WO2012013289A2 - Verfahren und vorrichtung zur stromspeicherung - Google Patents

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WO2012013289A2
WO2012013289A2 PCT/EP2011/003386 EP2011003386W WO2012013289A2 WO 2012013289 A2 WO2012013289 A2 WO 2012013289A2 EP 2011003386 W EP2011003386 W EP 2011003386W WO 2012013289 A2 WO2012013289 A2 WO 2012013289A2
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André BIEGNER
Hans-Jürgen MAASS
Mathias Mostertz
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Linde Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for storing electrical energy, wherein hydrogen and oxygen produced by electrolysis of water, in a
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • Compressed air storage power plants with about 42% a relatively low efficiency.
  • a peak load power plants and electricity storage are proposed in which split water by electrolysis, the generated hydrogen is cryogenic or cached under pressure and passed as needed to generate electrical energy in a fuel cell.
  • Such systems have the advantage over the power stores described above that they can be installed at virtually any location and in large numbers.
  • Their major disadvantage, however, is their low cost, since only a small part of the electrical energy introduced can be returned as such.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device of the type described in the introduction, by which the economy in the storage of electrical energy is improved compared to the prior art.
  • the stated object is achieved in that hydrogen and oxygen are removed from the storage device and converted into water vapor at elevated pressure in the combustion chamber of a steam generator, which is subsequently expanded in a turbine coupled to a power generator while performing mechanical work.
  • the energy of the steam obtained in the steam generator is thus converted into electrical energy. Electricity taken up for carrying out the electrolysis can therefore be stored and given off again as required.
  • Hydrogen and oxygen are preferably in the ratio 1: 2
  • demineralized water as a temperature moderator.
  • the required amount of water is this wholly or partially introduced directly or together with oxygen and / or hydrogen in the combustion chamber or to which from the Combustion vapor flowing water vapor mixed, wherein the water is supplied liquid and / or vapor.
  • Superheated steam is preferably generated in the steam generator at a pressure between 0 and 300 bar and a temperature between 400 and 2500 ° C., which is subsequently expanded in a gas turbine.
  • supercritical water vapor with a pressure of more than 221, 2bar and a
  • the high-pressure steam generated in the steam boiler which has a pressure between 5 and 300 bar and a temperature between 130 and 600 ° C, is expanded in a steam turbine, which is coupled to a power generator.
  • a steam turbine which is coupled to a power generator.
  • steam which has been cooled but not condensed in the steam boiler is expanded in a condensation turbine coupled to a power generator.
  • the aim is to store generated by electrolysis hydrogen and oxygen with the least possible space.
  • a variant of the method according to the invention provides to store the two substances in gaseous form, where the accumulator pressure is between 250 and 1000 bar.
  • Oxygen may also be stored in supercritical state and / or liquid at pressures less than 50 bar. Since hydrogen and oxygen are not utilized directly but are stored under pressure, it is advisable, for reasons of efficiency and economy, to carry out the electrolysis as pressure electrolysis, with hydrogen and oxygen being produced at the working pressure of the electrolyzer, the so-called electrolyzer. This reduces the energy required for the compression of the two substances to storage pressure energy requirement.
  • the invention provides that the electrolysis is carried out at a pressure which is between 5 and 150 bar, preferably between 5 and 30 bar and more preferably between 5 and 15 bar.
  • oxygen is stored in a liquid state, it is first necessary to remove heat from it, which then has to be returned to it when it is converted into steam with hydrogen. To minimize the energy required for this purpose, it is proposed that gaseous oxygen against a
  • Heat transfer medium is cooled and liquefied, which heats up and / or changes its state of matter, and liquid oxygen against a
  • Heat transfer medium is vaporized and warmed, which cools during this and / or changes its state of aggregation.
  • air is used as the heat transfer medium, which is liquefied and stored in this state.
  • inventive method to introduce hydrogen and oxygen at pressures of more than 225bar in the combustion chamber of the steam generator. Since the pressure of a liquid can be increased with less effort than that of a gas, it is expediently liquid stored oxygen from the
  • Removed storage device pumped to a pressure of more than 225 bar and then introduced into gaseous hydrogen and evaporated.
  • Electricity is produced during a second phase of operation via a turbine process Electricity is produced. It makes sense that the two operating phases do not overlap in time, so that in the first operating phase, in which the electrolyzer is operated, the turbine or the turbines are not operated and only in the first operating phase, in which the electrolyzer is operated, the turbine or the turbines are not operated and only in the first operating phase, in which the electrolyzer is operated, the turbine or the turbines are not operated and only in the
  • An expedient embodiment of the method according to the invention therefore provides that at least one for
  • the invention relates to a device for storing electrical energy, comprising an electrolysis device, in which water can be split by electric current into hydrogen and oxygen, and a memory device in which hydrogen and oxygen can be stored separately from each other.
  • this object is achieved by having a steam generator with a combustion chamber, to which hydrogen and oxygen from the storage device can be fed for reaction in water vapor, and a turbine coupled to a power generator, in which steam generated in the steam generator performs mechanical work is relaxing.
  • the steam generator is designed so that the combustion chamber
  • demineralized water may be supplied in liquid form and / or gaseous to those occurring in the reaction of hydrogen and oxygen
  • the steam generator is designed for the generation of superheated or supercritical water vapor, to which its combustion chamber has a compressive strength of more than 225 bar.
  • the turbine can be designed as a gas turbine or as a steam turbine. If the steam generator allows the generation of supercritical water vapor, the turbine is usefully a steam turbine designed for the introduction of supercritical water vapor.
  • a preferred variant of the device according to the invention provides a steam boiler in which high-pressure steam can be generated in heat exchange with steam flowing out of the gas turbine.
  • the device according to the invention further comprises a steam turbine coupled to a power generator, to which the high-pressure steam generated in the steam boiler can be supplied for the purpose of performing mechanical work.
  • Steam generator connected via the relaxed in the steam turbine water vapor can be introduced as a temperature moderator in the combustion chamber of the steam generator.
  • An embodiment of the device according to the invention provides one of
  • Cooling water is condensable. Another embodiment sees one with a
  • Power generator coupled condensation turbine before, in the steam boiler cooled water vapor can be supplied to perform mechanical work.
  • the device according to the invention has a closed circuit for demineralized water, which expediently comprises a water tank, introduced into the condensate obtained as demineralized water and from which it can be removed again, for example, to be supplied to the electrolyzer or the combustion chamber of the steam generator.
  • a closed circuit for demineralized water which expediently comprises a water tank, introduced into the condensate obtained as demineralized water and from which it can be removed again, for example, to be supplied to the electrolyzer or the combustion chamber of the steam generator.
  • the electrolysis device is therefore preferably designed to carry out a pressure electrolysis which is suitable for generating hydrogen and oxygen at pressures between 5 and 150 bar, preferably between 5 and 30 bar and particularly preferably between 5 and 15 bar.
  • the products produced in the electrolysis device should be stored in gaseous or liquid form under elevated pressure.
  • the products produced in the electrolysis device should be stored in gaseous or liquid form under elevated pressure.
  • the products produced in the electrolysis device should be stored in gase
  • Storage device means in which a product produced in the electrolysis device can be compressed and / or liquefied.
  • the storage device further comprises a storage container in which hydrogen can be stored in gaseous form at pressures between 250 and 1000 bar.
  • it comprises at least one further storage container in which oxygen can be stored in gaseous form at pressures of between 150 and 1000 bar or in the supercritical state or liquid at pressures of less than 50 bar.
  • the storage device has a device in which gaseous oxygen can be cooled and liquefied against a heat transfer medium which heats up and / or changes its state of matter, and liquid oxygen can be vaporized and heated against a heat transfer medium, the cools down and / or changes its state of aggregation.
  • air as
  • Heat transfer medium are used, according to the invention, a storage container for storing air to be evaporated against oxygen to be evaporated
  • a further variant of the device according to the invention provides a heating device with which it is possible to have a system component even at times
  • This heating device can be designed, for example, as an electric heating element or as a burner, with the aid of which the electrolyzer and / or a turbine are kept at operating temperature can be.
  • the steam generator allows the generation of water vapor in all phases of operation, so that the turbine or the turbines can be kept at operating temperature even with the aid of hot steam, even if they are not used for power production.
  • the invention can be used with particular preference for the storage of inexpensive night and weekend electricity, which is returned to the power grid in times of high power demand as a peak current.
  • their use is also conceivable in solar thermal power plants to store part of the electricity produced during the day for delivery during the night hours.
  • FIG. 1 shows a variant of the invention in which hydrogen is converted with oxygen into steam, the energy of which is converted into electric current in a two-stage turbine process.
  • Via line 1 to be stored electric power is supplied to the electrolyzer E, which is preferably designed as a high-pressure electrolyzer, and in the water 2, for example, at a pressure of 50 bar and a temperature of 80 ° C.
  • the water 2 is demineralized water, which is taken from the water reservoir W via the pump P1.
  • the resulting in the electrolyzer E hydrogen 3 is compressed via the compressor V1 and gaseously introduced into the hydrogen storage H, while the oxygen via line 4 and the compressor V2 is also performed in gaseous form in the oxygen storage O. This process will continue as long as electricity can be obtained via line 1 on favorable terms, such as from the public grid at night or on the
  • Steam generator B supplied demineralized water from the water reservoir W and injected into the combustion chamber.
  • the superheated steam produced in the steam generator B is removed via line 8 and at a temperature of approx.
  • the expanded steam leaves the gas turbine G and is passed via line 9 in the high-pressure steam boiler HD.
  • the boiler feed water 10 is cooled in indirect heat exchange with boiler feed water 10 and condensed, so that via line 11 demineralized water can be passed into the water tank W.
  • the superheated steam is supplied via line 12 of the high-pressure steam turbine D, where it is relaxed while performing mechanical work.
  • the mechanical work generated in the two turbines G and D is transmitted via the shaft W to the generator S and converted there into electrical power, which is delivered via line 13, for example in the public power grid.
  • the steam released from the high-pressure steam turbine D is split into the two steam streams 14 and 17.
  • the vapor stream 17 is introduced as a temperature moderator in the combustion chamber of the steam generator B.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie (1), wobei Wasserstoff (3) und Sauerstoff (4) durch Elektrolyse (E) aus Wasser (2) erzeugt, in eine Speichereinrichtung (H, O) eingeleitet und voneinander getrennt gespeichert werden. Wasserstoff (5) und Sauerstoff werden (6) aus der Speichereinrichtung entnommenen und bei erhöhtem Druck in der Brennkammer eines Dampferzeugers (B) zu Wasserdampf (7) umgesetzt, der nachfolgend in einer mit einem Stromgenerator (S) gekoppelten Turbine (G) unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Stromspeicherung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, wobei Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt, in eine
Speichereinrichtung eingeleitet und voneinander getrennt gespeichert werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des 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 nur ein geringer Teil 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 verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung entnommenen und bei erhöhtem Druck in der Brennkammer eines Dampferzeugers zu Wasserdampf umgesetzt werden, der nachfolgend in einer mit einem Stromgenerator gekoppelten Turbine unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird. Die Energie des im Dampferzeuger gewonnenen Wasserdampfes wird somit in elektrische Energie umgewandelt.- Zur Durchführung der Elektrolyse aufgenommener Strom kann daher gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden.
Sinnvollerweise werden Elektrolyse und die Produktion von Wasserdampf bzw. Strom zeitversetzt durchgeführt.
Wasserstoff und Sauerstoff werden vorzugsweise im Mengenverhältnis 1 :2
gespeichert, in dem sie auch bei der Elektrolyse anfallen. Sinnvollerweise werden die beiden Stoffe auch in diesem Mengenverhältnis aus der Speichereinrichtung entnommen und der Brennkammer des Dampferzeugers zur Verbrennung zugeführt. Um zu verhindern, dass die bei der Verbrennungsreaktion freigesetzte Energie zu
Beschädigungen des Dampferzeugers und/oder der Turbine führt, wird vorgeschlagen, entmineralisiertes Wasser als Temperaturmoderator einzusetzen. Die erforderliche Wassermenge wird hierzu ganz oder teilweise direkt oder gemeinsam mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff in die Brennkammer eingebracht oder zu dem aus der Brennkammer abströmenden Wasserdampf gemischt, wobei das Wasser flüssig und/oder dampfförmig zugeführt wird.
Vorzugsweise wird im Dampferzeuger überhitzter Wasserdampf mit einem Druck zwischen 0 und 300 bar und einer Temperatur zwischen 400 und 2500°C erzeugt, der nachfolgend in einer Gasturbine entspannt wird. Vorstellbar ist jedoch auch, däss überkritischer Wasserdampf mit einem Druck von mehr als 221 ,2bar und einer
Temperatur von mehr als 374, 2°C erzeugt und in einer Dampfturbine entspannt wird. Besonders vorteilhaft erscheint es, auch die Enthalpie des in der Gasturbine entspannten Wasserdampfes zur Stromerzeugung zu nutzen. Hiezu wird
vorgeschlagen, den Wasserdampf in einem Dampfkessel unter Erzeugung von
Hochdruckdampf abzukühlen und ggf. zu kondensieren. Der im Dampfkessel erzeugte Hochdruckdampf, der ein Druck zwischen 5 und 300 bar und eine Temperatur zwischen 130 und 600°C aufweist, wird in einer Dampfturbine entspannt, die mit einem Stromgenerator gekoppelt ist. Zweckmäßigerweise wird aus der Dampfturbine austretender Wasserdampf als Temperaturmoderator der Brennkammer des
Dampferzeugers zugeführt. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Dampfkessel abgekühlter, jedoch nicht kondensierter Wasserdampf in einer mit einem Stromgenerator gekoppelten Kondensationsturbine entspannt wird.
Der Elektrolyse, aber auch dem Dampfkessel, kann nur entmineralisiertes Wasser zugeführt werden, das in einem aufwendigen und teueren Prozess aus Trinkwasser gewonnen werden muss. Um den Aufwand für die Wasseraufbereitung gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass aus der oder den Turbinen austretender
Wasserdampf kondensiert und das entstehende Kondensat in einen Wasserspeicher eingeleitet wird, aus dem Wasser entnommen und der Elektrolyse und/oder dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfkessel zugeführt wird. Das entmineralisierte Wasser wird somit in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wodurch keine oder nur sehr geringe Wasserverluste auftreten, die ersetzt werden müssen.
Aus wirtschaftlichen Gründen wird angestrebt, durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff und Sauerstoff mit möglichst geringem Platzbedarf zu speichern. Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die beiden Stoffe gasförmig zu speichern, wobei der Speicherdruck zwischen 250 und 1000 bar liegt. Sauerstoff kann auch in überkritischem Zustand und/oder flüssig bei Drücken von weniger als 50 bar gespeichert werden. Da Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt verwertet, sondern unter Druck gespeichert werden, bietet es sich aus Gründen der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit an, die Elektrolyse als Druckelektrolyse durchzuführen, wobei Wasserstoff und Sauerstoff mit dem Arbeitsdruck der Elektrolyseeinrichtung, des sog. Elektrolyseurs, erzeugt werden. Hierdurch verringert sich der für die Verdichtung der beiden Stoffe auf Speicherdruck erforderliche Energiebedarf. Die Erfindung sieht vor, dass die Elektrolyse bei einem Druck durchgeführt wird, der zwischen 5 und 150bar, vorzugsweise zwischen 5 und 30 bar und besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar liegt.
Wird Sauerstoff flüssig gespeichert, ist es erforderlich ihm zunächst Wärme zu entziehen, die ihm dann wieder zugeführt werden muss, wenn er mit Wasserstoff zu Wasserdampf umgesetzt wird. Um den hierfür erforderlichen Energieaufwand zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass gasförmiger Sauerstoff gegen ein
Wärmeträgermedium abgekühlt und verflüssigt wird, das sich dabei erwärmt und/oder seinen Aggregatzustand ändert, und flüssiger Sauerstoff gegen ein
Wärmeträgermedium verdampft und angewärmt wird, das sich dabei abkühlt und/oder seinen Aggregatzustand ändert. Vorzugsweise wird als Wärmeträgermedium Luft eingesetzt, die dabei verflüssigt und in diesem Zustand gespeichert wird.
Um überkritischen Dampf mit einem Druck von mehr als 221 ,2bar und einer
Temperatur von mehr als 374, 12°C zu erzeugen, sieht eine Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens vor, Wasserstoff und Sauerstoff mit Drücken von mehr als 225bar in die Brennkammer des Dampferzeugers einzuleiten. Da der Druck einer Flüssigkeit mit geringerem Aufwand erhöht werden kann als der eines Gases, wird hierzu zweckmäßigerweise flüssig gespeicherter Sauerstoff aus der
Speichereinrichtung entnommen, auf einen Druck von mehr als 225 bar gepumpt und anschließend in gasförmigen Wasserstoff eingeleitet und verdampft.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer ersten
Betriebsphase von einem Elektrolyseur Strom zur Zerlegung von Wasser
aufgenommen, während in einer zweiten Betriebsphase über einen Turbinenprozess Strom produziert wird. Sinnvollerweise überschneiden sich die beiden Betriebsphasen zeitlich nicht, so dass in der ersten Betriebsphase, in der der Elektrolyseur betrieben wird, die Turbine oder die Turbinen nicht betrieben werden und sich lediglich im
Zustand der Betriebsbereitschaft befinden. Andererseits ist der Elektrolyseur dann lediglich in Betriebsbereitschaft, wenn mit Hilfe der Turbine oder der Turbinen in der zweiten Betriebsphase Strom produziert wird. Wird eine Anlagenkomponente während einer Betriebsphase nicht betrieben, so besteht die Gefahr, dass sie abkühlt und bei einem Wechsel der Betriebsphase erst wieder zeitaufwendig auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, bevor es möglich ist, sie mit voller Last zu betreiben. Als besonders problematisch sind in dieser Hinsicht Dampfturbinen, insbesondere
Hochdruck-Dampfturbinen, anzusehen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass zumindest eine zur
Stromproduktion einsetzbare Turbine und/oder der Elektrolyseur im Zustand der Betriebsbereitschaft auf Betriebstemperatur oder einer Temperatur gehalten wird, die zwar niedriger ist als die Betriebstemperatur, die es jedoch erlaubt, die Turbine und/oder den Elektrolyseur in wenigen Minuten aus dem Zustand der
Betriebsbereitschaft auf Volllastbetrieb umzuschalten. Erreicht werden kann dies durch eine ausreichend gute Wärmeisolierung der Anlagenkomponenten und/oder durch die Zuführung von Wärme, beispielsweise über elektrische Heizeinrichtungen oder Brenner. Insbesondere wird vorgeschlagen, in der Brennkammer des Dampferzeugers Wasserstoff mit Sauerstoff umzusetzen und den dabei entstehenden Wasserdampf durch die Turbine oder die Turbinen zu leiten, solange diese sich im Zustand der Betriebsbereitschaft befinden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend eine Elektrolyseeinrichtung, in der Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann, sowie eine Speichereinrichtung, in der Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander gespeichert werden können. Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen Dampferzeuger mit einer Brennkammer, der Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung zur Umsetzung in Wasserdampf zuführbar sind, sowie eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Turbine aufweist, in der im Dampferzeuger erzeugter Wasserdampf unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannbar ist. Vorzugweise ist der Dampferzeuger so ausgeführt, dass der Brennkammer
entmineralisiertes Wasser in flüssiger Form und/oder gasförmig zugeführt werden kann, um die bei der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff auftretenden
Temperaturen zu begrenzen. Besonders bevorzugt ist der Dampferzeuger für die Erzeugung von überhitztem oder überkritischem Wasserdampf ausgelegt, wozu seine Brennkammer eine Druckfestigkeit von mehr als 225 bar aufweist.
Die Turbine kann als Gasturbine oder als Dampfturbine ausgeführt sein. Falls der Dampferzeuger die Erzeugung überkritischen Wasserdampfes erlaubt, handelt es sich bei der Turbine sinnvollerweise um eine Dampfturbine, die für die Einleitung von überkritischem Wasserdampf ausgelegt ist.
Ist die Turbine als Gasturbine ausgeführt, so sieht eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Dampfkessel vor, in dem Hochdruckdampf im Wärmetausch gegen aus der Gasturbine abströmenden Wasserdampf erzeugt werden kann. In dieser Variante weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Dampfturbine auf, der der im Dampfkessel erzeugte Hochdruckdampf zur Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt werden kann.
Sinnvollerweise ist diese Dampfturbine über eine Rückführeinrichtung mit dem
Dampferzeuger verbunden, über die in der Dampfturbine entspannter Wasserdampf als Temperaturmoderator in die Brennkammer des Dampferzeugers eingeleitet werden kann. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen der
Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator vor, in dem der in der Dampfturbine entspannte Wasserdampf, beispielsweise in indirektem Wärmetausch gegen
Kühlwasser, kondensierbar ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht eine mit einem
Stromgenerator gekoppelte Kondensationsturbine vor, der im Dampfkessel abgekühlter Wasserdampf zur Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt werden kann.
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen geschlossenen Kreislauf für entmineralisiertes Wasser auf, der zweckmäßigerweise einen Wassertank umfasst, in den als Kondensat anfallendes entmineralisiertes Wasser eingeleitet und aus dem es wieder entnommen werden kann, um beispielsweise dem Elektrolyseur oder der Brennkammer des Dampferzeugers zugeführt zu werden. Bei der elektrochemischen Zerlegung von Wasser entstehen die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff mit einer umso größeren Reinheit, je höher der Druck ist, bei dem die Zerlegung durchgeführt wird. Wasserstoff und Sauerstoff liegen darüber hinaus bereits unter Druck vor, so dass sich der Energiebedarf für ihre Speicherung mit steigendem Arbeitsdruck des Elektrolyseurs verringert. Die Elektrolyseeinrichtung ist daher vorzugsweise zur Durchführung einer Druckelektrolyse ausgeführt, die dazu geeignet ist, Wasserstoff und Sauerstoff mit Drücken zwischen 5 und 150 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 30 bar und besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar zu erzeugen. Die in der Elektrolyseeinrichtung erzeugten Produkte sollen gasförmig oder flüssig unter erhöhtem Druck gespeichert werden. Zu diesem Zweck umfasst die
Speichereinrichtung eine Einrichtung in der ein in der Elektrolyseeinrichtung erzeugtes Produkt verdichtet und/oder verflüssigt werden kann. Die Speichereinrichtung umfasst weiterhin einen Speicherbehälter, in dem Wasserstoff gasförmig bei Drücken zwischen 250 und 1000 bar gespeichert werden kann. Außerdem umfasst sie wenigstens einen weiteren Speicherbehälter, in dem Sauerstoff gasförmig bei Drücken zwischen 150 und 1000 bar oder in überkritischem Zustand oder flüssig bei Drücken von weniger als 50 bar speicherbar ist. In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Speichereinrichtung eine Einrichtung auf, in der gasförmiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium abgekühlt und verflüssigt werden kann, das sich dabei erwärmt und/oder seinen Aggregatzustand ändert, und flüssiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium verdampft und angewärmt werden kann, das sich dabei abkühlt und/oder seinen Aggregatzustand ändert. Zweckmäßigerweise kann in dieser Einrichtung Luft als
Wärmeträgermedium eingesetzt werden, wobei erfindungsgemäß ein Speicherbehälter zur Speicherung von gegen zu verdampfenden Sauerstoff verflüssigter Luft
vorgesehen ist. Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Heizeinrichtung vor, mit der es möglich ist, eine Anlagenkomponente auch in Zeiten auf
Betriebstemperatur zu halten, in denen sie bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens nicht benötigt wird. Diese Heizeinrichtung kann beispielsweise als elektrisches Heizelement oder als Brenner ausgeführt sein, mit dessen Hilfe der Elektrolyseur und/oder eine Turbine auf Betriebstemperatur gehalten werden können. Vorzugsweise erlaubt der Dampferzeuger in allen Betriebsphasen die Erzeugung von Wasserdampf, so dass die Turbine oder die Turbinen auch dann mit Hilfe des heißen Wasserdampfes auf Betriebstemperatur gehalten werden können, wenn sie nicht zur Stromproduktion eingesetzt werden.
Die Erfindung kann mit besonderem Vorzug zur Speicherung von preiswertem Nacht- und Wochenendstrom eingesetzt werden, der in Zeiten hohen Strombedarfs als Spitzenstrom wieder an das Stromnetz abgegeben wird. Ihr Einsatz ist jedoch auch in solarthermischen Kraftwerken denkbar, um einen Teil des während des Tages produzierten Stromes zur Abgabe während der Nachtstunden zu speichern.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur 1 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserdampf umgesetzt wird, dessen Energie in einem zweistufigen Turbinen- Prozess in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Über Leitung 1 wird zu speichernder elektrischer Strom dem Elektrolyseur E zugeführt, der vorzugsweise als Hochdruck-Elektrolyseur ausgeführt ist, und in dem Wasser 2 beispielsweise bei einem Druck von 50 bar und einer Temperatur von 80°C
elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird. Bei dem Wasser 2 handelt es sich um entmineralisiertes Wasser, das über die Pumpe P1 aus dem Wasserspeicher W entnommen wird. Der im Elektrolyseur E anfallende Wasserstoff 3 wird über den Verdichter V1 komprimiert und gasförmig in den Wasserstoffspeicher H eingeleitet, während der Sauerstoff über Leitung 4 und den Verdichter V2 ebenfalls gasförmig in den Sauerstoffspeicher O geführt wird. Dieser Prozess wird fortgesetzt, solange Strom über Leitung 1 zu günstigen Konditionen bezogen werden kann, wie dies beispielsweise aus dem öffentlichen Stromnetz in der Nacht oder am
Wochenende möglich ist.
Um elektrischen Strom zu erzeugen, werden Wasserstoff und Sauerstoff aus ihren Speichereinrichtungen H und O entnommen und über die Leitungen 5 und 6 stöchiometrisch der Brennkammer des Dampferzeugers B zugeleitet und bei einem Druck von ca. 20 bar zu Wasserdampf umgesetzt. Um die Temperaturen auf einen unkritischen Wert zu begrenzen, wird über Leitung 7 und die Pumpe P2 dem
Dampferzeuger B entmineralisiertes Wasser aus dem Wasserspeicher W zugeführt und in die Brennkammer eingespritzt. Der im Dampferzeuger B produzierte überhitzte Wasserdampf wird über Leitung 8 entnommen und mit einer Temperatur von ca.
1600°C und einem Druck von ca. 20 bar der Gasturbine G zugeführt, wo er unter Leistung mechanischer Arbeit entspannt wird. Mit einer Temperatur von ca. 850°C verlässt der entspannte Wasserdampf die Gasturbine G und wird über Leitung 9 in den Hochdruckdampfkessel HD geleitet. Hier wird er in indirektem Wärmetausch gegen Kesselspeisewasser 10 abgekühlt und kondensiert, so dass über Leitung 11 entmineralisiertes Wasser in den Wasserspeicher W geleitet werden kann. Das mit Hilfe der Pumpe P3 ebenfalls dem Wassertank W entnommene Kesselspeisewasser 10 wird im Hochdruckdampfkessel HD verdampft und überhitzt. Mit einem Druck von ca. 110 bar und einer Temperatur von ca. 530°C wird der überhitzte Wasserdampf über Leitung 12 der Hochdruck-Dampfturbine D zugeführt, wo er unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird. Die in den beiden Turbinen G und D erzeugte mechanische Arbeit wird über die Welle W auf den Generator S übertragen und dort in elektrischen Strom umgewandelt, der über Leitung 13 beispielsweise in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird. Der entspannt aus der Hochdruck-Dampfturbine D austretende Wasserdampf wird in die beiden Dampfströme 14 und 17 aufgeteilt.
Während der Dampfstrom 14 im Kondensator K gegen Kühlwasser 15 kondensiert und als Kondensat 16 in den Wasserspeicher W zurückgeführt wird, wird der Dampfstrom 17 als Temperaturmoderator in die Brennkammer der Dampferzeugers B eingeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, wobei Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt, in eine Speichereinrichtung eingeleitet und voneinander getrennt gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung entnommenen und bei erhöhtem Druck in der Brennkammer eines Dampferzeugers zu Wasserdampf umgesetzt werden, der nachfolgend in einer mit einem Stromgenerator
gekoppelten Turbine unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass entmineralisiertes Wasser in die Brennkammer eingebracht wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampferzeuger überhitzter Wasserdampf erzeugt wird, der in einer Gasturbine entspannt und anschließend in einem Dampfkessel unter Erzeugung von
Hochdruckdampf abgekühlt und kondensiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Dampfkessel erzeugte Hochdruckdampf, der ein Druck zwischen 5 und 300 bar und eine Temperatur zwischen 130 und 600°C aufweist, in einer Dampfturbine entspannt wird, die mit einem Stromgenerator gekoppelt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Dampfturbine austretender Wasserdampf als Temperaturmoderator der Brennkammer des
Dampferzeugers zugeführt wird.
6. Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend eine
Elektrolyseeinrichtung, in der Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann, sowie eine Speichereinrichtung, in der Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander gespeichert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Dampferzeuger mit einer
Brennkammer, der Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung zur Umsetzung in Wasserdampf zuführbar sind, sowie eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Turbine aufweist, in der im Dampferzeuger erzeugter Wasserdampf unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer des Dampferzeugers entmineralisiertes Wasser zugeführt werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Turbine um eine Dampfturbine oder eine Gasturbine handelt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen
Dampfkessel umfasst, in dem Hochdruckdampf im Wärmetausch gegen aus der Gasturbine abströmenden Wasserdampf erzeugt werden kann, sowie eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Dampfturbine, in der der Hochdruckdampf unter Leistung mechanischer Arbeit entspannbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Dampfturbine mit dem Dampferzeuger über eine Rückführeinrichtung verbunden ist, über die in der Dampfturbine entspannter Wasserdampf als Temperaturmoderator in die
Brennkammer des Dampferzeugers eingeleitet werden kann.
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