WO2012142996A2 - Water treatment for the electrolysis of water - Google Patents

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Definitions

  • the present invention thus provides a process for the treatment of water for the electrolysis of water, characterized in that the heat energy released during the electrolysis of water is used to evaporate water.
  • the present invention thus further the treatment of water for electrolysis of water is characterized in that the liberated in the electrolysis of water heat energy for the distillation of sea and brackish water is used.
  • Another object of the present invention is thus the treatment of water for electrolysis of water characterized in that the cooling of the electrolyzer heated cooling water, then condensed and used as feed water for electrolysis, preferably sea or brackish water according to the invention are used as cooling water ,
  • sea water as cooling and feed water (distilled water) for the electrolyzer
  • sea water directly in an "offshore” wind farm
  • every windmill has its own electrolysis unit with water treatment in the immediate vicinity, directly from the windmill direct low-voltage direct current, suitable for water electrolysis, can be provided
  • hydrogen is recovered “in situ” as renewable energy and, like other fuel gases (eg natural gas), is reclaimed, converted to DC and inversion, as is usually necessary for the transport and use of renewable energies ) and stored.
  • the electrical energy direct current, low voltage, high current density
  • the electrical energy e.g. From the Persian Gulf to the consumers in Europe and the Far East is also not very promising.
  • the present invention thus further a method for the treatment of water for the electrolysis of water is characterized in that the liberated during the water electrolysis heat is used to evaporate water, from the water vapor after condensation distilled water is obtained as feed water for an electrolyzer and both the water treatment as well as the water electrolysis is connected with wind turbine or solar system, preferably wind or solar power for direct use for the electrolysis is generated as a direct current with tuned to the electrolyzer voltage.
  • Natural gas consists mainly of methane.
  • coal can be produced by electrolysis with excess wind or solar power, and climate-friendly methane.
  • the economy of water electrolysis is also the prerequisite for this technology ..
  • natural gas methane
  • the electrical energy generated is preferably used for the purpose of stabilizing the power grid.
  • the carbon dioxide is separated and stored for the following second phase of operation.
  • the water treated according to the invention is converted into hydrogen by electrolysis using this excess energy, and the hydrogen hydrogenates the carbon dioxide generated in the first operating phase to methane.
  • Methane is fed into the natural gas grid.
  • natural gas is taken from the natural gas grid during the first phase of operation and an equivalent amount of methane is released into the gas network in the following phase of operation.
  • the amount of methane generated which is consumed in the subsequent first phase of operation of the gas power plant and delivered as electrical energy to the power grid for stabilization.
  • the methane is always reconstructed from its combustion product carbon dioxide.
  • the gas-fired power plant works thereby emission-free. At equilibrium, no natural gas is consumed and no carbon dioxide is released. In toto this is a "chemical storage power plant" with carbon dioxide storage.
  • the hydrogen thus obtained from excess electrical energy can be introduced into the natural gas grid.
  • it also offers advantages with the hydrogen produced according to the invention in the area of the nuclear power plant for the above-described hydrogenation of carbon monoxide (synthesis gas) or carbon dioxide and thus to recover methane from the surplus energy.
  • the carbon dioxide can be taken from a gas power plant, which results from conversion of the energy part of the nuclear power plant.
  • the conversion to a gas and steam power plant can e.g. about 2/3 of the steam turbines, which are converted into gas turbines.
  • you get a gas and steam power plant The combination of water electrolysis with gas power plant can then emit electrical energy into the network to stabilize it alternately or absorb excess energy and transform it into hydrogen or methane.
  • Downstream nuclear power plants become storage power plants through the production of carbon dioxide from reconstructed methane and the gas network becomes a memory.

Abstract

Currently, the electrolysis of water is used primarily for producing pure hydrogen. In the future, however, hydrogen produced by the electrolysis of water will gain increasing importance as a secondary energy carrier for renewable energies. Thus, there is a necessity to make the electrolysis of water as economical as possible. According to the current prior art, the efficiency of the electrolysis of water is approximately an 80% hydrogen yield. 20% of the electric energy is lost as thermal energy. Additionally, salt-free or distilled water that is produced from freshwater by means of ion exchangers must be continuously added for a trouble-free operation. When converting the electric energy directly into hydrogen in offshore wind parks, sea water must be desalinated if freshwater is not supplied. The same applies to solar power plants in desert areas in the vicinity of coasts. It has now been determined that 4.4 - 4.6 KW, 0.8 to 0.9 KW of which must be discharged as thermal energy by cooling the electrolysis device, are required to electrolytically produce 1 Nm of hydrogen. Treated (distilled) water, for the heating and distillation of which 0.8 to 0.9 KW of "waste heat" may suffice, must be introduced into the electrolysis device in order to produce 1 Nm of hydrogen 0.8 l (802 g). By integrating the treatment of water into the electrolysis process, the water electrolysis is suitable for bringing into physical proximity to the location where wind or solar power is harvested, said power then being directly producible as direct current with the voltage that is appropriate for the electrolysis device. This is a substantial simplification of the total system, both in the electrolysis process as well as in the harvesting, transportation, and conversion of wind or solar power. The hydrogen produced according to the invention can likewise be introduced as combustible gas into natural gas and brought into circulation together with the natural gas. At the use point, however, the highly different physical, chemical, and fire safety properties between hydrogen and natural gas must be taken into consideration. It is also possible to use the hydrogen to hydrogenate carbon dioxide or carbon monoxide and to reconstruct methane from the combustion gases thereof. If the electrolysis device and the system for hydrogenating carbon dioxide are coupled to a gas power plant, the power plant can first dispense natural gas in a sequence of operating states, wherein carbon dioxide can be separated from the fumes. In the subsequent operating state, the carbon dioxide is hydrogenated with hydrogen provided by the electrolysis device into methane. The first operating state is used to stabilize the power grid, and excess wind and solar power is converted into hydrogen and then into methane in the second operating state. The methane is conducted back into the natural gas grid. Such a system can be used as a storage power plant. Said simplification of the accessibility of highly purified feed water for the electrolysis of water, whether it is for reconverting the hydrogen or for reconstructing methane, is of economic significance specifically with the use of natural gas.

Description

Wasseraufbereitung für Wasserelektrolyse  Water treatment for water electrolysis
Die Wasserelektrolyse dient heute hauptsächlich der Herstellung von reinem Wasserstoff. In Zukunft wird jedoch durch Wasserelektrolyse hergestellter Wasserstoff als Sekundärenergieträger für erneuerbare Energien eine steigende Bedeutung erlangen. Today, water electrolysis is mainly used to produce pure hydrogen. In the future, however, hydrogen produced by electrolysis of water will become increasingly important as a secondary source of energy for renewable energies.
Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Wasserelektrolyse möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Nach dein heutigen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei ca. 80% Wasserstoffausbeute. 20% der elektrischen Energie gehen als Wärmeenergie verloren. Hinzu kommt, dass für einen störungsfreien Betrieb fortlaufend salzfreies, bzw. destilliertes Wasser zugegeben werden muss, das aus Süßwasser z.B. mittels Ionenaustauscher aufbereitet wird Je nach Qualität des verfügbaren Wassers muss die Reinigung mehrfach erfolgen. This results in the need to make the water electrolysis as economical as possible. According to the state of the art, the efficiency of water electrolysis is about 80% hydrogen yield. 20% of the electrical energy is lost as heat energy. In addition, for trouble-free operation, continuously salt-free or distilled water must be added, e.g. Is processed by means of an ion exchanger Depending on the quality of the available water, the cleaning must be done several times.
Will man in„off shore" Windparks die elektrische Energie direkt in Wasserstoff verwandeln so muss, will man nicht Süßwasser herbeischaffen, Meerwasser entsalzt werden. Gleiches gilt für Solarkraftwerke in Wüstegegenden, welche sich in Küstennähe befinden. If you want to convert electrical energy directly into hydrogen in "offshore" wind farms, you do not want to bring in fresh water, you have to desalinate sea water.
Es wurde nun festgestellt, dass zur elektronischen Herstellung von 1Nm Wasserstoff 4,4 - 4,6 KW. benötigt werden, wovon 0,8 bis 0,9 KW als Wärmeenergie durch Kühlung des Elektrolysegerätes abgeführt werden muss. Andererseits muss für die Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 0.8 I (802 g) aufbereitetes (destilliertes) Wasser in das Elektrolysegerät eingeleitet werden, für dessen Erwärmung und Destillation 0,8 bis 0,9 KW„Abfallwärme" ausreichen dürften. It has now been found that for the electronic production of 1Nm hydrogen 4.4 - 4.6 KW. are needed, from which 0.8 to 0.9 KW must be dissipated as heat energy by cooling the electrolyzer. On the other hand, for the production of 1 Nm of hydrogen, 0.8 l (802 g) of treated (distilled) water must be introduced into the electrolyzer, for the heating and distillation of which 0.8 to 0.9 kW of "waste heat" should suffice.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird. The present invention thus provides a process for the treatment of water for the electrolysis of water, characterized in that the heat energy released during the electrolysis of water is used to evaporate water.
Nach diesem Verfahren wird es möglich, z.B. in einem„off shore" Windpark die Herstellung von Windstrom direkt mit der Elektrolyse zu koppeln und dabei Meerwasser zu verwenden. Da die elektrische Energie dann nicht mehr transportiert werden muss, kann man direkt am Windrad Gleichstrom niedriger Spannung gewinnen und ihn vor Ort durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Elektrische Energie muss dann nicht mehr umgespannt, gleichgerichtet, als hochgespannter Gleichstrom in Unterwasserkabeln transportiert und dann wechselgerichtet und erneut umgespannt zu werden. Stattdessen wird die Energie am Windrad in Wasserstoff umgewandelt und dieser wird als Energiegas in Gasleitungen zur Sammelstelle und dann zum Verbraucher geleitet. According to this method it is possible, for example in an "offshore" wind farm, to connect the production of wind power directly to the electrolysis and to use seawater.As the electrical energy then no longer has to be transported, direct current at the wind turbine can be obtained and convert it into hydrogen on-site by electrolysis, which means that electrical energy no longer needs to be reconnected, rectified, transported in submarine cables as high-voltage direct current and then reversed and reconnected to be transformed. Instead, the energy at the wind turbine is converted into hydrogen and this is passed as energy gas in gas lines to the collection point and then to the consumer.
Gleiches gilt bei Anlagen für Solarstrom, wobei in Photovoltaik-Anlagen der dort zwangsläufig entstehende Gleichstrom direkt dem Elektrolysegerät zugeleitet werden kann. The same applies to systems for solar power, which can be fed directly to the electrolyzer in photovoltaic systems, the inevitable resulting direct current.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit weiterhin die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zur Destillation von Meer- und Brackwasser verwendet wird. The present invention thus further the treatment of water for electrolysis of water is characterized in that the liberated in the electrolysis of water heat energy for the distillation of sea and brackish water is used.
Koppelt man die Wasserkühlung eines Elektrolysegerätes derart mit einer Vorrichtung zur Verdampfung von Wasser, dass das bei der Kühlung erwärmte Wasser verdampft und der Wasserdampf kondensiert wird, so erhält man direkt das Speisewasser für die Elektrolyse. Coupling the water cooling of an electrolyzer in such a way with a device for the evaporation of water that evaporates the heated water during cooling and the water vapor is condensed, you get directly the feed water for electrolysis.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass das bei er Kühlung des Elektrolysegerätes erwärmte Kühlwasser verdampft, dann kondensiert und als Speisewasser zur Elektrolyse verwendet wird, wobei vorzugsweise Meer- oder Brackwasser erfindungsgemäß als Kühlwasser verwendet werden. Another object of the present invention is thus the treatment of water for electrolysis of water characterized in that the cooling of the electrolyzer heated cooling water, then condensed and used as feed water for electrolysis, preferably sea or brackish water according to the invention are used as cooling water ,
Die Verwendung von Meerwasser als Kühl- und Speisewasser (destilliertes Wasser) für das Elektrolysegerät erlaubt den Aufbau des Elektrolysegerätes z.B. direkt in einem„off shore" Windpark. Da hierbei jedem Windrad ein eigenes Elektrolysegerät mit erfind ungsgemäßer Wasseraufbereitung in unmittelbarer Nähe zur Verfügung steht, kann vom Windrad direkt niedrig gespannter Gleichstrom, geeignet für die Wasserelektrolyse, bereitgestellt werden. Diese Technik kann sinngemäß auch auf die Nutzung elektrischer Energie aus Solaranlagen übertragen werden. Das Umspannen, Gleich- und Wechselrichten, wie es bei Transport und Nutzung erneuerbarer Energien sonst meist notwendig ist, entfällt. Stattdessen wird Wasserstoff„in situ" als erneuerbare Energie gewonnen und wird wie andere Brenngase (z.B. Erdgas) transportiert und gespeichert. Wichtig ist hierbei nur, dass die elektrische Energie (Gleichstrom, niedrige Spannung, hohe Stromdichte) nur über eine kurze Strecke zum EJektroIysegerät transportiert werden muss. The use of sea water as cooling and feed water (distilled water) for the electrolyzer allows the construction of the electrolyzer, e.g. Directly in an "offshore" wind farm, since every windmill has its own electrolysis unit with water treatment in the immediate vicinity, directly from the windmill direct low-voltage direct current, suitable for water electrolysis, can be provided Instead of this, hydrogen is recovered "in situ" as renewable energy and, like other fuel gases (eg natural gas), is reclaimed, converted to DC and inversion, as is usually necessary for the transport and use of renewable energies ) and stored. The important thing here is that the electrical energy (direct current, low voltage, high current density) only has to be transported to the e-jetting device over a short distance.
Somit liegt der eigentliche Vorteil dieser recht einfachen Technik der Wasseraufbereitung in der Möglichkeit der dezentralen Erzeugung des Wasserstoffes unmittelbar neben der Quelle der erneuerbaren elektrischen Energie. Augenfällig wird der Vorteil dieses Verfahrens, wenn man den Bedarf an destill iertem Wasser bei der Wasserelektrolyse in der hier zu berücksichtigenden Größenordnung betrachtet. Wie bereits erwähnt, benötigt man für 1 Nm3 Wasserstoff 802g oder 0,81 Wasser. In einer fiktiven Gegenüberstellung soll nun der Erdgasbedarf in Deutschland mit ca.100 Mrd. cbm/Jahr durch Wasserstoff ersetzt werden. Zu berücksichtigen ist dabei noch, dass Erdgas den annähernd dreifachen Energieinhalt von Wasserstoff hat. Die Rechnung tautet also: Thus, the real advantage of this rather simple technique of water treatment lies in the possibility of decentralized generation of hydrogen directly next to the source of renewable electrical energy. The advantage of this process becomes obvious when one considers the need for distilled water in the electrolysis of water in the here considered Magnitude considered. As already mentioned, for 1 Nm3 of hydrogen you need 802g or 0.81 water. In a fictitious comparison, the demand for natural gas in Germany is now to be replaced by hydrogen at around 100 billion cbm / year. It should also be considered that natural gas has approximately three times the energy content of hydrogen. The bill tautly:
0.8 x 100 Mrd. x 3 = 240 Mrd.  0.8 x 100 billion x 3 = 240 billion
D.h., um eine Wasserstoffmenge, die dem deutschen Erdgasbedarf entspräche, durch Wasserelektrolyse herzustellen, benötigt man 240 Mrd. Liter destilliertes Wasser. Überträgt man diese Rechnung auf Erdgas-Förderländer wie Qatar oder Algier, wo wegen der dort verfügbaren Sonnenenergie eines Tages Wasserstoff das Erdgas ersetzen könnte und wo als Speisewasser für die Elektrolyse nur Meerwasser zur Verfügung steht, so wird die Bedeutung des vorliegenden Verfahrens für die Substitution fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien deutlich. That is, to produce a quantity of hydrogen corresponding to the German natural gas demand by electrolysis of water, one needs 240 billion liters of distilled water. If this calculation is applied to natural gas producing countries such as Qatar or Algiers, where one day hydrogen could replace natural gas because of the available solar energy and where only seawater is available as feedwater for electrolysis, the significance of the present substitution process becomes more fossil Energy sources through renewable energy significantly.
Eine derartige Menge an destilliertem Wasser auf anderem Wege in Wüstengegenden bereitzustellen würde die Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien dort in Frage steilen. Als Alternative zum Sekundärenergierräger Wasserstoff die elektrischer Energie z.B. vom persischen Golf zu den Verbrauchern in Europa und Fernost zu transportieren ist ebenfalls wenig erfolgversprechend. Providing such an amount of distilled water by other means in desert areas would challenge the economics of renewable energy there. As an alternative to the secondary energy carrier hydrogen, the electrical energy e.g. From the Persian Gulf to the consumers in Europe and the Far East is also not very promising.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ferner ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse frei werdende Wärme zum Verdampfen von Wasser benutzt wird, aus dem Wasserdampf nach Kondensation destilliertes Wasser als Speisewasser für ein Elektrolysegerät gewonnen wird und sowohl die Wasseraufbereitung als auch die Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage verbunden wird, wobei vorzugsweise Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit auf das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird. The present invention thus further a method for the treatment of water for the electrolysis of water is characterized in that the liberated during the water electrolysis heat is used to evaporate water, from the water vapor after condensation distilled water is obtained as feed water for an electrolyzer and both the water treatment as well as the water electrolysis is connected with wind turbine or solar system, preferably wind or solar power for direct use for the electrolysis is generated as a direct current with tuned to the electrolyzer voltage.
In vielen handelsüblichen Geräten für Wasserelektrolyse läuft die Zerlegung des Wassers bei normalem oder geringem Überdruck und 70°C bis 90°C ab. Diese Temperatur entspräche dann auch der Kühl wassertemperatur des Elektrolysegerätes. Der Dampfdruck des Wassers liegt dann bei 308 bis 698 mbar. Bei diesen Bedingungen könnte man das Kühlwasser z. B. durch Erniedrigen des Druckes zum Sieden (Vakuumdestillation)und durch Kühlen des Wasserdampfes das (destillierte) Wasser zur Kondensation bringen. Bei der technischen Durchführung kann man sich der üblichen Entspannungsverdampfungsanlagen bedienen.. Hierbei muss das destillierte Wasser, das als Speisewasser der Elektrolyse dient und vom Kühlwasser abgezweigt wird, laufend durch frisches Wasser (z.B. Meerwasser) von außen ersetzt werden. Darüber hinaus muss bei der Verwendung von Meerwasser oder stark mineralhaltigen Wässern als Kühlwasser stets ein Teil des Kühlwassers ausgetauscht werden, um eine Überwalzung und Kristallisation der Kühlflüssigkeit zu vermeiden. So ausgestattet kann ein Gespann aus Solaranlage oder Windrad und Elektrolysegerät mit integrierter Meerwasserentsalzung längere Zeit wartungsfrei arbeiten. In many commercially available devices for electrolysis of water, the decomposition of the water proceeds at normal or low overpressure and 70 ° C to 90 ° C. This temperature would then correspond to the cooling water temperature of the electrolyzer. The vapor pressure of the water is then at 308 to 698 mbar. In these conditions, the cooling water z. B. by lowering the pressure to boiling (vacuum distillation) and by cooling the water vapor to bring the (distilled) water to condensation. In the technical implementation, you can use the usual flash evaporation plants .. Here, the distilled water, which serves as feed water of the electrolysis and is diverted from the cooling water, constantly be replaced by fresh water (eg sea water) from the outside. In addition, when using seawater or highly mineral-containing waters as cooling water always a part of the cooling water be replaced in order to avoid Überlalzung and crystallization of the cooling liquid. Equipped so a combination of solar system or wind turbine and electrolyzer with integrated seawater desalination work for a long time maintenance-free.
Mit der eingangs überschlägig berechneten Wärmeenergie, wie sie bei der Wasserelektrolyse frei wird, kann durch ausgefeilte Entsalzungstechniken auch ein Überschuss an entsalztem Wasser hergestellt werden, welcher z.B. für die Landwirtschaft verwendet werden kann. Dies setzt allerdings die Verwendung von Großanlagen wie z.B. eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage voraus, was möglicherweise eine zentrale Wasseraufbereitung erfordert. Dies bedeutet aber, dass entweder Elektrolyse und Wasseraufbereitung oder Elektrolyse und Stromerzeugung voneinander getrennt werden müssen. Im ersten Fall muss das erwärmte Wasser, im zweiten Fall die elektrische Energie (Gleichstrom niedriger Spannung!) über eine größere Strecke geleitet werden. Beides wäre mit Energieverlusten und einem erhöhten technischen Aufwand verbunden. With the initially calculated heat energy, as it is released in the electrolysis of water, can be prepared by sophisticated desalination techniques also an excess of desalted water, which, for example. can be used for agriculture. However, this requires the use of large scale equipment such as preceded by a multi-stage flash evaporator, possibly requiring centralized water treatment. However, this means that either electrolysis and water treatment or electrolysis and power generation must be separated. In the first case, the heated water, in the second case, the electrical energy (DC low voltage!) Must be conducted over a longer distance. Both would be associated with energy losses and increased technical complexity.
Bei der Qualität des Speisewassers ist streng darauf zu achten, dass für einen störungsfreien Dauerbetrieb bei der Elektrolyse nur voll entsalztes oder destilliertes Wasser, das rückstandsfrei zerlegt werden kann, verwendet werden darf. For the quality of the feed water, it is very important to ensure that only fully demineralised or distilled water, which can be disassembled residue-free, is used for trouble-free continuous operation during electrolysis.
Bei einem Wasserdampfdruck von 300 bis 700 mbar ist es auch möglich, das erwärmte Kühlwasser über eine Verdunstungsfläche zu leiten und dieser eine gekühlte Fläche zur Kondensation des Wasserdampfes gegenüberzustellen. In der Praxis sind dies zwei aufrecht stehende konzentrisch angeordnete Rohre. An der Innenwand des äußeren Rohres läuft das erwärmte Kühlwasser herab. Der dabei sich bildende Wasserdampf kondensiert auf der Außenwand des inneren Rohren, welches von einem Kühlmedium durchflössen ist. At a water vapor pressure of 300 to 700 mbar, it is also possible to direct the heated cooling water over an evaporation surface and to contrast this with a cooled surface for the condensation of the water vapor. In practice, these are two upright concentrically arranged tubes. On the inner wall of the outer tube, the heated cooling water runs down. The resulting water vapor condenses on the outer wall of the inner tubes, which is flowed through by a cooling medium.
Bei Anlagen zur Wasserelektrolyse, welche bei höheren Temperaturen arbeiten, müssen gegebenenfalls Wärmetauscher eingesetzt werden, um die Wärmeenergie auf die Anlage zur Wasseraufbereitung zu übertragen.. In electrolysis plants operating at higher temperatures, heat exchangers may have to be used to transfer the heat energy to the water treatment plant.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der sonst bei der Wasserelektrolyse üblichen Wasseraufbereitung mit Ionenaustauschern kommt besonders bei der Entsalzung von Meeroder Brackwasser zur Geltung. Bei der Verwendung von Ionenaustauschern wäre beim Durchlauf von Meerwasser die Kapazität mit durchschnittlich 33g Salz pro Liter Meerwasser sehr schnell erschöpft. Aber auch bei Verwendung von Süßwasser mit ca. 1 ,5g Mineralien pro Liter Wasser muss der Ionenaustauscher regelmäßig regeneriert werden Dies entfallt bei dem vorliegenden Verfahren zur Wasseraufbereitung, sodass sich auch bei landseitigen Windkraftanlagen, die meist abgelegen in der Landschaft stehen und die selbst weitgehend wartungsfrei sind (ebenso wie das Elektrolysegerät), der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens lohnt. The advantage of the process according to the invention over the water treatment with ion exchangers otherwise customary in water electrolysis is particularly evident in the desalination of seawater or brackish water. When using ion exchangers, the passage of seawater would exhaust the capacity with an average of 33g of salt per liter of seawater very quickly. But even with the use of fresh water with about 1, 5g minerals per liter of water, the ion exchanger must be regenerated regularly This eliminates in the present process for water treatment, so that even on landside wind turbines, which are mostly remote in the landscape and the largely maintenance-free are (as well as the electrolyzer), the use of the method according to the invention worthwhile.
Der dezentral aus erneuerbaren Energien hergestellte Wasserstoff wird zu einer Sammelstelle geleitet und kann dann als Energieträger wie Erdgas transportiert und gespeichert werden. Es ist auch möglich, den Wasserstoff als ebenfalls brennbares Gas in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte oder ein Erdgaslager einzuleiten und zusammen mit dem Erdgas zu transportieren oder zu speichern. Reichlich Sonnenergie in der Nähe von Erdgasleitungen und Erdgaslagerstätten z. B. in Nordafrika und am persischen Golf laden dazu ein, dort das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und das Erdgas als Träger für den Wasserstoff zu benutzen. The decentralized renewable energy produced by hydrogen is sent to a collection point and can then be transported and stored as an energy source such as natural gas. It is also possible to introduce the hydrogen as a flammable gas in a gas pipeline or a natural gas deposit or a natural gas storage and transport or store together with the natural gas. Plenty of solar energy in the vicinity of natural gas pipelines and natural gas deposits z. As in North Africa and the Persian Gulf invite to apply there the method of the invention and to use the natural gas as a carrier for the hydrogen.
Wird der Wasserstoff, welcher aus naturgemäß fluktuierenden erneuerbaren Energien stammt, in Erdgas eingeleitet, so ergibt sich ein bezüglich des Wasserstoffgehaltes schwankendes Erdgas/Wasserstoff-Gemisch. Wegen der Unterschiede zwischen Wasserstoff und Erdgas (Methan) bezüglich ihrer brenntechnischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften (Erdgas hat z.B. den dreifachen Brennwert von Wasserstoff, benötigt zur Verbrennung viermal mehr Sauerstoff und hat die achtfache Gasdichte) kann ein im Verhältnis der Gase zueinander schwankendes Gasgemisch nicht unkontrolliert verbraucht werden. Die Kontrolle kann man dadurch erreichen, dass an der Verbrauchsstelle der Wasserstoffgehalt im Gasgemisch gemessen wird und die Dosierung des Gemisches in die Brennstelle dem ermittelten Wasserstoffgehait angepasst wird. If the hydrogen, which originates from naturally fluctuating renewable energies, is introduced into natural gas, the result is a fluctuation in the hydrogen content of the natural gas / hydrogen mixture. Because of the differences between hydrogen and natural gas (methane) with regard to their combustion, physical and chemical properties (for example, gas has three times the calorific value of hydrogen, needs four times more oxygen and eight times the gas density), then a gas mixture that fluctuates in relation to the gases can not be consumed unchecked. The control can be achieved by measuring the hydrogen content in the gas mixture at the point of consumption and adjusting the metering of the mixture in the combustion site to the determined hydrogen content.
Die erwähnten Probleme mit fluktuierenden Gasgemischen beim Einleiten von Wasserstoff in Erdgas werden vermieden, wenn man den Wasserstoff in Methan überführt und dieses in Erdgas einleitet. Erdgas besteht überwiegend aus Methan. The mentioned problems with fluctuating gas mixtures when introducing hydrogen into natural gas are avoided if the hydrogen is converted into methane and this is introduced into natural gas. Natural gas consists mainly of methane.
Dies zu erreichen bringt man Wasserstoff mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid zur Reaktion, wobei Methan und Wasser entsteht. Als Energiequelle wird z.B. mit Vorteil überschüssiger Wind- und Solarstrom verwendet. Kohlenmonoxid wird durch Kohlevergasung als Synthesegas (Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Molverhältnis 1 : 1 gemäß Reaktion 1. gewonnen. To achieve this, hydrogen is reacted with carbon monoxide or carbon dioxide to form methane and water. As an energy source eg excess wind and solar power is used with advantage. Carbon monoxide is obtained by coal gasification as synthesis gas (mixture of carbon monoxide and hydrogen in the molar ratio 1: 1 according to reaction 1..
1. ) C + H20 = CO + H2 1.) C + H20 = CO + H2
Mit aus der Wasserelektrolyse erhaltenem, zusätzlichem 2 Mol Wasserstoff wird dann gemäß Reaktion 2. Methan erhalten. With obtained from the electrolysis of water, additional 2 moles of hydrogen is then obtained according to reaction 2. Methane.
2. ) (CO + H2) + 2 H2 = CH4 + H20 2.) (CO + H2) + 2 H2 = CH4 + H20
Nach diesem Verfahren kann aus Kohle durch Elektrolyse mit überschüssigem Wind- oder Solarstrom klimafreundliches Methan gewonnen werden. Die Wirtschaftlichkeit der Wasserelektrolyse ist auch hier die Voraussetzung für diese Technologie.. According to this process, coal can be produced by electrolysis with excess wind or solar power, and climate-friendly methane. The economy of water electrolysis is also the prerequisite for this technology ..
Kohlendioxid kann aus den Rauchgase bei der Verbrennung fossiler Kohlenstoffverbindungen oder Kohle abgetrennt werden und ist leicht zugänglich und günstig bewertet. Ebenso die überschüssige erneuerbare Energie. Einzig die Wasserelektrolyse bedarf einer wirtschaftlichen Optimierung und hier bringt die erfindungsgemäße Aufbereitung des Speisewassers einen wichtigen Kostenvorteil. Carbon dioxide can be separated from the flue gases during the combustion of fossil carbon compounds or coal and is easily accessible and low-priced. Likewise, the excess renewable energy. Only the electrolysis of water requires economic optimization and here the preparation of the feedwater according to the invention brings an important cost advantage.
Koppelt man das erfindungsgemäße Elektrolyseverfahren einerseits mit der Kohlendioxid-Hydrierung und andererseits mit einem Gaskraftwerk, so entsteht eine Verfahrenskombination, nach der man in einer ersten ßetriebsphase Methan verbrennt, dabei elektrische Energie produziert, und nach der Verbrennung aus den Rauchgasen das Kohlendioxid abtrennt. Dieses wird in einer zweiten Betriebsphase mit Wasserstoff, welcher erfindungsgemäß durch Elektrolyse mit überschüssiger elektrischer Energie erzeugt wurde, hydriert und als Methan wieder in das Gasnetz zurückgeleitet. Coupling the electrolysis process according to the invention on the one hand with the carbon dioxide hydrogenation and on the other hand with a gas power plant, a process combination is produced, according to which one burns methane in a first operating phase, thereby producing electrical energy, and after combustion from the flue gases separates the carbon dioxide. This is hydrogenated in a second phase of operation with hydrogen, which was inventively produced by electrolysis with excess electrical energy, and returned as methane back into the gas network.
Die beiden Betriebsphasen wechseln sich ab; The two operating phases alternate;
In der ersten Betriebsphase wird dem Erdgasnetz Erdgas (Methan) entnommen und im Gaskraftwerk verströmt. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird vorzugsweise zum Zwecke der Stabilisierung des Stromnetzes eingesetzt. Aus den Rauchgasen des Kraftwerkes wird das Kohlendioxid abgetrennt und für die folgende zweite Betriebsphase gespeichert. In the first phase of operation, natural gas (methane) is taken from the natural gas grid and emitted in the gas-fired power plant. The electrical energy generated is preferably used for the purpose of stabilizing the power grid. From the flue gases of the power plant, the carbon dioxide is separated and stored for the following second phase of operation.
■ In der zweiten Betriebsphase wird, bei Auftreten von überschüssiger elektrischer Energie im Stromnetz, mit dieser überschüssigen Energie das erfindungsgemäß aufbereitete Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff überführt und der Wasserstoff hydriert das in der ersten Betriebsphase erzeugte Kohlendioxid zu Methan. Methan wird in das Erdgasnetz eingespeist. In der Bilanz wird in der ersten Betriebsphase Erdgas aus dem Erdgasnetz entnommen und eine äquivalente Menge an Methan wird in der folgenden Betriebsphase in das Gasnetz abgegeben. ■ In the second phase of operation, when excess electrical energy is generated in the power network, the water treated according to the invention is converted into hydrogen by electrolysis using this excess energy, and the hydrogen hydrogenates the carbon dioxide generated in the first operating phase to methane. Methane is fed into the natural gas grid. In the balance sheet, natural gas is taken from the natural gas grid during the first phase of operation and an equivalent amount of methane is released into the gas network in the following phase of operation.
Daneben wird in der zweiten Betriebsphase mit überschüssiger Energie rechnerisch die Menge an Methan erzeugt, welche in der wieder darauffolgenden ersten Betriebsphase vom Gaskraftwerk verbraucht und als elektrische Energie an das Stromnetz zur Stabilisierung abgegeben wird. Dabei wird das Methan immer von neuem aus seinem Verbrennungsprodukt Kohlendioxid rekonstruiert. Das Gaskraftwerk arbeitet dadurch emissionsfrei. Im Gleichgewichtszustand wird kein Erdgas Verbraucht und kein Kohlendioxid freigesetzt. In toto ist dies ein „chemisches Speicherkraftwerk" mit Kohlendioxidspeicher. In addition, in the second phase of operation with excess energy, the amount of methane generated which is consumed in the subsequent first phase of operation of the gas power plant and delivered as electrical energy to the power grid for stabilization. Here, the methane is always reconstructed from its combustion product carbon dioxide. The gas-fired power plant works thereby emission-free. At equilibrium, no natural gas is consumed and no carbon dioxide is released. In toto this is a "chemical storage power plant" with carbon dioxide storage.
Voraussetzung für den Erfolg der Rekonstruktion von Methan durch Hydrierung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ist eine wirtschaftliche Wasserelektrolyse. Dabei ist die erfindungsgemäße Aufbereitung von hoch gereinigtem, salzfreiem Speisewassers für die Elektrolyse ein wichtiger Baustein (vgl. den Bedarf an Speisewasser für die Elektrolyse in den Berechnungen auf Seite 3). A prerequisite for the success of the reconstruction of methane by hydrogenation of carbon monoxide and carbon dioxide is an economical water electrolysis. The preparation according to the invention of highly purified, salt-free feedwater for electrolysis is an important building block (cf the demand for feedwater for electrolysis in the calculations on page 3).
Das erfin dungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil dort ausgeübt, wo überschüssige elektrische Energie anfällt und Anschlüsse einschließlich Transformatoren zur Entnahme aus dem Hochspannungsnetz vorhanden sind. Hier sind besonders Atomkraftwerke zu nennen, die bei ihrer geringen Flexibilität oft selbst überschüssige Energie erzeugen. Auch abgeschaltete Atomkraftwerke , welche in der Regel über Anschlüsse an das Hochspannungsnetz verfügen, können für das erfindungsgemäße Verfahren nachgerüstet werden. The inven tion proper method is practiced with advantage where excess electrical energy is generated and connections including transformers for removal from the high-voltage network are available. Nuclear power plants are particularly noteworthy here, which often generate surplus energy due to their low flexibility. Even shut down nuclear power plants, which usually have connections to the high-voltage network, can be retrofitted for the inventive method.
Der so aus überschüssiger elektrischer Energie gewonnene Wasserstoff kann in das Erdgasnetz eingeleitet werden. Es bietet aber auch Vorteile mit den im Bereich des Atomkraftwerkes erfindungsgemäß hergestellten Wasserstoff zur oben beschriebenen Hydrierung von Kohlenmonoxid (Synthesegas) oder Kohlendioxid zu verwenden und so aus der überschüssigen Energie Methan zu gewinnen. Das Kohlendioxid kann einem Gaskraftwerk entnommen werden, welches durch Umrüstung aus dem Energieteil des Atomkraftwerkes hervorgeht. Die Umrüstung zu einem Gas- und Dampfkraftwerk kann z.B. ca. 2/3 der Dampfturbinen betreffen, welche in Gasturbinen umgerüstet werden. Man erhält dann ein Gas- und Dampfkraftwerk, Die Kombination von Wasserelektrolyse mit Gaskraftwerk kann dann im Wechsel emissionsfrei elektrische Energie in das Netz zu dessen Stabilisierung abgeben oder überschüssige Energie aufnehmen und in Wasserstoff oder Methan umformen. Abgeschaltete Atomkraftwerke werden zu Speicherkraftwerken über die Produktion von aus Kohlendioxid rekonstruiertem Methan und das Gasnetz wird zum Speicher. The hydrogen thus obtained from excess electrical energy can be introduced into the natural gas grid. However, it also offers advantages with the hydrogen produced according to the invention in the area of the nuclear power plant for the above-described hydrogenation of carbon monoxide (synthesis gas) or carbon dioxide and thus to recover methane from the surplus energy. The carbon dioxide can be taken from a gas power plant, which results from conversion of the energy part of the nuclear power plant. The conversion to a gas and steam power plant can e.g. about 2/3 of the steam turbines, which are converted into gas turbines. Then you get a gas and steam power plant, The combination of water electrolysis with gas power plant can then emit electrical energy into the network to stabilize it alternately or absorb excess energy and transform it into hydrogen or methane. Downstream nuclear power plants become storage power plants through the production of carbon dioxide from reconstructed methane and the gas network becomes a memory.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird 1. A process for the treatment of water for the electrolysis of water, characterized in that the released during the water electrolysis heat energy is used to evaporate water
2. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte Wasser kondensiert wird und das so entsalzte Kondenswasser als Speisewasser für die Wasserelektrolyse eingesetzt wird.  2. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to claim 1, characterized in that the evaporated water is condensed and the desalted condensed water is used as feed water for the electrolysis of water.
3. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Meer- oder Brackwasser entsalzt wird.  3. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to claim 1 and 2, characterized in that seawater or brackish water is desalted.
4. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Kühlung des Elektrolysegerätes verwendete Wasser durch die Erwärmung verdampft und dann wieder kondensiert wird.  4. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 3, characterized in that the water used for cooling of the electrolyzer is evaporated by the heating and then condensed again.
5. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse mit der Wasseraufbereitung gekoppelt wird, indem der verdampfte und wieder kondensierte Anteil des Kühlwassers als Speisewasser für die Elektrolyse verwendet wird..  5. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrolysis of water is coupled with the water treatment by the evaporated and recondensed portion of the cooling water is used as feed water for the electrolysis.
6. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasseraufbereitung und Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage derart verbunden sind, dass Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit für das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird und das Wasser für Kühl- und Speisewasser vor Ort entnommen wird.. 6. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 5, characterized in that water treatment and electrolysis water with wind turbine or solar system are connected such that wind or solar electricity for direct use for electrolysis as a DC with for the electrolyzer voltage is generated and the water for cooling and feed water is taken locally.
7. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser nach Erwärmen und nach Eindampfen wieder zum Kühler des Elektrolysegerätes zurückgeführt wird und dieser Vorgang unter Auffüllen mit Frischwasser mehrmals wiederholt wird. 7. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling water is returned after heating and after evaporation back to the cooler of the electrolyzer and this process is repeated several times while filling with fresh water.
8. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasseraufbereitung eine Entspannungsverdampfungsanlage verwendet wird.  8. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 6, characterized in that a flash evaporation plant is used for water treatment.
9. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte eingeleitet wird und zusammen mit dem Erdgas transportiert oder gespeichert wird. 9. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 9, characterized in that the hydrogen obtained in the electrolysis of water is introduced into a natural gas line or a natural gas deposit and transported or stored together with the natural gas.
10. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff wieder vom Erdgas abgetrennt wird. 10. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to claim 9, characterized in that the hydrogen is separated again from the natural gas.
1 1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse mit fluktuierendem Wind- und/oder Solarstrom durchgeführt wird und nach Einleiten des erhaltenen Wasserstoffes in Erdgas ein fluktuierendes Wasserstoff/Erdgas-Gemisch erhalten wird, welches gespeichert oder transportiert wird und bei welchem an der Verbrauchsstelle vor der Verbrennung bei schwankender Gaszusammensetzung der Wasserstoffgehalt im Gasgemisch bestimmt wird und die Funktion der Brennstelle bezüglich Dosierung des Gasgemisches dem ermittelten Wasserstoff / Erdgas - Verhältnis angepasst wird.  1 1. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electrolysis is carried out with fluctuating wind and / or solar power and after introducing the obtained hydrogen into natural gas, a fluctuating hydrogen / natural gas mixture is obtained, which is stored or transported and in which the hydrogen content in the gas mixture is determined at the point of consumption before combustion with fluctuating gas composition and the function of the burner with respect to metering of the gas mixture is adapted to the determined hydrogen / natural gas - ratio.
12. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff mit bei der Kohlevergasung gewonnenem Synthesegas, bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Moiverhältnis 1 : 1 , zu Methan umgesetzt wird, wobei 1 Mol Kohlenmonoxid mit 3 Mol Wasserstoff zu 1 Mol Methan reagieren und sich daneben 1 Mol Wasser bildet. 12. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrogen obtained in the electrolysis of water obtained in the coal gasification synthesis gas consisting of carbon monoxide and hydrogen in Mo ratio 1: 1, converted to methane , wherein 1 mole of carbon monoxide react with 3 moles of hydrogen to 1 mole of methane and forms next to 1 mole of water.
13. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan umgesetzt wird, wobei 1 mol Kohlendioxid mit 4 Mol Wasserstoff zu 1 Mol Methan reagieren und sich daneben 2 Mol Wasser bilden.. 13. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrogen obtained in the electrolysis of water is reacted with carbon dioxide to methane, wherein 1 mol of carbon dioxide with 4 moles of hydrogen to 1 mole of methane and react next to it make 2 moles of water ..
14. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse im Verbund mit einem Kraftwerk, in dem kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Kohle, Holz oder Erdgas verbrannt werden, durchgeführt wird, in den Verbrennungsgasen des Kraftwerkes das Kohlendioxid abgetrennt wird und mit dem abgetrennten Kohlendioxid zusammen mit dem durch die Wasserelektrolyse hergestellten Wasserstoff Methan rekonstruiert wird und das Methan in eine Erdgasleitung eingeleitet wird, ferner, dass Verbrennung der Brennstoffe im Kraftwerk und die Wasserelektrolyse mit der Rekonstruktion von Methan in zwei unterschiedliche Betriebsphasen stattfindet..  14. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to claim 13, characterized in that the electrolysis of water in combination with a power plant, in which carbonaceous fuels such as coal, wood or natural gas are burned, is carried out in the combustion gases of the power plant, the carbon dioxide separated and with the separated carbon dioxide together with the hydrogen produced by the water electrolysis methane is reconstructed and the methane is introduced into a natural gas line, further that combustion of the fuels takes place in the power plant and the water electrolysis with the reconstruction of methane in two different operating phases.
15. Verfahren zu Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse im Verbund mit einem laufenden oder abgeschalteten Atomkraftwerk durchgeführt wird und dabei die noch vorhandenen Anschlüsse an das Hochspannungsnetz oder an das Atomkraftwerk sowie die elektrotechnischen Einrichtungen, insbesondere die Transformatoren, zur Übertragung überschüssiger elektrischer Energie zur Wasserelektrolyse dienen.  15. A process for the treatment of water for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 14, characterized in that the electrolysis of water is carried out in conjunction with a running or shut down nuclear power plant while doing the remaining connections to the high-voltage network or to the nuclear power plant and the electrotechnical Devices, in particular the transformers, serve for the transmission of excess electrical energy for water electrolysis.
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