogen-containing insert can be reacted in an endothermic reaction to produce hydrogen, as well as a device are supplied via the resulting during operation of the device waste heat of the hydrogen source can.
  • the electrolyser and / or the fuel cell are thermally coupled to the hydrogen source, so that their waste heat arising in the electrolyzer and / or in the fuel cell can be supplied to maintain the endothermic reaction.
  • a waste heat source in particular the electrolyzer and / or the fuel cell, be thermally coupled to the hydrogen source via a heat pipe.
  • the hydrogen source is connected to the fuel cell such that at least a portion of the hydrogen generated in the hydrogen source of the
  • the device according to the invention has a hydrogen storage, from which
  • Hydrogen can be removed as needed and fed into the fuel cell.
  • Electrolyzer resulting oxygen of the fuel cell can be supplied as an oxidizing agent.
  • the device according to the invention makes sense to have an oxygen reservoir, from which oxygen can be withdrawn if necessary and passed into the fuel cell.
  • Device generated hydrogen can be converted into electrical energy.
  • An embodiment of the device according to the invention therefore provides that at least a portion of the hydrogen produced can be delivered as a product to an external consumer.
  • waste heat falls on one
  • HTK reactors are sources of hydrogen that can be operated at a temperature level that also produces the waste heat from the electrolyzer and fuel cell. A preferred embodiment of the device according to the invention sees Therefore, it is that the hydrogen source is a HTK reactor in which a hydrogen-containing insert is feasible.
  • electrochemical path is cacheable and from which they can be removed again and forwarded to the production of hydrogen to the electrolyzer.
  • the device for use in the device according to the invention, all fuel cells are suitable in which hydrogen can be reacted.
  • the device preferably comprises a so-called proton exchange membrane fuel cell.
  • Electrolyzer and fuel cell can be designed as spatially separate facilities or as a structural and functional unit (so-called. Reversible fuel cell).
  • the DC 2 is supplied to the electrolyzer E to electrolytically decompose water into hydrogen and oxygen. While the resulting in the electrolyzer E oxygen is passed via line 3 in the oxygen storage O, the hydrogen 4 is liquefied and passed into the hydrogen storage S. Waste heat arising in the electrolyzer E is fed via the heat pipe WR1 to the HTK reactor H, where it is used to split off hydrogen from an insert 5 containing hydrogen by hydrothermal catalysis. The hydrogen produced in the HTK reactor H is also liquefied and in the
  • Hydrogen storage S removed and evaporated. Together with oxygen, which is supplied via line 12 from the oxygen storage O and / or via line 8 from beyond the plant limits, the hydrogen gas 7 in the
  • Fuel cell B passed and converted there to produce DC to water.
  • the DC 9 generated in the fuel cell B is converted in the inverter R into AC 10, which is finally discharged into the public grid.
  • Heat pipe WR5 fed to the HTK reactor The hydrogen produced in this phase of operation is not passed into the storage tank S, but via line 11 directly into the fuel cell B, where he in the same way as the
  • Hydrogen stream 7 is reacted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie (1, 2), bei dem in einem Elektrolyseur (E) Wasser mit Hilfe elektrischer Energie gespalten und dabei gewonnener Wasserstoff (4) in einen Speicherbehälter (S) geleitet und bei Bedarf wieder aus diesem entnommen und als Brennstoff (7) einer Brennstoffzelle (B) zur Erzeugung elektrischer Energie (9) zugeführt wird. Im Prozess anfallende Abwärme (WR1, WR5) wird einer Wasserstoffquelle (H) zur Deckung des dort bestehenden Wärmebedarfs zugeführt, in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz (5) in einer endothermen Reaktion unter Produktion von Wasserstoff (6,11) umgesetzt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, bei dem in einem Elektrolyseur Wasser mit Hilfe elektrischer Energie gespalten und dabei gewonnener Wasserstoff in einen Speicherbehälter geleitet und bei Bedarf wieder aus diesem entnommen und als Brennstoff einer Brennstoffzelle zur Erzeugung
elektrischer Energie zugeführt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der Erzeugung elektrischer Energie für das öffentliche Stromnetz ist stets darauf zu achten, dass sich Stromangebot und -nachfrage die Waage halten, da es andernfalls zu Spannungs- und Frequenzschwankungen oder sogar zu einem Ausfall des Netzes kommt. Grundsätzlich ist die Stromnachfrage zeitlich nicht konstant. Beispielsweise ist sie während des Tages ca. dreimal so groß wie in der Nacht, aber auch während der Woche ist sie höher als am Wochenende und im Winter ist sie höher als im Sommer. Durch das Zu- und Abschalten bzw. Herunterregeln von Kraftwerken wird versucht, die Unterschiede zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen. Dies ist jedoch einerseits uneffektiv und andererseits umso schwieriger, je schneller und
überraschender sich solche Unterschiede einstellen.
Der Einsatz erneuerbarer Energien, deren Anteil an der Stromversorgung sich in den nächsten Jahren deutlich erhöhen wird, verschärft diese Problematik. Da Sonne, Wind und Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind und ihre Verfügbarkeit darüber hinaus nur schlecht vorhersagbar ist, kommt es auch auf Seiten des Stromangebotes zu schnellen und überraschenden Schwankungen, die durch schnell regelbare sog. Spitzenlastkraftwerke ausgeglichen werden müssen. Besondere Bedeutung haben hierbei Stromspeicher, wie Pump- und Druckluftspeicherkraftwerke, die besonders schnell regelbar sind und in Minuten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch umgeschaltet werden können. Kraftwerke dieser Art können jedoch nicht in beliebiger Zahl errichtet werden, da die hierfür notwendigen geografischen bzw. geologischen Voraussetzungen nur an wenigen Orten erfüllt sind. Darüber hinaus haben
Druckluftspeicherkraftwerke mit ca. 42% einen relativ geringen Wirkungsgrad.
Als Spitzenlastkraftwerke werden auch Stromspeicher vorgeschlagen, in denen Wasser durch Elektrolyse gespalten, der dabei erzeugte Wasserstoff tiefkalt oder unter Druck zwischengespeichert und bei Bedarf zur Erzeugung von elektrischer Energie in eine Brennstoffzelle geleitet wird. Derartige Anlagen besitzen gegenüber den oben beschriebenen Stromspeichern den Vorteil, dass sie an praktisch jedem beliebigen Ort und in großer Zahl errichtet werden können. Ihr großer Nachteil ist jedoch ihre geringe Wirtschaftlichkeit, da lediglich ca. 17% der eingeleiteten elektrischen Energie wieder als solche abgegeben werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die die Wirtschaftlichkeit bei der Speicherung elektrischer Energie im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird.
Die gestellte Aufgabe wird vertan rensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Prozess anfallende Abwärme einer Wasserstoffquelle zur Deckung des dort bestehenden Wärmebedarfs zugeführt wird, in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz in einer endothermen Reaktion. unter Produktion von Wasserstoff umgesetzt wird.
Der geringe energetische Wirkungsgrad eines auf der elektrolytischen Zerlegung von Wässer basierenden Stromspeichers ist in erster Linie eine Folge der Abwärmeverluste seiner Komponenten. Sowohl bei der Wasserstofferzeugung im Elektrolyseur als auch bei der Umsetzung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle fällt Wärme an, die nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird ein weit höherer energetischer Wirkungsgrad erreicht, als beim Stand der Technik, da ein großer Teil der im Prozess anfallenden Abwärme dazu verwendet wird, zusätzlichen Wasserstoff zu erzeugen, der, wie auch der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff, in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgesetzt wird.
Um einen möglichst großen Teil der im Prozess anfallenden Abwärme zur
Wasserstofferzeugung nutzen zu können, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der Wasserstoffquelle Abwärme über ein Wärmerohr zugeführt wird. Wärmerohre sind seit vielen Jahren Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie enthalten in einem hermetisch gekapselten Volumen ein Wärmeträgermedium, das teils als Flüssigkeit, teils in Gasform vorliegt. Über einen mit einer Wärmequelle verbundenen Verdampfer kann Energie auf das flüssige
Wärmeträgermedium übertragen werden. Der hierbei entstehende Dampf (Brüden) strömt zu einem an anderer Stelle des Wärmerohres angeordneten, mit einer
Wärmesenke in Verbindung stehenden Kondensator, wo er kondensiert. Bei der Kondensation wird die über den Verdampfer aufgenommene Energie zu einem großen Teil wieder abgegeben und auf die Wärmesenke übertragen. Das nunmehr wieder flüssige Wärmeträgermedium wird anschließend durch Wirkung der Schwerkraft,
Kapillarkraft oder mit Hilfe einer Pumpe wieder zum Verdampfer zurückgefördert. Da sich Flüssig- und Gasphase des Wärmeträgermediums im gleichen Raum befinden, arbeitet ein Wärmerohr im Nassdampfgebiet, in dem die beiden Phasen bei gleichem Druck auch die gleiche Temperatur aufweisen. Normalerweise sind die
Druckunterschiede in einem Wärmerohr sehr gering, weshalb auch die
Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator gering ist. Wegen des nahezu isothermen Charakters der Wärmeübertragung weist ein Wärmerohr einen inneren Wärmewiderstand auf, der kleiner ist als der von klassischen, rein metallischen Wärmeübertragern.
Eine erfindungsgemäße Nutzung von Abwärme ist nur dann sinnvoll möglich, wenn die Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau anfällt, als es in der Wasserstoffquelle benötigt wird, und somit zwischen Abwärme- und Wasserstoffquelle ein
Temperaturgefälle besteht. Je größer dieses Temperaturgefälle ist, desto größer ist der zur Wasserstofferzeugung nutzbare Anteil der Abwärme. Zwar ist es auch denkbar, Abwärme zu nutzen, deren Temperaturniveau niedriger liegt als dasjenige der
Wasserstoffquelle. Hierzu ist es aber erforderlich, das Temperaturniveau der Abwärme anzuheben, was beispielsweise durch Verdichten des in einem zur Wärmeübertragung verwendeten Wärmerohr zirkulierende Wärmeträgermediums erfolgen könnte. Die dafür benötigte Energie würde jedoch den Wirkungsgrad des Verfahrens mindern.
Bei der erfindungsgemäßen Stromspeicherung fallen die größten Abwärmemengen während des Betriebes des Elektrolyseurs sowie der Brennstoffzelle an. Um diese beiden Abwärmequellen für die Wasserstoffproduktion nützen zu können, wird daher sinnvollerweise ein Wasserstoffproduktionsverfahren gewählt, das auf einem Temperaturniveau abläuft, das niedriger ist als das Temperaturniveau der im
Elektrolyseur bzw. in der Brennstoffzelle anfallenden Abwärmemengen.
Eine Patentanmeldung, die unter dem Aktenzeichen 102009037884.7 beim Deutschen Marken und Patentamt eingereicht wurde, und deren Offenbarungsgehalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird, beschreibt ein als hydrothermale Katalyse (HTK) bezeichnetes Verfahren zur
Wasserstofferzeugung, das bei niedrigen Temperaturen durchführbar ist. Der Einsatz dieses Verfahrens erlaubt es daher, auch im Prozess auf einem niedrigen
Temperaturniveau anfallende Abwärme zur Wasserstofferzeugung zu nutzen. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass als Wasserstoffquelle ein HTK-Reaktor eingesetzt wird, in dem aus einem Wasserstoff enthaltenden Einsatz Wasserstoff durch hydrothermale Katalyse produziert wird. Im Normalfall werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Elektrolyseur und Brennstoffzelle nicht gleichzeitig in Betrieb sein und Abwärme produzieren. Wird die Abwärme der Brennstoffzelle der Wasserstoffquelle zugeführt, so kann dort Wasserstoff auch dann produziert werden, wenn im Elektrolyseur kein Wasserstoff erzeugt wird. Am wirtschaftlichsten kann das erfindungsgemäße Verfahren betrieben werden, wenn der Wasserstoffquelle kontinuierlich Abwärme, unter
Umständen aus wechselnden Abwärmequellen, zugeführt und zur
Wasserstofferzeugung genutzt wird.
Der in der Wasserstoffquelle erzeugte Wasserstoff kann nicht zu jeder Zeit in der Brennstoffzelle verwertet werden. Beispielsweise ist es nicht sinnvoll, in der
Brennstoffzelle elektrische Energie zu produzieren, wenn gleichzeitig elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz bezogen wird, um mit ihrer Hilfe Wasserstoff zu erzeugen. Andererseits kann für gewöhnlich während des Betriebs der Brennstoffzelle in der Wasserstoffquelle erzeugter Wasserstoff der Brennstoffszelle direkt zugeführt werden. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen daher vor, dass in der Wasserstoffquelle erzeugter Wasserstoff in einen Wasserstoffspeicher geleitet und dort gespeichert oder direkt der Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird. Aus Platz- und/oder Kostengründen kann es sinnvoll sein, im Prozess erzeugten Wasserstoff stark zu verdichten bzw. zu verflüssigen, um ihn auf kleinem Raum speichern zu können Für den Fall, dass nicht der gesamte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Wasserstoff in der Brennstoffzelle umgesetzt werden kann, sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass Wasserstoff als Produkt an einen externen Verbraucher abgegeben wird.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der im Elektrolyseur anfallende Sauerstoff ebenfalls der Brennstoffzelle zugeführt und dort als Oxidationsmittel bei der Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird. Im Elektrolyseur anfallender Sauerstoff, der nicht unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, wird sinnvollerweise zur Zwischenspeicherung in einen
Sauerstoffspeicher geleitet, aus dem er bei Bedarf entnommen und in die
Brennstoffzelle geleitet wird. Aus Platz- und/oder Kostengründen kann es sinnvoll sein, den zwischenzuspeichernden Sauerstoff stark zu verdichten bzw. zu verflüssigen, um ihn auf kleinem Raum speichern zu können.
Um die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Stromspeicherung zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass im Elektrolyseur nur zu Zeiten Wasserstoff produziert wird, in denen Strom aus dem öffentlichen Stromnetz zu unter dem Durchschnitt liegenden Preisen bezogen werden kann und nur zu Zeiten elektrische Energie in der
Brennstoffzelle erzeugt und in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird, in denen ein überdurchschnittlicher Preis für den Strom erzielt werden kann. Besonders geeignet für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist vom Verbraucher nicht benötigte Regelenergie. Dabei ist unter Regelenergie solche Energie zu verstehen, die zur Abdeckung kurzfristiger Bedarfsspitzen in gut regelbaren Kraftwerken, sog.
Regelkraftwerken, zu vergleichsweise hohen Kosten erzeugt wird.
Einem Elektrolyseur kann elektrische Energie nur mit einer Leistung zugeführt werden, die einen Minimalwert nicht unter und einen Maximalwert nicht überschreitet. Zwischen diesen beiden Werten liegt der Arbeitspunkt, an dem der Elektrolyseur mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Sinnvollerweise wird deshalb angestrebt, dem Elektrolyseur elektrische Energie stets mit einer dem Arbeitspunkt entsprechenden Leistung zuzuführen. Regelenergie wird i.Allg. mit einer stark schwankenden Leistung angeboten, die unter Umständen höher ist als die maximale elektrische Leistung, die dem Elektrolyseur zugeführt werden kann. Um zu vermeiden, dass elektrische Energie über das unvermeidliche Maß hinaus in Wärme umgewandelt werden muss, und um die zu speichernde elektrische Energie mit möglichst geringen Verlusten in Wasserstoff umzusetzen, sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens deshalb vor, dass die zu speichernde elektrische Energie in einem Akkumulator auf
elektrochemischem Weg zwischengespeichert wird, aus dem elektrische Energie entnommen und dem Elektrolyseur mit einer am oder nahe dem Arbeitspunkt liegenden Leistung zugeführt wird.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede Art von
Brennstoffzelle verwendet werden, die als Brennstoff Wasserstoff akzeptiert.
Vorzugsweise wird eine Proto-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle eingesetzt.
Derartige Brennstoffzellen sind Stand der Technik und dem Fachmann auch als PEM- Brennstoffzellen bekannt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, aufweisend einen Elektrolyseur, in dem mit Hilfe elektrischer Energie aus Wasser Wasserstoff gewonnen werden kann, einen Speicherbehälter, in dem im Elektrolyseur gewinnbarer Wasserstoff zwischengespeichert werden kann, sowie eine
Brennstoffzelle, der zur Erzeugung elektrischer Energie Wasserstoff als Brennstoff zuführbar ist.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Wasserstoffquelle, in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz in einer endothermen Reaktion unter Produktion von Wasserstoff umgesetzt werden kann, sowie eine Einrichtung umfasst, über die während des Betriebs der Vorrichtung anfallende Abwärme der Wasserstoffquelle zugeführt werden kann.
Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden große oder sogar die größten Abwärmemengen im Elektrolyseur bzw. in der Brennstoffzelle anfallen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen daher vor, das der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle mit der Wasserstoffquelle thermisch gekoppelt sind, so dass ihr im Elektrolyseur und/oder in der Brennstoffzelle anfallende Abwärme zur Aufrechterhaltung der endothermen Reaktion zuführbar ist. Um die beim Betrieb der Vorrichtung anfallenden Abwärme mit einem möglichst hohen Prozentsatz der Wasserstoffquelle zuführen zu können wird vorgeschlagen, dass eine Abwärmequelle, insbesondere der Elektrolyseur und/oder die Brennstoffzelle, mit der Wasserstoffquelle über ein Wärmerohr thermisch gekoppelt ist. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, dass die Wasserstoffquelle mit der Brennstoffzelle derart verbunden ist, dass zumindest ein Teil des in der Wasserstoffquelle erzeugten Wasserstoffs der
Brennstoffzelle direkt oder nach Zwischenspeicherung der Brennstoffzelle als
Brennstoff zugeleitet werden kann. Zur Zwischenspeicherung des Wasserstoffs weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wasserstoffspeicher auf, aus dem
Wasserstoff bei Bedarf entnommen und in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Elektrolyseur derart mit der Brennstoffzelle verbunden ist, dass im
Elektrolyseur anfallender Sauerstoff der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zuführbar ist. Zur Zwischenspeicherung von im Elektrolyseur anfallendem Sauerstoff, der nicht unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung sinnvollerweise einen Sauerstoffspeicher auf, aus dem Sauerstoff bei Bedarf entnommen und in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
Unter Umständen kann nicht der gesamte mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erzeugte Wasserstoff in elektrische Energie umgesetzt werden. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass zumindest ein Teil des erzeugten Wasserstoffs als Produkt an einen externen Verbraucher abgebbar ist.
In einem Elektrolyseur bzw. in einer Brennstoffzelle fällt Abwärme auf einem
Temperaturniveau zwischen ca. 50 und 220°C an. Die meisten Wasserstoffquellen, wie beispielsweise Dampfreformer, werden bei weit höheren Temperaturen betrieben und eignen sich daher nur schlecht zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. HTK-Reaktoren sind Wasserstoffquellen, die auf einem Temperaturniveau betrieben werden können, auf dem auch die Abwärmen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle anfallen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass es sich bei der Wasserstoffquelle um einen HTK-Reaktor handelt, in dem ein Wasserstoff enthaltender Einsatz umsetzbar ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Akkumulator vor, in dem zu speichernde elektrische Energie auf
elektrochemischem Weg zwischenspeicherbar ist und aus dem sie wieder entnommen und zur Erzeugung von Wasserstoff an den Elektrolyseur weitergeleitet werden kann.
Zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind alle Brennstoffzellen geeignet, in denen Wasserstoff umgesetzt werden kann. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung jedoch eine sog. Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle.
Elektrolyseur und Brennstoffzelle können als räumlich getrennte Einrichtungen oder als bauliche und funktionale Einheit (sog. Reversible Brennstoffzelle) ausgeführt sein.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Einrichtung, in der
überschüssige elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen und, bei Bedarf, zeitversetzt wieder in dieses eingeleitet wird.
Über die Zuführung 1 wird überschüssige elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in Form von Wechselstrom entnommen und im Gleichrichter G in
Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom 2 wird dem Elektrolyseur E zugeführt, um Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Während der im Elektrolyseur E anfallende Sauerstoff über Leitung 3 in den Sauerstoffspeicher O geführt wird, wird der Wasserstoff 4 verflüssigt und in den Wasserstoffspeicher S geleitet. Im Elektrolyseur E anfallende Abwärme wird über das Wärmerohr WR1 dem HTK-Reaktor H zugeführt, wo sie dazu genutzt wird, aus einem Wasserstoff enthaltenden Einsatz 5 durch hydrothermale Katalyse Wasserstoff abzuspalten. Der im HTK-Reaktor H erzeugte Wasserstoff wird ebenfalls verflüssigt und in den
Speicherbehälter S geleitet. Kann keine überschüssige elektrische Energie mehr über Leitung 1 aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden und besteht dort ein kurzfristig zu deckender Bedarf an elektrischer Energie, so wird über Leitung 7 Wasserstoff aus dem
Wasserstoffspeicher S entnommen und verdampft. Gemeinsam mit Sauerstoff, der über Leitung 12 aus dem Sauerstoffspeicher O und/oder über Leitung 8 von jenseits der Anlagengrenzen zugeführt wird, wird der Wasserstoff 7 gasförmig in die
Brennstoffzelle B geleitet und dort unter Erzeugung von Gleichstrom zu Wasser umgesetzt. Der in der Brennstoffzelle B erzeugte Gleichstrom 9 wird im Wechselrichter R in Wechselstrom 10 umgewandelt, der schließlich in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird. In der Brennstoffzelle B anfallende Abwärme wird über das
Wärmerohr WR5 dem HTK-Reaktor zugeführt. Der in dieser Betriebsphase dort erzeugte Wasserstoff wird nicht in den Speicherbehälter S geleitet, sondern über Leitung 11 direkt in die Brennstoffzelle B, wo er auf die gleiche Weise wie der
Wasserstoffstrom 7 umgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, bei dem in einem Elektrolyseur (E) Wasser mit Hilfe elektrischer Energie (2) gespalten und dabei gewonnener Wasserstoff (4) in einen Speicherbehälter (S) geleitet und bei Bedarf wieder aus diesem entnommen und als Brennstoff (7) einer Brennstoffzelle (B) zur Erzeugung elektrischer Energie (9) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im
Prozess anfallende Abwärme (WR1.WR5) einer Wasserstoffquelle (H) zur
Deckung des dort bestehenden Wärmebedarfs zugeführt wird, in der ein
Wasserstoff enthaltender Einsatz (5) in einer endothermen Reaktion unter
Produktion von Wasserstoff (6,11 ) umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffquelle (H) Abwärme über ein Wärmerohr (WR1.WR5) zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoffquelle (H) ein HTK-Reaktor eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass der in der Wasserstoffquelle (H) produzierte Wasserstoff (6,11 ) ganz oder teilweise in einem
Wasserstoffspeicher (S) gespeichert oder direkt der Brennstoffzelle (B) zur Erzeugung elektrischer Energie (9) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zu speichernden elektrischen Energie (1 ) um Regelenergie handelt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzelle (B) eine PEM-Brennstoffzelle eingesetzt wird.
7. Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, aufweisend einen Elektrolyseur (E), in dem mit Hilfe elektrischer Energie (2) aus Wasser Wasserstoff gewonnen werden kann, einen Speicherbehälter (S), in dem im Elektrolyseur (E) gewinnbarer
Wasserstoff (4) zwischengespeichert werden kann, sowie eine Brennstoffzelle (B), der zur Erzeugung elektrischer Energie (9) Wasserstoff (7) als Brennstoff zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wasserstoffquelle (H), in der ein Wasserstoff enthaltender Einsatz (5) in einer endothermen Reaktion unter Produktion von Wasserstoff (6,1 1 ) umgesetzt werden kann, sowie eine Einrichtung (WR1 ,WR5) umfasst, über die während des Betriebs der Vorrichtung anfallende Abwärme der Wasserstoffquelle (H) zugeführt werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eiektrolyseur (E) und/oder die Brennstoffzelle (B) durch ein Wärmerohr mit der Wasserstoffquelle (H) thermisch gekoppelt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffquelle (H) mit der Brennstoffzelle (B) derart verbunden ist, dass in der Wasserstoffquelle (H) erzeugter Wasserstoff (6,11) der Brennstoffzelle (B) direkt oder nach Zwischenspeicherung als Brennstoff (7,11) zugeleitet werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wasserstoffquelle (H) um einen HTK-Reaktor handelt, in dem ein Wasserstoff enthaltender Einsatz (5) umsetzbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (B) als PEM-Brennstoffzelle ausgeführt ist.
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