WO2014090914A1 - Verfahren zur durchführung wärmeverbrauchender prozesse - Google Patents

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WO2014090914A1
WO2014090914A1 PCT/EP2013/076302 EP2013076302W WO2014090914A1 WO 2014090914 A1 WO2014090914 A1 WO 2014090914A1 EP 2013076302 W EP2013076302 W EP 2013076302W WO 2014090914 A1 WO2014090914 A1 WO 2014090914A1
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heat
electrical energy
power
electrical
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PCT/EP2013/076302
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Otto Machhammer
Wolfgang Alois Hormuth
Christian Schneider
Andreas Bode
Volker Goeke
Hans-Juergen Maass
Matthias Kern
Dirk Klingler
Rene König
Philipp Brüggemann
Jens Bernnat
Grigorios Kolios
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Basf Se
Linde Ag
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    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0866—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combination of different heating methods

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out heat-consuming processes, in which electrical energy is used effectively with time-varying power.
  • US 4,776,171 describes a power generation and management system consisting of several renewable energy sources and multiple energy storage sources, as well as several control and distribution stations to meet the needs of the industry. In US 4,776,171 no conventional energy source is used and consequently no combination of an electrical and a non-electrical energy source is described.
  • No. 201 1/0081586 also describes a combination of a renewable energy source with an electrochemical or electrolytic cell, in which the electrochemical or electrolytic cell can compensate for the fluctuations of the renewable energy source and thus make it continuously usable.
  • a combination of an electrical and a non-electrical energy source is therefore not disclosed.
  • US 2008/0303348 discloses a power plant which relies exclusively on renewable energies and still allows on-demand control.
  • US 2008/0303348 describes the combination of wind energy, solar energy and the energy that is obtained from the combustion of biomass. It is described that the power plant can smoothly and spontaneously switch between the three energy sources in order to cover the corresponding demand at any time cost-effectively. However, it is questionable whether exclusively renewable energies meet the requirements, e.g. a high temperature chemical process all year round.
  • US 4,668,494 describes a process utilizing solar energy to produce ammonia by steam reforming hydrocarbons or gasifying carbonaceous fuels and reacting the products with an ammonia synthesis gas, and converting the ammonia synthesis gas to ammonia.
  • the heat required for steam reforming of hydrocarbons or the gasification of carbonaceous fuels is provided by a heat transfer fluid, which is generated by solar energy when solar energy is present, and by burning a portion of the solar energy, depending on the strength of the solar energy Ammonia heated to provide the required heat in total.
  • Suitable peak load power plants are, for example, pumped or compressed air storage power plants. These can be quickly controlled and can switch between power generation and power consumption within minutes in order to convert the excess electrical energy into another form of energy.
  • pumped storage power plant to this water is pumped from a lower level to a higher, in the case of the compressed air reservoir, the pressure of an air reservoir is increased by means of compressors. This energy, minus the conversion losses, will once again be available for electricity production at times when the electricity demand exceeds the current electricity production from the base and middle load.
  • Compressed air storage systems have the advantage that they can take up power over a longer period of time and can return multiple times their power to the grid within a very short time. For example, a power consumption during the night hours of the weekend take place and the delivery of this energy within 1-2 hours with the multiple of the recording power to the working day evening peak.
  • power plants of this kind are available only in limited numbers and with limited capacity, since the geographic or geological prerequisites and official permits required for this are only available in a few places.
  • the compressed air storage power plants with about 40 to 50% to a relatively low efficiency.
  • the Renewable Energy Sources Act guarantees producers of renewable energies the primary feed-in into the electricity grid. So z. As a short-term high windfall lead to an oversupply of electricity, if all quickly available power storage facilities are already fully utilized and the load reduction of medium-load power plants is too slow. In this case, the surplus electricity is offered at very low, sometimes even negative, prices in the electricity market. This means that the seller u.Uu the buyer. paid for the decrease of electricity.
  • the annual low price on the intraday market of the European energy exchange EEX in 2012 was around € - 200 / MWh. In contrast, e.g. In case of failure of a large power plant also very high prices occur. In 2012, for example, the maximum price on the EEX spot market was approx.
  • Frequency control in electrical networks uses variable speed control circuits: the primary control with a response time of less than 30s, the secondary control with a response time of less than 7.5min, and finally the tertiary control, which allows a longer response time.
  • the primary and secondary control are triggered automatically and have a direct effect on the operating status of running power plants.
  • the tertiary control (or minute reserve) is usually activated by organizational measures. The minute serve can be positive (with increased power requirement) or negative (with reduced power requirement). The positive minute reserve is usually activated by switching on reserve power plants. The negative minute reserve requires an energy consumer.
  • No. 2,958,584 discloses the production of HCN from propane and ammonia in an electrically heated fluidized bed of carbon particles
  • US 6,096,173 discloses the preparation of Describes hydrocyanic acid as a gas phase reaction of methane and ammonia using a corona discharge.
  • the patent application DE 1 266 273 discloses the decomposition of a hydrocarbon into hydrogen and coke, wherein the coke has a high purity and strength.
  • the heating of the reaction zone is carried out electrically resistive by using the carbon bed, which is described as a moving bed or fluidized bed, as a resistor.
  • a heat integration is described by countercurrent flow of solid and gas stream.
  • plasma processes such as those disclosed in the patent application WO 93/12030, in which a gas is transferred in an arc by ionization of its atoms or molecules in a plasma.
  • the heat generated by the recombination of electrons and ions provides the energy necessary for the decomposition of the hydrocarbons.
  • Some important heat-consuming processes are high temperature processes, i. H. Processes that are carried out at temperatures between 500 and 2,500 ° C.
  • steam and dry reforming dehydrogenations, for example of primary alcohols to aldehydes, of secondary alcohols to ketones, of alkanes to alkenes and of cycloalkanes to cycloalkenes, the production of hydrocyanic acid Methane and ammonia, the production of nitrogen monoxide, the cracking or pyrolysis of hydrocarbons and the thermolysis of water called.
  • Steam and dry reforming are processes for producing synthesis gas, a mixture of carbon monoxide and hydrogen, from carbonaceous energy sources such as natural gas, light gasoline, methanol, biogas or biomass, and water or carbon dioxide.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method with which it is possible, electric current that is available only with time-varying power, effectively, i. with high efficiency, as an energy source to use.
  • Another object of the present invention is to provide chemical processes as energy consumers with a negative minute reserve for frequency control in electrical networks.
  • Another object of the present invention is to provide high-temperature chemical processes which have a low CO 2 footprint and thus can save fossil fuels, or CO 2 certificates.
  • a method for continuously carrying out a heat-consuming process in that the total energy required for the heat-consuming process in the annual mean comes from at least two different energy sources, one of the energy sources is an electrical energy source whose power between 0 and 100% of the total required power varies, and three different power modes individually can provide the total power required for the heat-consuming process: (i) only electrical energy, (ii) a mixture of electrical energy and at least one other non-electrical energy source or ( iii) exclusively non-electrical energy, the transitional period in which the changeover from one energy mode to another energy mode is performed is a maximum of 30 minutes.
  • the power available overall for the heat-consuming process can advantageously deviate from the desired value given by the heat-consuming process by less than 10%, preferably less than 5% and particularly preferably less than 3%.
  • the available power preferably differs by 0 to 5% from the nominal value, in particular by 0 to 3%.
  • Both the setpoint and the permissible deviation can be changed over time - if, for example, the heat-consuming process is to be carried out only in partial load or temporarily also in overload - or kept constant.
  • the nominal power at which the device used to carry out the heat-consuming process is operable is selected as the desired value and kept constant during normal operation of the device.
  • the at least one non-electrical energy source is powered by oxidative processes such as the combustion of natural gas.
  • geothermal energy or solar energy to feed the energy source.
  • high-temperature processes can serve as a non-electrical energy source whose waste heat is supplied to the heat-consuming process.
  • the invention therefore makes it possible to carry out the heat-consuming process, regardless of the currently available electrical power, advantageously as an excess current, always under optimum operating conditions.
  • excess flow without caching, i. approximately lossless, with an efficiency of advantageously greater than 90%, preferably greater than 95%, in particular greater than 98%, i. in a range of advantageously 95 to 100%, preferably 98 to 100%, use for the heat-consuming process and thus to use its cost advantages without significant restrictions. Consequently, energy from fluctuating power can be sourced directly from renewable energy sources, i. without prior smoothing / compensation in a power plant, used in chemical processes.
  • Surplus electricity is defined as electricity that is significantly lower in the electricity market than its cost price or at prices that are lower in terms of energy content than fossil fuel of the same calorific value, or in vain (that is, without consideration) or even at negative prices.
  • the heat-consuming process is advantageously an endothermic high-temperature process, preferably a process whose energy consumption in the reaction zone is greater than 0.5 MW / m 3 , particularly preferably greater than 1 MW / m 3 , in particular greater than 2 MW / m 3 .
  • the energy consumption can be between 0.5 and 10 MW / m 3 in the reaction zone.
  • reaction zone is understood to mean that region in the reactor in which the endothermic, ie the heat requirement of the reaction, advantageously exceeds 10 kW / m 3 , preferably 100 kW / m 3 , in particular 500 kW / m 3 . This corresponds approximately to the area in the reactor which has a temperature of greater than 500 ° C.
  • the maximum temperature in the reaction zone is advantageously greater than 500 ° C., preferably greater than 800 ° C.
  • the temperature in the reaction zone is in a range of 500 to 2500 ° C, preferably 700 to 1800 ° C; for example at 500 to 800 ° C in dehydrogenation reactions, for example at 700 to 1000 ° C in reforming reactions, for example at 800 to 1 100 ° C in steam-cleavage reactions, for example at 800 to 1500 ° C in pyrolysis reactions For example, at 800 to 1200 ° C in carbon gasification reactions.
  • the exergy loss when carrying out the process according to the invention is preferably less than 60%, preferably less than 50%, more preferably less than 40%, in particular less than 25% of the electrical energy input.
  • Exergy is the portion of the internal energy of a system that can be converted into mechanical energy without entropy increase. Electrical energy is almost completely an exergy.
  • the process according to the invention is used with particular preference in the production of synthesis gas, of hydrogen, of styrene, propene, butene and / or benzene, of acetylene, of carbon monoxide, of hydrocyanic acid, of nitric oxide and also in the calcination of aluminum hydroxide.
  • thermolysis of water, dehydrogenation ethylbenzene to styrene, propane to propene, butane to butene and / or cyclohexane to benzene pyrolysis and cracking of hydrocarbons in a fixed bed or fluidized bed process, in particular the pyrolysis of methane, ethane, propane and / or butane, and the pyrolytic acetylene production, the production of benzene from methane, the reduction of carbon dioxide to carbon monoxide and the production of hydrocyanic acid from methane and ammonia and the production of nitrogen monoxide from nitrogen and oxygen ,
  • the high-temperature process according to the invention is integrally integrated into a Verbundortort, due to the energy integration, the efficiency of the heat used can be increased advantageously by an absolute 2%, preferably by absolute 3%, most preferably by absolute 5%, in particular by 10% absolute, in comparison to a separately operated high temperature process.
  • the process according to the invention is advantageously carried out continuously or quasi-continuously.
  • At least 50%, more preferably at least 75%, even more preferably at least 90%, and most preferably at least 95% of the electrical energy used is defined by excess current and / or night current (night-time current being defined as electrical energy delivered at night), for example, between 10 and 6 o'clock and a low tariff), preferably excess current.
  • excess current and / or night current night-time current being defined as electrical energy delivered at night
  • 50 to 100%, more preferably 75 to 100%, even more preferably 90 to 100% and in particular 95 to 100% of the electrical energy used is provided by excess current on an annual average. Most preferably, however, the whole is about electricity in the process introduced energy by excess current and / or night current, preferably excess current provided.
  • At least 10% of the total energy required for the heat-consuming process is preferably consumed on an annual average from the electrical energy source with fluctuating power, more preferably at least 15%, very preferably at least 20% and in particular at least 25%.
  • a change of energy sources / energy modes during the implementation of the heat consuming process takes place.
  • a change of power sources / modes turning on or off one of the power sources, i. to understand a change in the energy source mix between modes (i), (ii) and (iii).
  • the change of energy sources advantageously has little effect on the implementation of the heat-consuming process.
  • the heat flow supplied to the process decreases or fluctuates during the transitional time by a maximum of 10%, preferably by a maximum of 5% and in particular by a maximum of 1%.
  • the transitional period according to the invention is the time in which the change of the energy sources / energy modes (from one energy mode to the other) is completed.
  • the transitional period can be measured, for example, by the sum of the power of all energy sources or by the temperature in the reaction zone; outside the transitional period (and possibly outside the start or shutdown of the process), the temperature in the reaction zone is preferably constant, for. B. in a continuous operation of the heat consuming process, or has z. B. in a periodic driving of the heat consuming process on a periodic temperature profile.
  • the temperature in the reaction zone advantageously changes by a maximum of 20 K, preferably by a maximum of 10 K, particularly preferably by a maximum of 5 K, in particular by a maximum of 1 K.
  • Typical chemical high-temperature processes have a dynamic with temperature changes of 1 K / s.
  • the conversion of the heat-consuming process changes during the transitional period by a maximum of 2%, preferably at most 1%, more preferably at most 0.5%, in particular at most 0.2%.
  • the transition time is advantageously shorter than the required response time of the minute reserve in electrical networks, preferably shorter than the required response time of the secondary control ( ⁇ 7.5 minutes) and more preferably shorter than the required response time of the primary control ( ⁇ 30 seconds).
  • the transition time is advantageously shorter than 15 minutes, preferably shorter than 7.5 minutes, particularly preferably shorter than five minutes, furthermore particularly preferably shorter than 60 seconds, in particular shorter than 30 seconds.
  • the transition time is advantageously in the range of 0 seconds to 15 minutes, preferably 0.2 seconds to 7.5 minutes, more preferably 0.5 seconds to 5 minutes, more preferably 1 second to 60 seconds, especially 1 second to 30 seconds.
  • the performance of commonly used burners of the prior art can be varied within a few seconds within a wide range of optionally "off" to a temperature of, for example, 2000 ° C (see, e.g., Selas-Linde's product range).
  • the by-product selectivity of the high-temperature processes changes only slightly as a result of the change of the energy modes.
  • the by-product selectivity increases by not more than 1%, preferably by not more than 0.5%, in particular by not more than 0.2% (absolute).
  • the temperature profile in the reactor, in particular in the reaction zone, is advantageously constant, independently of the three energy modes mentioned.
  • the heat flow density changes with a change of the energy modes by less than 10%, preferably less than 5%, in particular less than 2%.
  • the educt composition is constant independently of the three energy modes mentioned.
  • the volume flow of the educts changes with a change of the energy modes by less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, in particular less than 2%.
  • inductive or resistive processes plasma processes, heating by electrically conductive heating elements / contact surfaces or by microwaves may be mentioned.
  • the thermal energy input into the process streams can take place, for example, outside the reactor, in sections in which heat-consuming process steps are carried out, for example feed preheating, and / or within the reactor, both outside and inside the reaction zone.
  • heat can be generated in one or more electrically conductive heating elements with which a process stream to be treated, ie a heat transfer medium (wherein the heat transfer medium can also be part of the product stream) or reactant stream, is brought into direct contact and heated up , If a heat carrier or Eduktstrom is heated in direct contact with a current-heated heating element, this can then transfer heat in direct contact and / or via a heat exchanger to another process stream.
  • the heat transfer medium can be completely separated from the products and educts.
  • the heat transfer medium is not an additional substance in comparison to the process streams of the respective heat-consuming process which are known from the prior art.
  • hydrocarbons in particular methane, ethane, propane, butane, cyclohexane and / or ethylbenzene
  • water hydrogen
  • carbon dioxide carbon monoxide
  • ammonia and / or oxygen and / or inert gases and / or inert gases for example nitrogen.
  • methane ethylene and / or hydrogen
  • hydrogen is preferred as the process stream.
  • the electric current can advantageously be performed by a heating element designed as a heating element, wherein heat is generated resistively.
  • the electric current is alternating current
  • an alternating magnetic field can advantageously be generated with its aid, for which purpose the current is conducted through an induction coil.
  • An electrically conductive heating element which is electrically insulated from the induction coil, is advantageously arranged so that eddy currents are induced in it by the alternating magnetic field, which lead to heating of the heating element due to the ohmic losses.
  • An alternative embodiment of the invention provides that the electrical current is used to convert at least a portion of the gaseous process streams by partial ionization in a plasma.
  • the energy released in the recombination of electrons and ions is transferred to a large extent to the gas atoms or molecules, so that a heated process stream is generated, which is itself already a heated reactant stream and / or acts as a heat transfer, the heat then in direct contact and / or via a heat exchanger to a reactant stream of the heat-consuming process, eg. B. is transferred to decomposing hydrocarbons.
  • at least a portion of the gaseous process streams is here passed through a plasma generator, in which a cold gas stream is introduced and from which a heated gas stream is withdrawn. The size of the subset, which is guided by the plasma generator, determined by the amount of heat to be transferred.
  • the thermal energy obtained with time-varying power from the electrical energy source is used, for example, to generate a heated process stream, optionally a heat transfer medium, with a constant flow rate whose temperature is dependent on the for the heating currently available electrical line varies over time.
  • the mass flow of the process stream, if necessary of the heat carrier are controlled so that the temperature of the process stream, possibly the heat carrier, - at least in a wide range - is independent of the electrical power that is ready for its heating.
  • thermal energy is preferably supplied from the electrical energy source to a process stream in a first heating step. If the instantaneous power of the electrical energy source is insufficient, then further downstream in at least a second heating step, the temperature of the process stream is raised to the desired value by the supply of thermal energy from at least one non-electrical energy source.
  • the heating of the process stream can also take place in the reverse order, that is, the process stream is preheated by thermal energy from at least one non-electrical energy source and then brought by electrically generated heat to the desired temperature.
  • these energy sources can also be connected in parallel, with two or more process streams being supplied with parallel thermal energy.
  • the process streams are first heated by the plasma generator (before) and then brought to the desired temperature by oxidative processes.
  • the plasma generator and the oxidative process are run in parallel.
  • a non-electrical energy source in which thermal energy is generated oxidatively, this is preferably done by complete or partial combustion of a fuel such as hydrogen, natural gas, coal or another hydrocarbon-containing energy carrier.
  • a fuel such as hydrogen, natural gas, coal or another hydrocarbon-containing energy carrier.
  • the heat of the resulting hot flue gas is subsequently transferred in direct contact and / or heat exchangers to reactants, such as to be decomposed hydrocarbons, and / or to a heat transfer medium.
  • an oxidizable components such. B. hydrogen or hydrocarbons containing gas, preferably methane, for. B. using natural gas, depending on the natural gas deposit, the methane content in natural gas is typically between 75 and 99 mol%, used as a process stream, so that its heat content can be increased preferably after the electrical heating by oxidation of oxidizable constituents.
  • the process stream is for this purpose introduced into a burner and there mixed with an oxidizing agent, which is air or oxygen-enriched air or pure oxygen.
  • an oxidizing agent which is air or oxygen-enriched air or pure oxygen.
  • the oxidizing agent is metered in with volume control, wherein the temperature of the process stream which adjusts downstream of the burner is used as a controlled variable.
  • the temperature of the process stream can thus be adjusted to a predetermined value largely independent of the currently available for its heating electric power and in particular kept constant.
  • heating elements If heat is generated in heating elements by means of current with time-varying power, it may be advantageous to position these heating elements in a hot gaseous process stream which is generated in a burner as a flue gas.
  • thermodynamic Heat equilibrium over its decomposition temperatures (ie that the residence time in the reaction zone is long enough to ensure that the thermodynamic equilibrium is reached), so that they decompose into hydrogen and carbon. But it is also possible to choose the time beyond the decomposition temperatures so short that the thermodynamic equilibrium does not set. In this way, a product gas stream is obtained which contains not only hydrogen and carbon but also unsaturated hydrocarbon compounds and aromatics, as well as unreacted saturated hydrocarbons such as methane and / or ethane.
  • process streams are advantageously heated within the reaction zone.
  • resistance rods and fired radiation tubes can be arranged in the reaction zone.
  • the radiant tubes are preferably combined with recuperative or regenerative burners (J. A. Wünning, J. G. Wünning: Regenerator burner for radiant heating pipes, Deutscher Flanceag, Berlin, 2007).
  • the feed of fuel to the burners is regulated by way of feedforward control so that, given varying output of the electrical energy source, the desired value of the temperature in the reaction zone can be maintained.
  • the process streams are separated from the flue gases of oxidative combustion. The heat is transferred indirectly through the wall of the radiant tube.
  • the combination of electrical and oxidative heating effectively prevents contamination of the process streams.
  • the electrically heated and the oxidatively heated radiant tubes can be arranged alternately in the reaction space.
  • this type of hydrocarbon decomposition appears to be particularly suitable for carrying out the process according to the invention, it is proposed to supply current in the form of excess current and compensate for its temporal power fluctuations by oxidatively generating thermal energy with time-varying power and providing it for hydrocarbon decomposition in that the total power available for the decomposition of the hydrocarbons always corresponds to or approximates a nominal value.
  • the CO 2 emission in the process according to the invention for example for 100 kg of hydrogen is advantageously less than 6.6 kg CO 2 / kgH 2, preferably less than 6.4 kg CO 2 / kgH 2, in particular less than 6.2 kg CO 2 / kgH 2.
  • the C02 emission in the inventive method is reduced by 10 to 20% compared to the prior art analogous processes using oxidative energy sources.
  • the method according to the invention makes it possible to use high-temperature methods as a negative minute reserve for frequency controls in electrical networks.
  • these high-temperature processes can be switched on quickly and can also remove large amounts of energy from 500 to 600 TWh. Continuously operated, these methods are permanently available for the injection of surplus current, for example from night current.
  • High-temperature processes are particularly well suited to the use of electrical energy, since the conversion of electrical energy into heat causes only a slight exergy loss. The transformation into heat destroys part of the exergy. This proportion decreases with increasing temperature level of the heat sink, in this case an endothermic high-temperature process. Since these processes are largely integrated in integrated sites in an integrated manner with energy, the maximum technically possible proportion of the internal energy of the product streams can be converted back into exergy, for example in the form of high-pressure steam.
  • the invention thus allows the high temperature processes, for.
  • the invention allows a continuous operation in which, for example, the (decomposition) products are produced with a time constant quantity and composition.
  • FIG. 1 shows a variant of the method according to the invention in which methane is decomposed into hydrogen and carbon in a high-temperature zone arranged in a bed of carbonaceous granules.
  • a carbonaceous granules which is, for example, coke breeze, with ambient temperature, preferably 0 to 300 ° C, preferably 10 to 150 ° C, in particular 50 to 100 ° C, introduced from above into the reaction space R, by which it is subsequently guided under the action of gravity in a moving bed W down.
  • a methane-containing gas 2 which is, for example, natural gas, is simultaneously passed from below into the reaction space R and passed in countercurrent through the moving bed W upwards.
  • the gas 2, which at its entry into the reaction space R ambient temperature, preferably 0 to 100 ° C, preferably 10 to 50 ° C, is heated on its way up in direct heat exchange with the moving bed W.
  • a hydrogen-containing gas can be withdrawn at a temperature not substantially above the ambient temperature, advantageously 50 to 800 ° C, preferably 100 to 500 ° C, is located.
  • a part 4 of the hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas 3 and subsequently introduced at a constant flow rate in a device for electrical energy input, such as a plasma generator P, where it is heated to a heat carrier 5.
  • the plasma generator P is operated with excess current 9, which is supplied with time-varying power. Depending on the instantaneous power of the excess current 9, the temperature of the heat carrier 5 fluctuates between a minimum and a maximum value.
  • an oxidizing agent 10 which is oxygen, air or oxygen-enriched air, is metered into the heat transfer medium 5 via the burner B.
  • a controlled variable in this case serves the temperature of the heat carrier 1 1 downstream of the burner B.
  • the heat transfer medium 1 1 is subsequently introduced into the high-temperature zone H, where he provides the energy required for the methane decomposition.
  • At the lower end of the reaction space R is at near ambient temperature, preferably 10 to 400 ° C, preferably 20 to 200 ° C, withdrawn granules 6, which can be used due to the carbon deposits, for example, as blast furnace coke or Kokereizutschsstoff.
  • Components of granules 6 which do not fulfill the quality requirements because they are too large ( ⁇ 80 mm) or too small diameter ( ⁇ 35 mm) or for example too low strength (drum resistance I40 for blast furnace coke> 40% according to ISO / FDIS 18894: 2003) are separated in the separating device S by screening and / or screening and returned to the reaction chamber R via a possible reduction via line 7.
  • the remainder of the remainder 8 is blast furnace coke, which is delivered as a high quality product.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung wärmeverbrauchender Prozesse, dadurch gekennzeichnet, dass die für den wärmeverbrauchenden Prozess benötigte Gesamtenergie im Jahresmittel aus mindestens zwei verschiedenen Energiequellen stammt, wobei eine der Energiequellen eine elektrische Energiequelle ist, deren Leistung zwischen0 und 100% der benötigten Gesamtleistung variiert,und drei unterschiedliche Energiemodi einzeln die gesamte benötigte Leistung für den wärmeverbrauchende Prozess zur Verfügung stellen können: (i) ausschließlich elektrische Energie, (ii) eine Mischung auselektrischer Energie und mindestens einer weiteren nicht-elektrischen Energiequelle oder (iii) ausschließlich nicht-elektrische Energie, wobei die Übergangszeit, in der der Wechsel von einem Energiemodus zu einem anderen Energiemodus vollzogen wird, maximal 30 Minuten beträgt.

Description

Verfahren zur Durchführung wärmeverbrauchender Prozesse
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung wärmeverbrauchender Prozesse, bei denen elektrische Energie mit zeitlich schwankender Leistung effektiv genutzt wird.
Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung, der im Jahr 201 1 in Deutschland bereits bei 20% lag, wird sich in den nächsten Jahren noch deutlich erhöhen, da aufgrund stei- gender Kosten für fossile Energieträger einerseits und wegen marktregulatorischer Maßnahmen andererseits die Technologien zur Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien betriebswirtschaftlich attraktiv sind und es bleiben werden. Hierzu wird auch die mit der technischen Weiterentwicklung einhergehende Reduktion der spezifischen Investitionskosten beitragen. Ein Problem dabei ist, dass Sonne, Wind und Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind und ihre Verfügbarkeit darüber hinaus nur schlecht vorhersagbar ist.
Das Problem der Speicherung und somit Nutzbarmachung der erneuerbaren Energie wird bereits seit den achtziger Jahren thematisiert. Um den Energieabnehmern, z.B. der chemischen Industrie, trotz Verwendung von erneuerbaren Energien einen Strom mit konstanter Leistung anbieten zu können, wurde u.a. folgendes von den Energieanbietern in Erwägung gezogen:
US 4,776,171 beschreibt ein Energieerzeugungs- und Management System bestehend aus mehreren erneuerbaren Energiequellen und mehreren Energiespeicherquellen, sowie mehreren Kontroll- und Verteilungsstationen, um dem Bedarf der Industrie gerecht zu werden. In US 4,776,171 wird keine konventionelle Energiequelle eingesetzt und folglich keine Kombination einer elektrischen mit einer nicht-elektrischen Energiequelle beschrieben.
In US 201 1/0081586 wird ebenso eine Kombination einer erneuerbaren Energiequelle mit einer elektrochemischen oder elektrolytischen Zelle beschrieben, in der die elektrochemische oder elektrolytische Zelle die Schwankungen der erneuerbaren Energiequelle ausgleichen kann und diese somit kontinuierlich nutzbar macht. Eine Kombination einer elektrischen mit einer nichtelektrischen Energiequelle wird demnach nicht offenbart.
US 2008/0303348 offenbart ein Kraftwerk, das ausschließlich auf erneuerbaren Energien beruht und dennoch eine bedarfsabhängige Steuerung ermöglicht. US 2008/0303348 beschreibt die Kombination von Windenergie, Sonnenenergie und der Energie, die aus der Verbrennung von Biomasse gewonnen wird. Es wird beschrieben, dass das Kraftwerk reibungslos und spontan zwischen den drei Energiequellen wechseln kann, um zu jeder zeit den entsprechenden Bedarf kostengünstig zu decken. Fraglich ist jedoch, ob ausschließlich erneuerbare Energien den Be- darf z.B. eines chemischen Hochtemperaturprozesses ganzjährlich decken könnten.
Ferner gab es Überlegungen, Solarenergie direkt in chemischen Prozessen zu nutzen ohne die Schwankungen der Solarenergie vorher in einem Kraftwerk zu glätten. US 4,668,494 beschreibt ein Verfahren unter Nutzung von Sonnenenergie zur Herstellung von Ammoniak durch Dampf- Reformierung von Kohlenwasserstoffen oder Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen und Umsetzen der Produkte mit einem Ammoniak-Synthesegas, sowie Umwandeln des Ammoniak-Synthesegases zu Ammoniak. Die erforderlichen Wärme für die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen oder der Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wird durch ein Wärmeübertragungsfluid bereitgestellt, dieses wird zum einen durch die Solarenergie, wenn Solarenergie vorhanden ist, und zum anderen - in Abhängigkeit von der Stärke der Solarenergie - durch Verbrennen eines Teils des Ammoniaks erhitzt, um die erforderliche Wärme in Summe zu liefern. Es wird beschrieben, dass zur Mittagszeit, wenn der Eintrag der Solarener- gie am größten ist, der Ammoniakverbrenner mit der kleinstmöglichsten Feuerungsrate betrieben wird. Es wird ferner beschrieben, dass zwar theoretisch die Sonnenenergie den kompletten Energiebedarf der Ammoniaksynthese decken könnte, aber ein Abschalten und wieder Anfahren des Ammoniakverbrenners komplett unpraktisch wäre. Der Vorteil des in US 4,668,494 beschriebenen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik ist das Einsparen eines - die Schwankungen der Sonnenenergie ausgleichenden - Kraftwerks. Ferner ist die Entkopplung der Reaktionskammer von den Wärmequellen vorteilhaft. Desweiteren ist die flexible Einkopplung verschiedener Wärmequellen und die einfache Regelbarkeit des Gesamtverfahrens vorteilhaft. Nachteilig ist neben der erwähnten Unmöglichkeit, den Ammoni- akverbrenner in einer akzeptablen Zeit runter und wieder hoch zu fahren, die Verwendung eines Wärmeübertragungsfluid, das damit verbundene aufwendige Handling und die Einbuße durch die Wärmetransportwiderstände, die sich insbesondere im Hochtemperaturbereich auswirken. Ferner ist an dem in US 4,668,494 beschriebenen Prozess nachteilig, dass zu Zeiten ohne Sonneneinstrahlung das Ziel-Produkt Ammoniak verbrannt werden muss, um den Gesamtpro- zess am Laufen zu halten. Beispielsweise würde der Reformer in einem Verfahren nach US 4,668,494 in Mannheim, die 8-sonnigste Stadt in Deutschland, zu ca. 18 % solar geheizt; dies entspricht einer benötigten Ammoniakverbrennung von ca. 35 % des erzeugten Ammoniaks.
In naher Zukunft wird es demnach immer häufiger durch das Einspeisen der anteilig steigenden erneuerbaren Energien aus Sonne, Wind und Wasser in das Stromnetz vermehrt zu Stromspitzen kommen, die nur unvollständig von den Stromverbrauchern abgenommen werden können und daher als sog. Überschussstrom auf dem Strommarkt deutlich unterhalb seiner Gestehungskosten oder zu Preisen, die bezogen auf seinen Energiegehalt niedriger sind als für einen fossilen Brennstoff mit demselben Brennwert, oder umsonst (d. h. ohne Gegenleistung) oder sogar zu negativen Preisen angeboten werden.
Um zu verhindern, dass es zu Spannungs- und Frequenzschwankungen oder sogar zu einem Ausfall des Stromnetzes kommt, ist es notwendig, dass die in das Netz eingespeiste Strommenge immer dem aktuellen Verbrauch entspricht, da ansonsten an das Netz angeschlossene elektrische Verbraucher geschädigt werden können. Gegenwärtig werden kurzzeitige
Stromschwankungen mit Hilfe sog. Spitzenlastkraftwerken im Rahmen einer Systemdienstleistung für die Netzbetreiber kompensiert. Geeignete Spitzenlastkraftwerke sind beispielsweise Pump- oder Druckluftspeicherkraftwerke. Diese sind schnell regelbar und können innerhalb von Minuten zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch wechseln, um die im Überschuss vorhandene elektrische Energie in eine andere Energieform umzuwandeln. Im Fall eines Pumpspeicherkraftwerks wird dazu Wasser von einem tieferen Niveau in ein höheres gepumpt, im Fall des Druckluftspeichers wird mit Hilfe von Verdichtern der Druck eines Luftspeichers erhöht. Diese Energie steht abzüglich der Umwandlungsverluste in Zeiten wieder zur Stromproduktion zur Verfügung, in denen der Strombedarf die aktuelle Stromproduktion aus Grund- und Mittellast übersteigt. Druckluftspeicher haben den Vorteil, dass sie über längere Zeit Strom aufnehmen können und innerhalb kürzester Zeit das Vielfache ihrer Aufnahmeleistung wieder ans Netz abgeben können. Beispielsweise kann eine Stromaufnahme während der Nachtstunden des Wochenendes erfolgen und die Abgabe dieser Energie binnen 1 -2 Stunden mit dem Vielfachen der Aufnahmeleistung zur werktäglichen Abendspitze. Kraftwerke dieser Art stehen jedoch nur in begrenzter Anzahl und mit begrenzter Kapazität zur Verfügung, da die hierfür notwendigen geografischen bzw. geologischen Voraus- Setzungen und behördliche Genehmigungen nur an wenigen Orten gegeben sind. Ferner weisen die Druckluftspeicherkraftwerke mit ca. 40 bis 50% einen relativ geringen Wirkungsgrad auf.
In Deutschland wird durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz den Produzenten erneuerbarer Energien die vorrangige Einspeisung in das Stromnetz garantiert. So kann z. B. ein kurzeitig hohes Windaufkommen zu einem Überangebot an Strom führen, wenn alle schnell verfügbaren Strom-Speichermöglichkeiten bereits voll ausgelastet sind und die Lastminderung von Mittellastkraftwerken zu träge erfolgt. In diesem Fall wird der überschüssige Strom zu sehr niedrigen, zum Teil sogar negativen Preisen auf dem Strommarkt angeboten. Dies bedeutet, dass der Verkäufer den Käufer u.U. für die Abnahme des Stroms bezahlt. Der Jahrestiefpreis auf dem Intraday-Markt der europäischen Energiebörse EEX lag dabei im Jahr 2012 bei etwa - 200€/MWh. Im Gegensatz dazu können z.B. bei Ausfall eines großen Kraftwerks auch sehr hohe Preise auftreten. So lag 2012 der Höchstpreis auf dem EEX-Spotmarkt bei ca.
550€/MWh.
Kommt es trotz aller Netzoptimierungs- und Netzausbaumaßnahmen zu Situationen, in denen ein Herunterregeln der erneuerbaren Elektrizitätserzeuger aufgrund von Überkapazitäten bzw. fehlender Transportkapazitäten nicht vermeidbar ist, so muss dies vom Netzbetreiber, in dessen Netz die Ursache für das Herunterregeln begründet ist, vergütet werden. Im Jahr 2010 waren 127 GWh von diesen sog. Einspeisemanagementmaßnahmen betroffen, die mit etwa 10 Mio.€ vergütet werden mussten (Monitoringbericht 201 1 der Bundesnetzagentur).
Bei der Frequenzregelung in elektrischen Netzen werden unterschiedlich schnelle Regelkreise eingesetzt: Die Primärregelung mit einer Ansprechzeit von weniger als 30s, die Sekundärrege- lung mit einer Ansprechzeit von weniger als 7,5min und schließlich die Tertiärregelung, die eine längere Ansprechzeit zulässt. Die Primär- und Sekundärregelung werden automatisch ausgelöst und wirken direkt auf den Betriebszustand laufender Kraftwerke. Die Tertiärregelung (oder Minutenreserve) wird in der Regel durch organisatorische Maßnahmen aktiviert. Die Minutenre- serve kann positiv (bei erhöhtem Leistungsbedarf) oder negativ (bei reduziertem Leistungsbedarf) sein. Die positive Minutenreserve wird üblicherweise durch Zuschalten von Reservekraftwerken aktiviert. Die negative Minutenreserve erfordert einen Energieverbraucher. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden dafür neben Pumpspeicherkraftwerken auch Kapazitätsän- derungen von Großkraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen sowie Endverbraucher, wie z.B. Lichtbogenöfen oder Kühlhäuser, genutzt. Jedoch ist deren Kapazität regional ungleichmäßig verteilt (s. I DOS-Bericht). Außerdem ist absehbar, dass der Bedarf an negativer Minutenreserve durch den Ausbau der regenerativen Energiequellen zunehmen wird. Im Jahr 2010 betrug die von den vier deutschen Netzbetreibern abgerufene negative Minutenreserve insgesamt ca. 850GWh (s. IDOS-Bericht, Abbildung 1 ). Dies entspricht etwa dem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch einer Stadt mit 200.000 Einwohnern.
Durch die ausreichende Verfügbarkeit von schnell be- und entladbaren Energiespeichern könnte die oben beschriebene Problematik behoben werden. Allerdings konnte sich von den derzeit untersuchten Speichertechnologien, wie z.B. Batterien, Schwungräder, Kondensatoren, Hochtemperaturspeicher, bisher keine am Markt etablieren, da zum einen die spezifischen Investitionskosten zu hoch und zum anderen technische Probleme wie z.B. die Selbstentladung oder eine zu geringe Kapazität nicht gelöst sind.
Eine weitere derzeit viel diskutierte Technologie zur Nutzung und/oder Speicherung von Überschussstrom basiert auf der Elektrolyse von Wasser zur Produktion von Wasserstoff, der anschließend gespeichert und zeitversetzt rückverstromt oder chemisch weiterverarbeitet werden kann. Beispielsweise wird momentan intensiv daran geforscht, den durch Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff mit Kohlendioxid zu synthetischem Erdgas umzusetzen. Die bereits beschriebenen Schwankungen in der Verfügbarkeit des Überschussstroms bedingen jedoch eine tran- siente Betriebsweise der Elektrolyse und damit einen entsprechend stark schwankenden Produktstrom.
Elektrischer Strom wird derzeit als Energiequelle der Wahl hauptsächlich für nicht katalysierte Gas/Feststoff- und für Feststoffreaktionen eingesetzt, wenn große Wärmeströme auf sehr hohem Temperaturniveau eingetragen werden müssen. Typische Anwendungen sind metallurgische Öfen [Ullmann: Metalurgical Furnaces]. Als einzige relevante Gasphasenprozesse haben sich das Plasmaverfahren zur Herstellung von Acetylen aus Methan [Baumann, Angewandte Chemie, Ausgabe B, Band 20 (1948), Seiten 257-259,1948] und das Verfahren zur Herstellung von Reduziergasen in der Stahlindustrie großtechnisch etabliert. In der Literatur finden sich zwar weitere Hinweise auf den Einsatz von elektrischen Energiequellen in Gasphasenprozessen, aus denen jedoch bislang keine wirtschaftlich in industriellem Maßstab einsetzbaren Anwendungen entwickelt werden konnten. Verfahren mit elektrischer Beheizung werden für die Herstellung von Blausäure (HCN) aus Al- kanen, insbesondere aus Methan und Ammoniak, beschrieben. In der Patentschrift US
2,958,584 wird die Herstellung von HCN aus Propan und Ammoniak in einer elektrisch beheizten Wirbelschicht aus Kohlenstoffpartikeln offenbart, während US 6,096,173 die Herstellung von Blausäure als Gasphasenreaktion von Methan und Ammoniak unter Verwendung einer Korona- Entladung beschreibt.
Die Patentanmeldung DE 1 266 273 offenbart die Zerlegung eines Kohlenwasserstoffs in Was- serstoff und Koks, wobei der Koks eine hohe Reinheit und Festigkeit aufweist. Die Beheizung der Reaktionszone wird elektrisch resistiv durchgeführt, indem das Kohlenstoffbett, das als Wanderbett oder Wirbelbett beschrieben ist, als Widerstand genutzt wird. Ferner wird eine Wärmeintegration durch Gegenstromführung von Feststoff- und Gasstrom beschrieben.
Ferner wurden der Einsatz eines Plasmagenerators für die Herstellung von Synthesegas untersucht (37 L. Kerker, R. Müller: "Das Plasmareforming-Verfahren zur Erzeugung von Reduktionsgasen," Stahl Eisen 104, (1984) no. 22, 1 137) sowie die Nutzung elektrischer bzw. elektromagnetischer Verfahren zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen beschrieben (Häussinger, P., Lohmüller, R. and Watson, A. M. 2000. Hydrogen, 2. Production. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry). So kann Wärme durch elektrischen Strom induktiv (DE 2 420 579) oder resistiv erzeugt und auf die Kohlenwasserstoffe übertragen werden (DE 1 266 273). Besonders wirkungsvoll sind Plasma-Verfahren wie beispielsweise das in der Patentanmeldung WO 93/12030 offenbarte, bei denen ein Gas in einem Lichtbogen durch Ionisierung seiner Atome bzw. Moleküle in ein Plasma überführt wird. Die bei der Rekombination von Elektronen und Ionen erzeugte Wärme liefert die für die Zersetzung der Kohlenwasserstoffe notwendige Energie.
Bei einigen wichtigen wärmeverbrauchenden Prozessen handelt es sich um Hochtemperaturprozesse, d. h. Prozesse, die bei Temperaturen zwischen 500 und 2.500°C ausgeführt werden. Als Vertreter dieser sehr energie-intensiven Verfahren seien die Dampf- und die Trocken- Reformierung, Dehydrierungen, beispielsweise von primären Alkoholen zu Aldehyden, von sekundären Alkoholen zu Ketonen, von Alkanen zu Alkenen und von Cycloalkanen zu Cycloalke- nen, die Herstellung von Blausäure aus Methan und Ammoniak, die Herstellung von Stickstoffmonoxid, das Cracken bzw. die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen und die Thermolyse von Wasser genannt. Die Dampf- und die Trockenreformierung sind Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie beispielsweise Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse sowie Wasser bzw. Kohlendioxid.
In industriellem Maßstab laufen diese Prozesse kontinuierlich ab und benötigen deshalb eine konstante Wärmeversorgung. Der Prozesswärmebedarf dieser Prozesse wird auf 500 bis 600 TWh geschätzt. Derzeit werden die genannten Hochtemperaturprozesse ausschließlich unter Verwendung von Energiequellen durchgeführt, die über oxidative Verfahren (autotherm und/oder allotherm) gespeist werden. Der Nachteil dieser oxidativen Verfahren, d.h. zum einen die Rohstoffabhängigkeit und die begrenzte Verfügbarkeit der Rohstoffe und zum anderen die mit den oxidativen Verfahren verbundenen C02-Emission (die C02-Emissionen in Deutschland betrugen im Jahre 2010 rd. 960 Mio. t C02-Äquivalent, wobei die Chemieindustrie mit ca. 5 % beiträgt), sind hinreichend bekannt. Obwohl bei Hochtemperaturprozessen die Aufwendungen für das Erreichen der hohen Temperaturen einen entscheidenden Faktor für deren Wirtschaftlichkeit bilden, findet sich im Stand der Technik kein Hinweis auf eine Verwendung des kostengünstigen Überschussstroms, insbesondere einer Kombination aus einer elektrischen und einer nicht-elektrischen Energiequelle. Fer- ner findet sich kein Hinweis, dass bei einem Hochtemperaturprozess während des Verfahrens zwischen einer elektrischen und einer nicht-elektrischen Energiequelle gewechselt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem es mög- lieh ist, elektrischen Strom, der nur mit zeitlich schwankender Leistung zur Verfügung steht, effektiv, d.h. mit einem hohen Wirkungsgrad, als Energiequelle zu nutzen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, chemische Prozesse als Energieabnehmer bei einer negativen Minutenreserve zur Frequenzregelung in elektrischen Netzen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, chemische Hochtemperaturverfahren bereitzustel- len, die einen geringen C02-Footprint aufweisen und somit fossile Brennstoffe, bzw. C02- Zertifikate, eingespart werden können.
Diese gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung eines wärmeverbrauchenden Prozess dadurch gelöst, dass die für den wärme- verbrauchenden Prozess benötigte Gesamtenergie im Jahresmittel aus mindestens zwei verschiedenen Energiequellen stammt, wobei eine der Energiequellen eine elektrische Energiequelle ist, deren Leistung zwischen 0 und 100% der benötigten Gesamtleistung variiert, und drei unterschiedliche Energiemodi einzeln die gesamte benötigte Leistung für den wärmeverbrauchende Prozess zur Verfügung stellen können: (i) ausschließlich elektrische Energie, (ii) eine Mischung aus elektrischer Energie und mindestens einer weiteren nicht-elektrischen Energiequelle oder (iii) ausschließlich nicht-elektrische Energie, wobei die Übergangszeit, in der der Wechsel von einem Energiemodus zu einem anderen Energiemodus vollzogen wird, maximal 30 Minuten beträgt. Die für den wärmeverbrauchenden Prozess insgesamt zur Verfügung stehende Leistung kann dabei vorteilhaft von dem, durch den wärmeverbrauchenden Prozess gegebenen, Sollwert um weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und besonders bevorzugt weniger als 3% abweichen. Bevorzugt weicht die zur Verfügung stehende Leistung um 0 bis 5 % vom Sollwert ab, insbesondere um 0 bis 3 %.
Sowohl der Sollwert als auch die zulässige Abweichung können zeitlich verändert - falls beispielsweise der wärmeverbrauchende Prozess nur in Teillast oder zeitweise auch in Überlast durchgeführt werden soll - oder konstant gehalten werden. Vorzugsweise wird die Nennleistung, mit der die für die Durchführung des wärmeverbrauchenden Prozesses eingesetzte Vorrichtung betreibbar ist, als Sollwert gewählt und während des Normalbetriebs der Vorrichtung konstant gehalten. Vorzugsweise wird die wenigstens eine nicht-elektrische Energiequelle durch oxidative Prozesse wie beispielsweise die Verbrennung von Erdgas gespeist. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz von Erdwärme oder Sonnenenergie zur Speisung der Energiequelle. Ferner können Hochtemperaturprozesse als nicht-elektrische Energiequelle dienen, deren Abwärme dem wärme- verbrauchenden Prozess zugeführt wird.
Die Erfindung erlaubt es daher, den wärmeverbrauchenden Prozess unabhängig von der momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, vorteilhaft als Überschussstrom, stets unter optimalen Betriebsbedingungen durchzuführen. Insbesondere ist es möglich, Über- schussstrom ohne Zwischenspeicherung, d.h. annährend verlustfrei, mit einem Wirkungsgrad von vorteilhaft größer als 90 %, bevorzugt größer als 95 %, insbesondere größer als 98 %, d.h. in einem Bereich von vorteilhaft 95 bis 100 %, bevorzugt 98 bis 100 %, für den wärmeverbrauchenden Prozess einzusetzen und so seine Kostenvorteile ohne wesentliche Einschränkungen zu nutzen. Folglich kann Energie mit schwankender Leistung aus erneuerbaren Energiequellen direkt, d.h. ohne vorherige Glättung/Kompensation in einem Kraftwerk, in chemischen Prozessen eingesetzt werden.
Überschussstrom ist als solcher Strom definiert, der auf dem Strommarkt deutlich unterhalb seiner Gestehungskosten oder zu Preisen, die bezogen auf seinen Energiegehalt niedriger sind als für einen fossilen Brennstoff mit demselben Brennwert, oder umsonst (d. h. ohne Gegenleistung) oder sogar zu negativen Preisen angeboten wird.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem wärmeverbrauchenden Prozess vorteilhaft um einen endothermen Hochtemperaturprozess, bevorzugt um einen Prozess, dessen Energieverbrauch in der Reaktionszone größer als 0,5 MW/m3 ist, besonders bevorzugt größer 1 MW/m3, insbesondere größer als 2 MW/m3. Beispielsweise kann der Energieverbrauch zwischen 0,5 und 10 MW/m3 in der Reaktionszone liegen.
Unter dem Begriff Reaktionszone wird bei der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich im Re- aktor verstanden, in welchem die Endothermie, d.h. der Wärmebedarf der Reaktion, vorteilhaft 10 kW/m3, bevorzugt 100 kW/m3, insbesondere 500 kW/m3 übersteigt. Dies entspricht in etwa dem Bereich im Reaktor, der eine Temperatur von größer 500°C aufweist.
Die Maximaltemperatur in der Reaktionszone liegt vorteilhaft bei größer 500°C, bevorzugt bei größer 800°C. Beispielsweise liegt die Temperatur in der Reaktionszone in einem Bereich von 500 bis 2500°C, bevorzugt 700 bis 1800°C; beispielsweise bei 500 bis 800°C bei Dehydrierungs-Reaktionen, beispielsweise bei 700 bis 1000°C bei Reformierungs-Reaktionen, beispielsweise bei 800 bis 1 100°C bei Dampf-Spaltungs-Reaktionen, beispielsweise bei 800 bis 1500°C bei Pyrolyse-Reaktionen, beispielsweise bei 800 bis 1200°C bei Kohlenstoff- Vergasungs-Reaktionen.
Beispiele für den Energiebedarf endothermer Hochtemperaturprozesse finden sich in Tabelle 1 . Produkt Temperaturniveau Kapazität GER WärmeC02-Äquivalent
Wärmeeintrag [Mio tn / a] bedarf [Mio tn/a]
[°C] [GWh/a]
Wasserstoff 900 0,535 5572,9 2,25
Propen 1050 3,9 3224,2 1 ,30
Styrol 720 1 ,3 420,1 0,17
Der Exergieverlust bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vorzugsweise bei weniger als 60%, bevorzugt bei weniger als 50%, besonders bevorzugt bei weniger als 40%, insbesondere bei weniger als 25 % der eingetragenen elektrischen Energie. Exergie ist der Anteil der inneren Energie eines Systems, der in mechanische Energie ohne Entropiezunahme umsetzbar ist. Elektrische Energie ist praktisch vollständig eine Exergie.
Mit besonderem Vorzug wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Synthesegas, von Wasserstoff, von Styrol, Propen, Buten und/oder Benzol, von Acetylen, von Kohlen- stoffmonoxid, von Blausäure, von Stickstoffmonoxid sowie bei der Kalzinierung von Aluminiumhydroxid eingesetzt. Bevorzugt sind folgende Verfahren: Dampf- und Trockenreformierung, die Thermolyse von Wasser, die Dehydrierung Ethylbenzol zu Styrol, von Propan zu Propen, von Butan zu Buten und/oder von Cyclohexan zu Benzol, die Pyrolyse und das Cracken von Kohlenwasserstoffen in Festbett oder Wirbelschichtverfahren, insbesondere die Pyrolyse von Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, sowie die pyrolytische Acetylenherstellung, die Herstellung von Benzol aus Methan, die Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und die Herstellung von Blausäure aus Methan und Ammoniak sowie die Herstellung von Stickstoffmonoxid aus Stickstoff und Sauerstoff.
Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Hochtemperaturprozess energieintegriert in einen Verbundstandort eingebunden, aufgrund der Energieintegration kann der Wirkungsgrad der eingesetzten Wärme vorteilhaft um absolute 2 % erhöht werden, bevorzugt um absolute 3 %, ganz besonders bevorzugt um absolute 5 %, insbesondere um absolute 10%, im Vergleich zu einem separat betriebenen Hochtemperaturprozess.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich durchgeführt.
Vorzugsweise werden im Jahresmittel mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 75%, noch bevorzugter mindestens 90% und insbesondere mindestens 95% der eingesetzten elektrischen Energie durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom (wobei Nachtstrom als solche elektrische Energie definiert ist, die bei Nacht geliefert wird - beispielsweise zwischen 22 und 6 Uhr und einen Niedrigtarif aufweist), bevorzugt Überschussstrom, bereitgestellt. Vorzugsweise werden im Jahresmittel 50 bis 100%, besonders bevorzugt 75 bis 100%, noch bevorzugter 90 bis 100 % und insbesondere 95 bis 100% der eingesetzten elektrischen Energie durch Überschussstrom bereitgestellt. Besonders bevorzugt wird jedoch die gesamte über Elektrizität in das Verfahren eingebrachte Energie durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom, bevorzugt Überschussstrom, bereitgestellt.
Bevorzugt werden im Jahresmittel mindestens 10% der für den wärmeverbrauchenden Prozess benötigten Gesamtenergie aus der elektrischen Energiequelle mit schwankender Leistung bezogen, besonders bevorzugt mindestens 15%, ganz besonders bevorzugt mindestens 20% und insbesondere um mindestens 25 %.
Vorteilhaft erfolgt ein Wechsel der Energiequellen/Energiemodi während der Durchführung des wärmeverbrauchenden Prozesses. Unter einem Wechsel der Energiequellen/Energiemodi ist ein Zu- bzw. Abschalten einer der Energiequellen, d.h. eine Änderung des Energiequellenmixes zwischen den Modi (i), (ii) und (iii) zu verstehen.
Der Wechsel der Energiequellen beeinträchtigt die Durchführung des wärmeverbrauchenden Prozesses vorteilhaft nur wenig.
Vorteilhaft verringert sich bzw. schwankt der dem Prozess zugeführte Wärmestrom während der Übergangszeit maximal um 10%, bevorzugt maximal um 5% und insbesondere maximal um 1 %.
Die Übergangszeit ist erfindungsgemäß diejenige Zeit, in der der Wechsel der Energiequellen/Energiemodi (von einem Energiemodus in den anderen) vollständig vollzogen wird. Die Übergangszeit lässt sich beispielsweise anhand der Summe der Leistung aller Energiequellen messen oder anhand der Temperatur in der Reaktionszone; außerhalb der Übergangszeit (und ggf. außerhalb des An- oder Herunterfahrens des Prozesses) ist die Temperatur in der Reaktionszone bevorzugt konstant, z. B. bei einer kontinuierlichen Fahrweise des wärmeverbrauchenden Prozesses, oder weist z. B. bei einer periodischen Fahrweise des wärmeverbrauchenden Prozesses einen periodischen Temperaturverlauf auf. Vorteilhaft ändert sich die Temperatur in der Reaktionszone während der Übergangszeit maximal um 20 K, bevorzugt maximal um 10 K, besonders bevorzugt maximal um 5 K, insbesondere maximal um 1 K. Typische chemische Hochtemperaturprozesse weisen eine Dynamik bei Temperaturänderungen von 1 K/s auf. Vorteilhaft ändert sich der Umsatz des wärmeverbrauchenden Prozesses während der Übergangszeit maximal um 2 %, bevorzugt maximal um 1 %, besonders bevorzugt maximal um 0,5 %, insbesondere maximal um 0,2 %.
Die Übergangszeit ist vorteilhaft kürzer als die geforderte Ansprechzeit der Minutenreserve in elektrischen Netzwerken, bevorzugt kürzer als die geforderte Ansprechzeit der Sekundärregelung (< 7,5 Minuten) und besonders bevorzugt kürzer als die geforderte Ansprechzeit der Primärregelung (< 30 Sekunden). Die Übergangszeit ist vorteilhaft kürzer als 15 Minuten, bevorzugt kürzer als 7,5 Minuten, besonders bevorzugt kürzer als fünf Minuten, ferner besonders bevorzugt kürzer als 60 Sekunden, insbesondere kürzer als 30 Sekunden. Die Übergangszeit liegt vorteilhaft im Bereich von 0 Sekunden bis 15 Minuten, bevorzugt 0,2 Sekunden bis 7,5 Minuten, besonders bevorzugt 0,5 Se- künden bis 5 Minuten, ferner besonders bevorzugt 1 Sekunden bis 60 Sekunden, insbesondere 1 Sekunde bis 30 Sekunden.
Beispielsweise kann die Leistung von üblicherweise verwendeten Brennern aus dem Stand der Technik innerhalb weniger Sekunden in einem weiten Bereich von ggf.„aus" bis zum Erreichen einer Temperatur von beispielsweise 2000°C verändert werden (siehe z.B. Produktspektrum von Selas-Linde).
Vorteilhaft ändert sich durch den Wechsel der Energiemodi die Nebenproduktselektivität der Hochtemperaturprozesse nur wenig, bevorzugt erhöht sich die Nebenproduktselektivität um maximal 1 %, bevorzugt um maximal 0,5 %, insbesondere um maximal 0,2 % (absolut).
Vorteilhaft ist das Temperaturprofil im Reaktor, insbesondere in der Reaktionszone, unabhängig von den drei genannten Energiemodi konstant. Bevorzugt ändert sich die Wärmestromdichte bei einem Wechsel der Energiemodi um weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 %, insbe- sondere weniger als 2 %.
Vorteilhaft ist die Eduktzusammensetzung unabhängig von den drei genannten Energiemodi konstant. Bevorzugt ändert sich der Volumenstrom der Edukte bei einem Wechsel der Energiemodi um weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 %, besonders bevorzugt weniger als 5 %, insbesondere weniger als 2 %.
Um thermische Energie für den wärmeverbrauchenden Prozess über elektrischen Strom bereitzustellen, können unterschiedliche Wege beschritten werden. Beispielhaft sind hier induktive oder resistive Verfahren, Plasmaverfahren, ein Erwärmen durch elektrisch leitfähige Heizele- mente/Kontaktflächen oder durch Mikrowellen zu nennen.
Die thermische Energiezufuhr in die Prozessströme kann beispielsweise außerhalb des Reaktors, in Abschnitten in welchen wärmeverbrauchende Prozessschritte durchgeführt werden, beispielsweise Feed-Vorwärmung, und/oder innerhalb der Reaktors, sowohl außer- als auch in- nerhalb der Reaktionszone erfolgen.
Beispielsweise kann mit Hilfe des Stroms Wärme in einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Heizelementen erzeugt werden, mit denen ein zu behandelnder Prozessstrom, d.h. ein Wärmeträger (wobei der Wärmeträger auch ein Teil des Produktstroms sein kann) oder Eduktstrom, in direkten Kontakt gebracht und dabei aufgeheizt wird. Falls ein Wärmeträger oder Eduktstrom in direktem Kontakt mit einem strombeheizten Heizelement aufgeheizt wird, kann dieser anschließend Wärme in direktem Kontakt und/oder über einen Wärmetauscher auf einen anderen Prozessstrom übertragen. Vorteilhaft ist der Wärmeträger vollständig von den Produkten und Edukten abtrennbar. Vorteilhaft handelt es sich bei dem Wärmeträger um keinen zusätzlichen Stoff im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prozessströmen des jeweiligen wärmeverbrauchenden Prozesses. Bevorzugt sind solche Prozessströme, die Kohlenwasserstoffe, insbesondere Me- than, Ethan, Propan, Butan, Cyclohexan und/oder Ethylbenzol, Wasser, Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonooxid, Ammoniak und/oder Sauerstoff und/oder Inertgase, wie beispielsweise Stickstoff, enthalten. Besonders bevorzugt sind solche Prozessströme, die Methan, Ethylen und/oder Wasserstoff enthalten. Insbesondere ist Wasserstoff als Prozessstrom bevorzugt.
Zur Wärmeerzeugung kann der elektrische Strom vorteilhaft durch ein als Heizleiter ausgeführtes Heizelement geführt werden, wobei Wärme resistiv erzeugt wird. Handelt es sich bei dem elektrischen Strom um Wechselstrom, kann vorteilhaft mit seiner Hilfe ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden, wozu der Strom durch eine Induktionsspule geführt wird. Ein elektrisch leitfähiges Heizelement, das von der Induktionsspule elektrisch isoliert ist, wird vorteilhaft so angeordnet, dass in ihm durch das magnetische Wechselfeld Wirbelströme induziert werden, die aufgrund der ohmschen Verluste zur Erwärmung des Heizelements führen.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Strom verwendet wird, um zumindest einen Teil der gasförmigen Prozessströme durch teilweise Ionisierung in ein Plasma zu überführen. Die bei der Rekombination von Elektronen und Ionen freigesetzte Energie wird zu einem Großteil auf die Gas-Atome bzw. -Moleküle übertragen, so dass ein aufgeheizter Prozessstrom erzeugt wird, der entweder selbst bereits ein aufgeheizter Eduktstrom ist und/oder als Wärmeträger fungiert, dessen Wärme anschließend in direktem Kontakt und/oder über einen Wärmetauscher auf einen Eduktstrom des wärmeverbrauchenden Prozesses, z. B. auf zu zersetzende Kohlenwasserstoffe, übertragen wird. Zweckmäßigerweise wird zumindest einen Teil der gasförmigen Prozessströme hierbei durch einen Plasmagenerator geführt, in den ein kalter Gasstrom eingeleitet und aus dem ein aufgeheizter Gasstrom abgezogen wird. Die Größe der Teilmenge, die durch den Plasmagenerator geführt wird, bestimmt sich durch die Menge der zu übertragenden Wärme.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Energiemodus (ii) wird die mit zeitlich schwankender Leistung aus der elektrischen Energiequelle bezogene thermische Energie beispielsweise dazu verwendet, um einen aufgeheizten Prozessstrom, ggf. einen Wärmeträger, mit konstantem Mengenstrom zu erzeugen, dessen Temperatur in Abhängigkeit von der für die Aufheizung momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Leitung zeitlich schwankt. Alternativ kann auch der Mengenstrom des Prozessstroms, ggf. des Wärmeträgers, so geregelt werden, dass die Temperatur des Prozessstroms, ggf. des Wärmeträgers, - zumindest in einem weiten Bereich - unabhängig ist von der elektrischen Leistung, die zu seiner Aufheizung bereitsteht.
Vorzugsweise wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einem Prozessstrom in einem ersten Aufheizschritt thermische Energie aus der elektrischen Energiequelle zugeführt. Falls die momentane Leistung der elektrischen Energiequelle nicht ausreicht, wird weiter stromabwärts in wenigstens einem zweiten Aufheizschritt die Temperatur des Prozessstroms durch die Zuführung von thermischer Energie aus wenigstens einer nicht-elektrischen Energiequelle auf den gewünschten Wert angehoben. Die Aufheizung des Prozessstroms kann auch in umgekehrter Reihenfolge stattfinden, d. h. der Prozessstrom wird erst durch thermische Energie aus wenigstens einer nicht-elektrischen Energiequelle vorgeheizt und anschließend durch elektrisch erzeugte Wärme auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Alternativ zur Schaltung in Reihe der beiden oder mehreren Energiequellen können diese Energiequellen auch parallel geschaltet sein, wobei zwei oder mehr Prozessströmen parallel thermi- sehe Energie zugeführt wird.
Wenn ein Plasmagenerator als elektrische Energiequelle in Kombination mit oxidativen Verfahren genutzt wird, ist die Kontamination des Plasmabrenners durch Rauchgase zu vermeiden. Vorteilhaft werden daher die Prozessströme erst durch den Plasmagenerator (vor)geheizt und anschließend durch oxidative Verfahren auf die gewünschte Temperatur gebracht. Alternativ werden der Plasmagenerator und das oxidative Verfahren parallel gefahren.
Wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine nicht-elektrische Energiequelle eingesetzt, in der thermische Energie oxidativ erzeugt wird, erfolgt dies bevorzugt durch vollständige oder teilweise Verbrennung eines Brennstoffs wie Wasserstoff, Erdgas, Kohle oder eines anderen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers. Die Wärme des hierbei entstehenden heißen Rauchgases wird nachfolgend in direktem Kontakt und/oder über Wärmetauscher auf Edukte, wie beispielsweise auf zu zersetzende Kohlenwasserstoffe, und/oder auf einen Wärmeträger übertragen.
Alternativ wird ein oxidierbare Bestandteile wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas, bevorzugt Methan, z. B. unter Verwendung von Erdgas, wobei in Abhängigkeit von der Erdgaslagerstätte der Methananteil im Erdgas typischerweise zwischen 75 und 99 mol% liegt, als Prozessstrom eingesetzt, so dass sein Wärmeinhalt vorzugsweise nach der elektri- sehen Aufheizung durch Oxidation von oxidierbaren Bestandteilen erhöht werden kann.
Zweckmäßigerweise wird der Prozessstrom hierzu in einen Brenner eingeleitet und dort mit einem Oxidationsmittel, bei dem es sich um Luft oder um mit Sauerstoff angereicherte Luft oder um reinen Sauerstoff handelt, vermischt. Das Oxidationsmittel wird dabei mengengeregelt zudosiert, wobei die sich stromabwärts des Brenners einstellende Temperatur des Prozessstroms als Regelgröße verwendet wird. Die Temperatur des Prozessstroms kann somit weitgehend unabhängig von der momentan für seine Erwärmung zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt und insbesondere konstant gehalten werden.
Falls mit Hilfe von Strom mit zeitlich schwankender Leistung Wärme in Heizelementen erzeugt wird, kann es vorteilhaft sein, diese Heizelemente in einem heißen gasförmigen Prozessstrom zu positionieren, der in einem Brenner als Rauchgas erzeugt wird.
Handelt es sich bei dem wärmeverbrauchenden Prozess um die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, werden die Kohlenwasserstoffe vorteilhaft bis zum Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts über ihre Zersetzungstemperaturen erhitzt (d. h. dass die Verweilzeit in der Reaktionszone lang genug ist, um ein Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts sicherzustellen), so dass sie in Wasserstoff und Kohlenstoff zerfallen. Möglich ist es aber auch, die Zeit jenseits der Zersetzungstemperaturen so kurz zu wählen, dass sich das thermodynamische Gleichgewicht nicht einstellt. Auf diese Weise wird ein Produktgasstrom gewonnen, der neben Wasserstoff und Kohlenstoff auch ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen und Aromaten, sowie nicht-umgesetzte gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Methan und/oder Ethan enthält.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden Prozessströme vorteilhaft innerhalb der Reaktionszone aufgeheizt. Beispielsweise können Widerstandsstäbe und befeuerte Strahlungsrohre in der Reaktionszone angeordnet sein. Die Strahlungsrohre werden bevorzugt mit Rekuperativ- oder Regenerativbrennern kombiniert (J.A. Wünning, J.G. Wünning: Regeneratorbrenner für Strahlheizrohre. Deutscher Flammentag, Berlin, 2007). Vorteilhaft wird über eine Störgrößenaufschaltung die Brennstoffzufuhr zu den Brennern so geregelt, dass bei variieren- der Leistung der elektrischen Energiequelle der Sollwert der Temperatur in der Reaktionszone eingehalten werden kann. In dieser Konfiguration sind die Prozessströme von den Rauchgasen der oxidativen Verbrennung getrennt. Die Wärme wird indirekt über die Wand des Strahlungsrohrs übertragen. So wird durch die Kombination der elektrischen und der oxidativen Beheizung eine Kontamination der Prozessströme wirksam verhindert. Beispielsweise können die elektrisch beheizten und die oxidative beheizten Strahlungsrohe alternierend im Reaktionsraum angeordnet sein.
In einer unter dem Aktenzeichen DE10201 1 106645.8 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichten Patentanmeldung, deren Inhalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, wird ein Verfahren zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen beschrieben, bei dem die zu zersetzenden Kohlenwasserstoffe durch eine in einer Schüttung aus Granulat angeordnete Hochtemperaturzone geführt und dabei thermisch in Wasserstoff und Kohlenstoff zersetzt werden. Das Granulat ist vorteilhaft aus Partikeln gebildet, die Metall, Keramik, Kohle und/oder Koks enthalten, bevorzugt Kohle und/oder Koks mit einem Kohlenstoff- gehalt im Bereich von 50 bis 100Gew.-%. Ausgestaltungen dieses Verfahrens sehen vor, dass für die Zersetzung benötigte Energie über elektrischen Strom und/oder oxidativ bereitgestellt wird. Da diese Art der Kohlenwasserstoffzersetzung besonders geeignet erscheint, um nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt zu werden, wird vorgeschlagen, Strom in Form von Überschussstrom zuzuführen und dessen zeitliche Leistungsschwankungen dadurch auszugleichen, dass thermische Energie mit zeitlich schwankender Leistung oxidativ erzeugt und für die Kohlenwasserstoffzersetzung derart bereitgestellt wird, dass die für die Zersetzung der Kohlenwasserstoffe insgesamt zur Verfügung stehende Leistung stets einem Sollwert entspricht oder diesem angenähert ist. Die C02-Emission liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren für beispielsweise 100 kg Wasserstoff vorteilhaft bei weniger als 6,6 kg C02/kgH2, bevorzugt bei weniger als 6,4 kg C02/kgH2, insbesondere bei weniger als 6,2 kg C02/kgH2. Vorteilhaft reduziert sich die C02-Emission bei den erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu den analogen Verfahren aus dem Stand der Technik unter Verwendung von oxidativen Energiequellen um 10 bis 20%.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Hochtemperaturverfahren als negative Minutenreserve bei Frequenzregelungen in elektrischen Netzen einzusetzen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind diese Hochtemperaturverfahren schnell zuschaltbar und können ferner hohe Energiemengen von 500 bis 600 TWh abnehmen. Kontinuierlich betrieben sind diese Ver- fahren permanent für die Einspeisung von Überschussstrom, beispielsweise von Nachtstrom, verfügbar.
Hochtemperaturprozesse eignen sich besonders gut für die Nutzung elektrischer Energie, da die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme dabei nur einen geringen Exergieverlust verur- sacht. Durch die Umwandlung in Wärme wird ein Teil der Exergie vernichtet. Dieser Anteil sinkt mit steigendem Temperaturniveau der Wärmesenke, im vorliegenden Fall eines endothermen Hochtemperaturprozesses. Da diese Prozesse weitgehend energieintegriert in Verbundstandorten eingebunden sind, kann aus der inneren Energie der Produktströme der maximale technisch mögliche Anteil wieder in Exergie, beispielsweise in Form von Hochdruckdampf, umge- wandelt werden.
Die Erfindung erlaubt es somit, die Hochtemperaturprozesse, z. B. die Zersetzung von Kohlenwasserstoffen, unabhängig von der momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Energie stets unter optimalen Betriebsbedingungen durchzuführen. Insbesondere ist es möglich, günsti- gen Überschussstrom ohne Zwischenspeicherung oder vorheriger Glättung/Kompensation in einem Kraftwerk einzusetzen und so dessen Kostenvorteile ohne wesentliche Einschränkungen zu nutzen. Ferner erlaubt die Erfindung trotz Wechsel zwischen zwei oder mehreren verschiedenen Energiequellen einen kontinuierlichen Betrieb, bei dem zum Beispiel die (Zerset- zungs)produkte mit zeitlich konstanter Menge und Zusammensetzung erzeugt werden.
An zwei Beispielen sollen die wirtschaftlichen Vorteile gezeigt werden, die sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben:
Im Jahr 2010 konnten in Deutschland 127GWh elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen aufgrund von Überkapazitäten nicht produziert werden, ferner betrug die von den vier deutschen Netzbetreibern abgerufene negative Minutenreserve insgesamt ca. 850 GWh. Mit dieser Energie hätten ca. 100.000 t Wasserstoff durch Pyrolyse von Methan produziert werden können (bei einem Wirkungsgrad von ca. 66%). In einem konventionell beheizten Prozess wären für diese Energiemenge unter Annahme von spezifischen Energiekosten von 8€/GJ ca. 25 Mio.€ an Kosten angefallen. Bei einer Anlage mit einer Wasserstoffproduktionsrate von 20.000 Nm3/h besteht für die thermische Zersetzung des eingesetzten Methans ein Leistungsbedarf von ca. 15 MW. Zurzeit steht an etwa 800 Stunden im Jahr Überschussstrom mit einer gesamten Energiemenge von ca. 12GWh im Wesentlichen kostenlos zur Verfügung. Soll die gleiche Energiemenge durch die Verbrennung von Methan erzeugt werden, würde dies unter der Annahme von 8€/GJ Kosten in Höhe von ca. 350.000€ verursachen. Es ist zu erwarten, dass das Einsparungspotenzial durch zunehmende Verfügbarkeit von Überschussstrom zukünftig deutlich steigt.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausfüh- rungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Methan in einer in einer Schüttung aus kohlenstoffhaltigem Granulat angeordneten Hochtemperaturzone in Wasserstoff und Kohlenstoff zersetzt wird.
Über die Zuführung 1 wird ein kohlenstoffhaltiges Granulat, bei dem es sich beispielsweise um Koksgrus handelt, mit Umgebungstemperatur, vorteilhaft 0 bis 300°C, bevorzugt 10 bis 150°C, insbesondere 50 bis 100°C, von oben in den Reaktionsraum R eingeleitet, durch den es nachfolgend unter Wirkung der Schwerkraft in einem Wanderbett W nach unten geführt wird. Ein Methan enthaltendes Gas 2, bei dem es sich beispielsweise um Erdgas handelt, wird gleichzeitig von unten in den Reaktionsraum R geleitet und im Gegenstrom durch das Wanderbett W nach oben geführt. Das Gas 2, das bei seinem Eintritt in den Reaktionsraum R Umgebungstemperatur, vorteilhaft 0 bis 100°C, bevorzugt 10 bis 50°C, aufweist, wird auf seinem Weg nach oben in direktem Wärmetausch mit dem Wanderbett W aufgeheizt. In der Hochtemperaturzone H, in der Temperaturen von mehr als 1000°C herrschen, wird Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff zersetzt, wobei sich der Kohlenstoff zum überwiegenden Teil an die kohlenstoffhaltigen Körner des Wanderbetts W anlagert. Der gebildete heiße Wasserstoff strömt weiter nach oben, wobei er in direktem Wärmetausch mit dem Wanderbett W abgekühlt wird, so dass über Leitung 3 ein wasserstoffhaltiges Gas mit einer Temperatur abgezogen werden kann, die nicht wesent- lieh oberhalb der Umgebungstemperatur, vorteilhaft 50 bis 800°C, bevorzugt 100 bis 500°C, liegt. In der Trenneinrichtung T wird ein Teil 4 des Wasserstoffs aus dem wasserstoffhaltigen Gas 3 abgetrennt und nachfolgend mit konstantem Mengenstrom in eine Vorrichtung zum elektrischen Energieeintrag, z.B. einen Plasmagenerator P eingeleitet, wo es zu einem Wärmeträger 5 aufgeheizt wird. Der Plasmagenerator P wird mit Überschussstrom 9 betrieben, der mit zeitlich schwankender Leistung zugeführt wird. Abhängig von der momentanen Leistung des Überschussstroms 9 schwankt die Temperatur des Wärmeträgers 5 zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Um die Temperatur des Wärmeträgers auf einem vorgegebenen Sollwert einzustellen, wird über den Brenner B ein Oxidationsmittel 10, bei dem es sich um Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft handelt, mengengeregelt dem Wärmeträger 5 zudosiert. Als Regelgröße dient hierbei die Temperatur des Wärmeträgers 1 1 stromabwärts des Brenners B. Der Wärmeträger 1 1 wird nachfolgend in die Hochtemperaturzone H eingeleitet, wo er die für die Methanzersetzung benötigte Energie bereitstellt. Am unteren Ende des Reaktionsraums R wird mit nahezu Umgebungstemperatur, vorteilhaft 10 bis 400 °C, bevorzugt 20 bis 200°C, Granulat 6 abgezogen, das aufgrund der Kohlenstoffanlagerungen beispielsweise als Hochofenkoks oder Kokereizuschlagsstoff eingesetzt werden kann. Bestandteile des Granulats 6, die die Qualitätsanforderungen nicht erfüllen, weil sie einen zu großen (< 80 mm) oder zu kleinen Durchmesser (< 35 mm) oder beispielsweise eine zu geringe Festigkeit (Trommelfestig- keit I40 für Hochofenkoks > 40% gemäß ISO/FDIS 18894:2003) aufweisen, werden in der Trenneinrichtung S durch Siebung und/oder Sichtung abgetrennt und nach einer eventuellen Zerkleinerung über Leitung 7 wieder in den Reaktionsraum R zurückgeführt. Bei dem verbleibenden Rest 8 handelt es sich um Hochofenkoks, der als hochwertiges Produkt abgegeben wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Durchführung eines wärmeverbrauchenden Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass die für den wärmeverbrauchenden Prozess benötigte Gesamtenergie im Jahresmittel aus mindestens zwei verschiedenen Energiequellen stammt, wobei eine der Energiequellen eine elektrische Energiequelle ist, deren Leistung zwischen 0 und 100% der benötigten Gesamtleistung variiert, und drei unterschiedliche Energiemodi einzeln die gesamte benötigte Leistung für den wärmeverbrauchende Prozess zur Verfügung stellen können: (i) ausschließlich elektrische Energie, (ii) eine Mischung aus elektrischer Energie und mindestens einer weiteren nicht-elektrischen Energiequelle oder (iii) ausschließlich nichtelektrische Energie, wobei die Übergangszeit, in der der Wechsel von einem Energiemodus zu einem anderen Energiemodus vollzogen wird, maximal 30 Minuten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der elektrischen Energiequelle, deren Leistung zwischen 0 und 100% der benötigten Gesamtleistung variiert, größer als 90 % beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 75 % der eingesetzten elektrischen Energie durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Jahresmittel mindestens 10 % der für den wärmeverbrauchenden Prozess benötigten Gesamtenergie aus der elektrischen Energiequellen mit schwankender Leistung bezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des elektrischen Stroms ein oder mehrere Prozessströme aufgeheizt werden, dessen Wärme nachfolgend für den wärmeverbrauchenden Prozess genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Übergangszeit der dem wärmeverbrauchenden Prozess zugeführte Wärmestrom maximal um 10% schwankt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangszeit maximal 7,5 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverbrauch des Hochtemperaturprozesses größer als 0,5 MW/m3 in der Reaktionszone ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch den Wechsel der Energiequellen die Nebenproduktselektivität der Hochtemperaturprozesse maximal um 1 % erhöht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer nicht-elektrischen Energiequelle thermische Energie oxidativ erzeugt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionszone des Hochtemperaturprozesses elektrisch beheizte und oxidative beheizte Strahlungsrohe alternierend angeordnet sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangszeit maximal 60 Sekunden beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wärmeverbrauchenden Prozess um die Dampf- und Trockenreformierung, die Ther- molyse von Wasser, die Dehydrierung Ethylbenzol zu Styrol, von Propan zu Propen, von Butan zu Buten und/oder von Cyclohexan zu Benzol, die Pyrolyse und das Cracken von Kohlenwasserstoffen, die pyrolytische Acetylenherstellung, die Herstellung von Benzol aus Methan, die Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid, die Herstellung von Blausäure aus Methan und Ammoniak und/oder die Herstellung von Stickstoffmonoxid aus Stickstoff und Sauerstoff handelt.
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