WO2014202314A1 - Anlage und verfahren zur effizienten nutzung von überschüssiger elektrischer energie - Google Patents

Anlage und verfahren zur effizienten nutzung von überschüssiger elektrischer energie Download PDF

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Florian Böss
Raoul Neuhaus
Swen Fritsch
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Definitions

  • the present invention relates to a plant and a method for the efficient use of excess electrical energy, in which the electrical energy is used for the production of hydrogen.
  • the load is known to fluctuate
  • Electricity generation equipment faces the difficulty that certain types, such as wind energy and
  • Hydrogen generation excess electrical energy from negative control energy is used, the amount of hydrogen produced, however, also varies
  • the invention relates to a system for the efficient use of excess electrical energy, comprising: a first device for electrochemical or
  • control device that coordinates the generation of hydrogen in the first device and the second device so that the total amount of the first
  • the invention also relates to a method for the efficient use of excess electrical
  • Apparatus for electrochemical or electrothermal production of hydrogen is operated with excess electrical energy.
  • the plant according to the invention comprises a first device for the electrochemical or electrothermal production of hydrogen, which generates a first stream of hydrogen.
  • the first device may comprise one or more apparatus in which hydrogen is generated. If the first device comprises a plurality of apparatuses for generating hydrogen, these are preferably arranged in parallel and can be operated independently of each other.
  • a device for chlorine-alkali electrolysis or for the separation of water to hydrogen and oxygen is used.
  • a device for chlorine-alkali electrolysis or for the separation of water to hydrogen and oxygen is used.
  • a device for chlorine-alkali electrolysis or for the separation of water to hydrogen and oxygen is used.
  • a device for chlorine-alkali electrolysis or for the separation of water to hydrogen and oxygen is used.
  • Electrolysis preferably comprises several parallel
  • Electrolysis are known to those skilled in the art.
  • the use of a device for the electrolysis of an aqueous solution has the advantage that such
  • the first device is a device for the electrothermal production of ethyne or hydrocyanic acid, in which hydrogen is obtained as coproduct.
  • ethyne In an electrothermal production of ethyne, ethyne becomes hydrocarbons in an endothermic reaction or coal produced and used to carry out the
  • gaseous or vaporized hydrocarbons are used, more preferably
  • aliphatic hydrocarbons particularly suitable are methane, ethane, propane and butanes, especially methane.
  • the device for electrothermic production of ethyne preferably comprises an arc reactor.
  • the electrothermal production of ethyne can be carried out in a one-step process, in which at least one
  • Hydrocarbon is passed through the arc with a gas stream.
  • Arc is fed into the generated in the arc hydrogen plasma.
  • the apparatus for electrothermic production of ethyne comprises a plurality of parallel arc reactors, which can be operated independently.
  • Hydrocarbons used more preferably
  • aliphatic hydrocarbons Particularly suitable Methane, ethane, propane and butanes, especially methane.
  • the nitrogen source used is preferably ammonia.
  • Hydrocarbons are reacted with ammonia or nitrogen.
  • the electrothermal production of hydrocyanic acid can take place in a one-step process, in which an ammonia and at least one hydrocarbon-containing gas mixture is passed through the arc.
  • Hydrocarbon-containing gas mixture which may additionally contain hydrogen, are passed through the arc.
  • Suitable apparatus and methods for one-stage electrothermal production of hydrogen cyanide are known from GB 780,080, US 2,899,275 and US
  • the electrothermal production of hydrocyanic acid can be carried out in a two-stage process in which nitrogen is passed through the arc and at least one hydrocarbon behind the
  • Arc is fed into the plasma generated in the arc.
  • a suitable apparatus and method for a two-stage electrothermal production of hydrocyanic acid are known from US 4,144,444. Also suitable are devices for
  • Ammonia be implemented, as well as devices for
  • the first device is a device for electrothermal
  • Hydrogen particularly preferred is a device for the electrothermal cleavage of hydrocarbons in a plasma according to the so-called Kvaerner method.
  • the system according to the invention also comprises a second device for generating hydrogen from a hydrocarbon by steam reforming, partial oxidation or dehydrogenation, which generates a second hydrogen stream.
  • Hydrocarbon by steam reforming, partial oxidation or dehydrogenation are known to those skilled in the art
  • the second device is a device for steam reforming natural gas.
  • the plant according to the invention also comprises a hydrogen line or a hydrogen consumer, to which both the first and the second hydrogen flow is supplied.
  • the hydrogen line can be, for example, a line with which hydrogen is fed into a pipeline.
  • the first and the second hydrogen stream can the
  • Hydrogen consumers are supplied separately or together, with a common feeding is preferred.
  • the hydrogen consumer is preferably a plant in which hydrogen is consumed for one or more chemical reactions, for example one
  • Hydrodesulfurization of fuel Preferably comprises the hydrogen consumer a plant for a hydrogenation reaction. Particularly preferred is the
  • Hydrogen consumer a plant for the production of ammonia from hydrogen and nitrogen, a plant for the production of hydrogen peroxide from hydrogen and
  • Oxygen a plant for the hydrogenation of an aromatic nitro compound to an aromatic amine, a plant for the hydrogenation of a nitrile to an amine, an apparatus for curing an unsaturated fat or oil, a plant for the hydrogenation of fatty acids to fatty alcohols, a plant for the hydrogenation of benzene to Cyclohexane or a combination of several of these systems.
  • the plant according to the invention also comprises a
  • Control device the production of hydrogen in the first device and the second device so
  • the controller may be in the form of discrete control or programmed
  • control device comprises additional measuring devices for measuring the mass flow or the volume flow of the first and second hydrogen streams.
  • additional measuring devices for measuring the mass flow or the volume flow of the first and second hydrogen streams.
  • Generation of hydrogen corresponds to the predetermined value. In addition, they make it possible to match the generation of hydrogen in the first device and the second device even when removing an additional hydrogen stream from the first device.
  • the system according to the invention preferably additionally comprises a buffer for hydrogen between one of Devices for generating hydrogen and the
  • Hydrogen line or the hydrogen consumer may comprise both a single and a plurality of buffer memory for hydrogen, the first device, the second device or both
  • the system has a buffer memory for
  • the buffer memory (s) are connected to the control device and the control device controls the supply and the removal of hydrogen.
  • a buffer memory are particularly suitable without pressure
  • Plant according to the invention in which, with a change of the hydrogen production in the first device, the change of the hydrogen production in the second device
  • the system according to the invention additionally comprises a device for purifying hydrogen, preferably a device for removing carbon monoxide and particularly preferably a device for purifying hydrogen
  • the device for purifying hydrogen may be supplied with the first hydrogen stream, the second hydrogen stream or both hydrogen streams become. Suitable devices for cleaning
  • the system of the invention may also additionally additionally
  • Hydrogen line or value required to the hydrogen consumer is increased.
  • the inventive method for the efficient use of excess electrical energy is in one
  • Plant according to the invention carried out and the device for the electrochemical or electrothermal production of hydrogen is operated with excess electrical energy.
  • the excess electrical energy can be located next to the system according to the invention
  • Generators come, for example, from a
  • the excess electrical energy is taken from a power grid.
  • the Device for the electrochemical or electrothermal production of hydrogen preferably operated depending on the supply of excess electrical energy.
  • the first device can be either switched on or off, for example, depending on the current price of electricity on a power exchange.
  • the first Device are also operated with variable load so that their power consumption corresponds to a current surplus of electrical energy.
  • Hydrogen comprises and the control device is operated so that when changing the generation of hydrogen in the first device depending on the supply of excess electrical energy, the
  • the buffer memory can optionally be connected downstream of the first device or the second device. Likewise, both devices can be followed by a buffer memory. In this embodiment, the generation of hydrogen in the first apparatus can be changed more rapidly depending on the supply of excess electric power, and it is possible to overcome limitations in the speed of load changes
  • the first apparatus for the electrochemical or electrothermal production of hydrogen may be used in addition to the first
  • Hydrogen streams are removed and fed to another device, such as a device for refueling vehicles with hydrogen drive. These additional hydrogen streams do not contribute to the total amount of first hydrogen stream and second hydrogen stream.
  • the second device is a device for steam reforming of natural gas, which is connected to a natural gas line.
  • Gas pipeline is at another location one
  • Both devices for steam reforming are controlled by a common control device so that when changing the generation of hydrogen in the device of the system according to the invention, the generation of hydrogen in the additional device for
  • Hydrogen is operated depending on the supply of excess electrical energy, this can
  • Plant according to the invention is generated and the flow takes place in the gas pipeline mainly from the location of the additional device for steam reforming of natural gas in the direction of the system according to the invention, are characterized by this
  • Hydrocarbons is substantially greater than the amount of hydrocarbons, which could be prepared according to the prior art from the hydrogen generated with excess electrical energy by reacting with CO 2 or CO to methane or higher hydrocarbons.

Abstract

In einer Anlage, umfassend eine erste Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff, die einen ersten Wasserstoffström erzeugt; eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff durch Dampfreformieren, Partialoxidation oder Dehydrieren, die einen zweiten Wasserstoffström erzeugt; eine Wasserstoffleitung oder einen WasserstoffVerbraucher, der bzw. dem sowohl der erste als auch der zweite Wasserstoffström zugeführt wird; sowie eine Steuervorrichtung, die die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so aufeinander abstimmt, dass die Gesamtmenge aus erstem Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström einem vorgegebenen Wert entspricht, lässt sich überschüssige elektrische Energie effizient nutzen, indem die Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird.

Description

Anlage und Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie, bei denen die elektrische Energie zur Herstellung von Wasserstoff genutzt wird.
Der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Windenergie und Solarenergie, gewinnt eine immer größere Bedeutung zur Stromerzeugung. Elektrische Energie wird typischerweise über langreichweitige, überregionale und länderübergreifend gekoppelte Stromversorgungsnetze, kurz als Stromnetze bezeichnet, an eine Vielzahl von Verbrauchern geliefert. Da elektrische Energie im Stromnetz selbst nicht in
signifikantem Umfang speicherbar ist, muss die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung auf den
verbraucherseitigen Leistungsbedarf, die sogenannte Last, abgestimmt werden. Die Last schwankt bekanntermaßen
zeitabhängig, insbesondere je nach Tageszeit, Wochentag oder auch Jahreszeit. Für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung ist ein kontinuierlicher Gleichlauf von Stromerzeugung und Stromabnahme notwendig. Eventuell auftretende kurzfristige Abweichungen werden durch
sogenannte positive oder negative Regelenergie bzw.
Regelleistung ausgeglichen. Bei regenerativen
Stromerzeugungseinrichtungen tritt die Schwierigkeit auf, dass bei bestimmten Typen, wie Windenergie und
Solarenergie, die Energieerzeugungsleistung nicht zu jedem Zeitpunkt vorhanden und in bestimmter Weise steuerbar ist, sondern tageszeitlichen und witterungsbedingten
Schwankungen unterliegt, die nur bedingt vorhersagbar sind und in der Regel nicht mit dem jeweils aktuellen
Energiebedarf übereinstimmen.
Die Differenz zwischen der Erzeugungsleistung aus
fluktuierenden erneuerbaren Energien und dem aktuellen Verbrauch wird üblicherweise durch andere Kraftwerke bereitgestellt, wie beispielsweise Gas-, Kohle- und
Kernkraftwerke. Mit zunehmendem Ausbau und Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien an der Stromversorgung müssen immer größere Schwankungen zwischen deren Leistung und dem aktuellen Verbrauch ausgeglichen werden. So werden bereits heute neben Gaskraftwerken zunehmend auch
Steinkohlekraftwerke in Teillast gefahren oder ganz heruntergefahren, um die Schwankungen auszugleichen. Da diese variable Fahrweise der Kraftwerke mit beträchtlichen Zusatzkosten verbunden ist, wird seit geraumer Zeit die Entwicklung alternativer Maßnahmen untersucht.
Ein Ansatz ist es, bei einem Überschuss an elektrischer Energie alternativ oder ergänzend zur Veränderung der
Leistung eines Kraftwerks überschüssige elektrische Energie zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen, beispielsweise durch elektrolytische Spaltung von Wasser. Wenn zur
Wasserstofferzeugung überschüssige elektrische Energie aus negativer Regelenergie eingesetzt wird, schwankt die erzeugte Wasserstoffmenge allerdings ebenfalls und
entspricht in der Regel nicht einem aktuellen Bedarf an Wasserstoff. Eine Lagerung von Wasserstoff zum Ausgleich zwischen der schwankenden Erzeugungsrate und dem Bedarf ist technisch aufwendig und mit Sicherheitsrisiken verbunden und eine Lagerung von Wasserstoff in verflüssigter oder komprimierter Form ist energieintensiv.
Als Alternative zu einer Lagerung von Wasserstoff wurde vorgeschlagen, den Wasserstoff mit CO2 oder CO zu Methanol, Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen umzusetzen und so in eine besser lagerfähige Form zu überführen. Diese
Alternative hat jedoch den Nachteil, dass zusätzliche
Anlagen für die Umsetzung des Wasserstoffs mit CO2 oder CO und die Bereitstellung von CO2 bzw. CO erforderlich sind und diese Umsetzungen zusätzlich Energie verbrauchen. Es besteht deshalb weiterhin ein Bedarf für Anlagen und Verfahren, mit denen sich überschüssige elektrische Energie über die Herstellung von Wasserstoff nutzen lässt und die nicht die oben beschriebenen Nachteile der bekannten
Verfahren aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie, umfassend: eine erste Vorrichtung zur elektrochemischen oder
elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff, die einen ersten Wasserstoffström erzeugt;
eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff durch Dampfreformieren,
Partialoxidation oder Dehydrieren, die einen zweiten
Wasserstoffström erzeugt;
eine Wasserstoffleitung oder einen WasserstoffVerbraucher, der bzw. dem sowohl der erste als auch der zweite
Wasserstoffström zugeführt wird; und
eine Steuervorrichtung, die die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so aufeinander abstimmt, dass die Gesamtmenge aus erstem
Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström einem
vorgegebenen Wert entspricht.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer
Energie, bei dem in einer erfindungsgemäßen Anlage die
Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine erste Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff, die einen ersten Wasserstoffström erzeugt. Die erste Vorrichtung kann dabei einen oder mehrere Apparate umfassen, in denen Wasserstoff erzeugt wird. Wenn die erste Vorrichtung mehrere Apparate zur Erzeugung von Wasserstoff umfasst, sind diese vorzugsweise parallel angeordnet und können unabhängig voneinander betrieben werden. Die
Verwendung von mehreren parallel angeordneten Apparaten ermöglicht durch An- und Abschalten einzelner Apparate eine stufenweise Veränderung der Erzeugung von Wasserstoff bei Einhaltung der optimalen Betriebsbedingungen in den
einzelnen Apparaten und vermeidet Wirkungsgradverluste durch einen Teilastbetrieb.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste
Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrochemischen
Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse einer wässrigen Lösung. Bevorzugt wird eine Vorrichtung zur Chlor-Alkali- Elektrolyse oder zur Spaltung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt. Besonders bevorzugt ist eine
Vorrichtung zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung zu
Wasserstoff und Sauerstoff. Die Vorrichtung zur
elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff durch
Elektrolyse umfasst vorzugsweise mehrere parallel
angeordnete Elektrolysezellen, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Geeignete Vorrichtungen zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff durch
Elektrolyse sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Die Verwendung einer Vorrichtung zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung hat den Vorteil, dass solche
Vorrichtungen schnell in Betrieb genommen und abgeschaltet werden können und die Erzeugungsleistung von Wasserstoff schnell verändert werden kann. Außerdem ist der Aufwand, eine solche Vorrichtung für eine schnelle Inbetriebnahme bereit zu halten, geringer als bei Vorrichtungen zur elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin oder Blausäure, in der Wasserstoff als Koppelprodukt erhalten wird.
Bei einer elektrothermischen Herstellung von Ethin wird Ethin in einer endothermen Reaktion aus Kohlenwasserstoffen oder Kohle hergestellt und die zur Durchführung der
Reaktion erforderliche Wärme wird durch elektrischen Strom erzeugt. Vorzugsweise werden gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoffe eingesetzt, besonders bevorzugt
aliphatische Kohlenwasserstoffe. Besonders geeignet sind Methan, Ethan, Propan und Butane, insbesondere Methan.
Geeignete Vorrichtungen zur elektrothermischen Herstellung von Ethin sind aus dem Stand der Technik bekannt,
beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Band 1, 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, DOI : 10.1002/14356007. a01_097.pub4, Seiten 296 bis 303, aus DE 1 900 644 AI und aus EP 0 133 982 A2.
Die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin umfasst vorzugsweise einen Lichtbogenreaktor. Die elektrothermische Herstellung von Ethin kann dabei in einem einstufigen Prozess erfolgen, bei dem mindestens ein
Kohlenwasserstoff mit einem Gasstrom durch den Lichtbogen geführt wird. Alternativ kann die elektrothermische
Herstellung von Ethin in einem zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem Wasserstoff durch den Lichtbogen geführt wird und mindestens ein Kohlenwasserstoff hinter dem
Lichtbogen in das im Lichtbogen erzeugte Wasserstoffplasma eingespeist wird. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mehrere parallel angeordnete Lichtbogenreaktoren, die unabhängig voneinander betrieben werden können.
Bei einer elektrothermischen Herstellung von Blausäure wird Blausäure in einer endothermen Reaktion aus
Kohlenwasserstoffen oder Kohle und einer Stickstoffquelle hergestellt und die zur Durchführung der Reaktion
erforderliche Wärme durch elektrischen Strom erzeugt.
Vorzugsweise werden gasförmige oder verdampfte
Kohlenwasserstoffe eingesetzt, besonders bevorzugt
aliphatische Kohlenwasserstoffe. Besonders geeignet sind Methan, Ethan, Propan und Butane, insbesondere Methan. Als Stickstoffquelle wird vorzugsweise Ammoniak eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von
Blausäure einen Lichtbogenreaktor, in dem
Kohlenwasserstoffe mit Ammoniak oder Stickstoff umgesetzt werden. Die elektrothermische Herstellung von Blausäure kann dabei in einem einstufigen Prozess erfolgen, bei dem eine Ammoniak und mindestens einen Kohlenwasserstoff enthaltende Gasmischung durch den Lichtbogen geführt wird. Alternativ kann auch eine Stickstoff und einen
Kohlenwasserstoff enthaltende Gasmischung, die zusätzlich Wasserstoff enthalten kann, durch den Lichtbogen geführt werden. Geeignete Vorrichtungen und Verfahren für eine einstufige elektrothermische Herstellung von Blausäure im Lichtbogen sind aus GB 780,080, US 2,899,275 und US
2,997,434 bekannt. Alternativ kann die elektrothermische Herstellung von Blausäure in einem zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem Stickstoff durch den Lichtbogen geführt wird und mindestens ein Kohlenwasserstoff hinter dem
Lichtbogen in das im Lichtbogen erzeugte Plasma eingespeist wird. Eine geeignete Vorrichtung und ein Verfahren für eine zweistufige elektrothermische Herstellung von Blausäure sind aus US 4,144,444 bekannt. Ebenfalls geeignet sind Vorrichtungen zur
elektrothermischen Herstellung von Blausäure in einer elektrisch beheizten Kokswirbelschicht nach dem sogenannten Shawinigan-Verfahren, in der Kohlenwasserstoffe mit
Ammoniak umgesetzt werden, sowie Vorrichtungen zur
elektrothermischen Herstellung von Blausäure in einem elektrisch beheizten Reaktor für das BMA-Verfahren, in dem in Abwesenheit von Sauerstoff Kohlenwasserstoffe mit
Ammoniak in Gegenwart eines platinhaltigen Katalysators umgesetzt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrothermischen
Spaltung von Kohlenwasserstoffen in Kohlenstoff und
Wasserstoff. Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung zur elektrothermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma nach dem sogenannten Kvaerner-Verfahren .
Geeignete Vorrichtungen für eine solche elektrothermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen sind dem Fachmann aus GB 1 400 266, DD 292 920 und WO 93/20153 bekannt. Neben der ersten Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff umfasst die erfindungsgemäße Anlage auch eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff durch Dampfreformieren, Partialoxidation oder Dehydrieren, die einen zweiten Wasserstoffström erzeugt. Geeignete
Vorrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem
Kohlenwasserstoff durch Dampfreformieren, Partialoxidation oder Dehydrieren sind dem Fachmann aus dem Stand der
Technik bekannt. Vorzugsweise ist die zweite Vorrichtung eine Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas.
Zusätzlich zu der ersten und der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, in denen ein erster und ein zweiter Wasserstoffström erzeugt werden, umfasst die erfindungsgemäße Anlage noch eine Wasserstoffleitung oder einen WasserstoffVerbraucher, der bzw. dem sowohl der erste als auch der zweite Wasserstoffström zugeführt wird. Die Wasserstoffleitung kann beispielsweise eine Leitung sein, mit der Wasserstoff in eine Pipeline eingespeist wird.
Der erste und der zweite Wasserstoffström können dem
WasserstoffVerbraucher getrennt oder gemeinsam zugeführt werden, wobei ein gemeinsames Zuführen bevorzugt ist. Der WasserstoffVerbraucher ist vorzugsweise eine Anlage, in der Wasserstoff für eine oder mehrere chemische Reaktionen verbraucht wird, beispielsweise für eine
Hydrodesulfurierung von Kraftstoff. Vorzugsweise umfasst der Wasserstoff erbraucher eine Anlage für eine Hydrierreaktion. Besonders bevorzugt ist der
WasserstoffVerbraucher eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff, eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und
Sauerstoff, eine Anlage zur Hydrierung einer aromatischen Nitroverbindung zu einem aromatischen Amin, eine Anlage zur Hydrierung eines Nitrils zu einem Amin, eine Anlage zur Härtung eines ungesättigten Fetts oder Öls, eine Anlage zur Hydrierung von Fettsäuren zu Fettalkoholen, eine Anlage zur Hydrierung von Benzol zu Cyclohexan oder eine Kombination von mehreren dieser Anlagen.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst außerdem eine
Steuervorrichtung, die die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so
aufeinander abstimmt, dass die Gesamtmenge aus erstem
Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström einem
vorgegebenen Wert entspricht. Die Steuervorrichtung kann als diskrete Steuerung oder als programmiertes
Prozessleitsystem ausgeführt sein.
Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung zusätzliche Messvorrichtungen zur Messung des Massenstroms oder des Volumenstroms des ersten und des zweiten WasserstoffStroms . Durch entsprechende Messvorrichtungen und eine Steuerung in Abhängigkeit vom Messergebnis kann gewährleistet werden, dass die Gesamtmenge aus erstem Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström auch bei Änderungen des
Wirkungsgrads der ersten bzw. zweiten Vorrichtung zur
Erzeugung von Wasserstoff dem vorgegebenen Wert entspricht. Außerdem ermöglichen sie es, auch bei Entnahme eines zusätzlichen WasserstoffStroms aus der ersten Vorrichtung die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung aufeinander abzustimmen.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst vorzugsweise zusätzlich einen Pufferspeicher für Wasserstoff zwischen einer der Vorrichtungen zur Erzeugung von Wasserstoff und der
Wasserstoffleitung oder dem WasserstoffVerbraucher . Die Anlage kann dabei sowohl einen einzelnen als auch mehrere Pufferspeicher für Wasserstoff umfassen, die der ersten Vorrichtung, der zweiten Vorrichtung oder beiden
Vorrichtungen nachgeschaltet sein können. Besonders bevorzugt weist die Anlage einen Pufferspeicher für
Wasserstoff zwischen der ersten Vorrichtung zur
elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff und der Wasserstoffleitung oder dem
WasserstoffVerbraucher auf. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind der bzw. die Pufferspeicher mit der Steuervorrichtung verbunden und die Steuervorrichtung steuert die Einspeisung und die Entnahme von Wasserstoff. Als Pufferspeicher eignen sich insbesondere drucklose
Gasometer, Druckbehälter, Adsorptionsspeicher, in denen Wasserstoff an einem Feststoff adsorbiert wird, und
chemische Speicher, in denen Wasserstoff durch eine
reversible chemische Reaktion gespeichert wird. Ein
Pufferspeicher ermöglicht einen Betrieb der
erfindungsgemäßen Anlage, bei dem bei einer Änderung der Wasserstofferzeugung in der ersten Vorrichtung die Änderung der Wasserstofferzeugung in der zweiten Vorrichtung
zeitlich versetzt oder unterschiedlich schnell erfolgt und eine so verursachte größere oder kleinere Gesamterzeugung von Wasserstoff durch eine Einspeisung von Wasserstoff in den Pufferspeicher oder eine Entnahme von Wasserstoff aus dem Pufferspeicher ausgeglichen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage zusätzlich eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasserstoff, vorzugsweise eine Vorrichtung zum Entfernen von Kohlenmonoxid und besonders bevorzugt eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasserstoff durch
Druckwechseladsorption. Der Vorrichtung zur Reinigung von Wasserstoff können der erste Wasserstoffström, der zweite Wasserstoffström oder beide Wasserstoffströme zugeführt werden. Geeignete Vorrichtungen zur Reinigung von
Wasserstoff sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt .
Die erfindungsgemäße Anlage kann außerdem zusätzlich
WasserstoffVerdichter umfassen, mit denen der Druck des ersten WasserstoffStroms und/oder des zweiten
WasserstoffStroms auf einen für das Zuführen in die
Wasserstoffleitung oder zu dem WasserstoffVerbraucher erforderlichen Wert erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie wird in einer
erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt und die Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff wird mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben. Die überschüssige elektrische Energie kann von einem neben der erfindungsgemäßen Anlage befindlichen
Stromerzeuger stammen, beispielsweise von einem
benachbarten Kraftwerk, einem benachbarten Windgenerator oder einer benachbarten Photovoltaikanlage . Vorzugsweise wird die überschüssige elektrische Energie einem Stromnetz entnommen. Besonders bevorzugt wird überschüssige
elektrische Energie einem Stromnetz als negative
Regelenergie entnommen, um einen Überschuss der
Stromeinspeisung in das Netz gegenüber der aktuellen
Stromentnahme auszugleichen. Für das erfindungsgemäße
Verfahren wird vorzugsweise überschüssige elektrische
Energie eingesetzt, die aus Windenergie oder Solarenergie erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste
Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff vorzugsweise in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie betrieben. Die erste Vorrichtung kann dazu wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden, beispielsweise abhängig vom aktuellen Strompreis an einer Strombörse. Alternativ kann die erste Vorrichtung auch mit variabler Last so betrieben werden, dass ihr Stromverbrauch einem aktuellen Überschuss an elektrischer Energie entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das
erfindungsgemäße Verfahren in einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt, die einen Pufferspeicher für
Wasserstoff umfasst und die Steuervorrichtung wird so betrieben, dass bei einer Änderung der Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie die
Erzeugung von Wasserstoff in der zweiten Vorrichtung langsamer geändert wird als die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und die dadurch bewirkte vorübergehend größere oder kleinere Gesamterzeugung von Wasserstoff durch eine Einspeisung von Wasserstoff in den Pufferspeicher oder eine Entnahme von Wasserstoff aus dem Pufferspeicher ausgeglichen wird. Der Pufferspeicher kann dabei wahlweise der ersten Vorrichtung oder der zweiten Vorrichtung nachgeschaltet sein. Ebenso kann auch beiden Vorrichtungen ein Pufferspeicher nachgeschaltet sein. Bei dieser Ausführungsform kann die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung schneller in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie verändert werden und es lassen sich Beschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeit von Lastveränderungen überwinden, die
Vorrichtungen zum Dampfreformieren, zur Partialoxidation oder zum Dehydrieren von Kohlenwasserstoffen
verfahrensbedingt aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können der ersten Vorrichtung zur elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff zusätzlich zu dem ersten
Wasserstoffström noch ein oder mehrere weitere
Wasserstoffströme entnommen und einer anderen Vorrichtung zugeführt werden, beispielsweise einer Vorrichtung zum Betanken von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb . Diese zusätzlichen Wasserstoffströme tragen nicht zur Gesamtmenge aus erstem Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström bei .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer erfindungsgemäßen
Anlage durchgeführt, bei der die zweite Vorrichtung eine Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas ist, die an eine Erdgasleitung angeschlossen ist. An diese
Erdgasleitung ist an einem anderen Standort eine
zusätzliche Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas angeschlossen. Beide Vorrichtungen zum Dampfreformieren werden über eine gemeinsame Steuervorrichtung so gesteuert, dass bei einer Änderung der Erzeugung von Wasserstoff in der Vorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage die Erzeugung von Wasserstoff in der zusätzlichen Vorrichtung zum
Dampfreformieren in umgekehrter Richtung verändert wird. Mit dieser Ausführungsform kann der Gesamtverbrauch an Erdgas gleichmäßig gehalten werden. Wenn die erste
Vorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage zur
elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von
Wasserstoff in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird, kann bei dieser
Ausführungsform des Verfahrens die abhängig vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie erfolgende zeitlich variable Erzeugung von Wasserstoff an einem anderen
Standort erfolgen, als die Erzeugung der elektrischen
Energie, ohne dass dazu eine Stromleitung zur Übertragung von elektrischer Energie erforderlich wird. Wenn die überschüssige elektrische Energie in der Nähe der
erfindungsgemäßen Anlage erzeugt wird und die Strömung in der Erdgasleitung überwiegend vom Standort der zusätzlichen Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas in Richtung der erfindungsgemäßen Anlage erfolgt, werden durch diese
Ausführungsform außerdem die Übertragungsverluste zwischen dem Ort der Erzeugung der überschüssigen elektrischen
Energie und dem Ort der Bereitstellung von Wasserstoff in Abhängigkeit des Angebots an überschüssiger elektrischer Energie verringert.
Die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße
Verfahren ermöglichen eine effiziente Nutzung von
überschüssiger elektrischer Energie in Form von
Wasserstoff, bei der einerseits die Menge an überschüssiger elektrischer Energie schnell und in weiten Grenzen
variieren kann und andererseits der Wasserstoff für
Anwendungen genutzt werden kann, die einen zeitlich
weitgehend konstanten Wasserstoffbedarf haben, ohne dass dazu große Speicherkapazitäten für Wasserstoff erforderlich werden. Durch die Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie wird in der erfindungsgemäßen Anlage und dem erfindungsgemäßen Verfahren der Bedarf an
Kohlenwasserstoffen für die Erzeugung von Wasserstoff verringert, wobei die eingesparte Menge an
Kohlenwasserstoffen wesentlich größer ist, als die Menge an Kohlenwasserstoffen, die sich entsprechend dem Stand der Technik aus dem mit überschüssiger elektrischer Energie erzeugten Wasserstoff durch eine Umsetzung mit CO2 oder CO zu Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen herstellen ließe .

Claims

Patentansprüche :
1. Anlage zur effizienten Nutzung von überschüssiger
elektrischer Energie, umfassend a) eine erste Vorrichtung zur elektrochemischen oder
elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff, die einen ersten Wasserstoffström erzeugt, b) eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff durch Dampfreformieren, Partialoxidation oder Dehydrieren, die einen zweiten Wasserstoffström erzeugt, c) eine Wasserstoffleitung oder einen
WasserstoffVerbraucher, der bzw. dem sowohl der erste als auch der zweite Wasserstoffström zugeführt wird und d) eine Steuervorrichtung, die die Erzeugung von
Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so aufeinander abstimmt, dass die
Gesamtmenge aus erstem Wasserstoffström und zweitem Wasserstoffström einem vorgegebenen Wert entspricht.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung eine Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur
Elektrolyse einer wässrigen Lösung zu Wasserstoff und
Sauerstoff ist.
4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur Chlor- Alkali-Elektrolyse ist.
5. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin oder Blausäure ist, in der Wasserstoff als Koppelprodukt erhalten wird.
6. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung eine Vorrichtung zur
elektrothermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in Kohlenstoff und Wasserstoff ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass sie als WasserstoffVerbraucher eine Anlage für eine Hydrierreaktion umfasst.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass sie einen Pufferspeicher für
Wasserstoff zwischen einer der Vorrichtungen zur
Erzeugung von Wasserstoff und der Wasserstoffleitung oder dem WasserstoffVerbraucher umfasst.
9. Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger
elektrischer Energie, bei dem in einer Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8 die Vorrichtung zur
elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die überschüssige elektrische Energie einem
Stromnetz entnommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die überschüssige elektrische
Energie aus Windenergie oder Solarenergie erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung zur
elektrochemischen oder elektrothermischen Erzeugung von Wasserstoff in Abhängigkeit vom Angebot an
überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anlage nach Anspruch 8 bei einer Änderung der Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger
elektrischer Energie die Erzeugung von Wasserstoff in der zweiten Vorrichtung langsamer geändert wird als die Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Vorrichtung und die dadurch bewirkte vorübergehend größere oder kleinere Gesamterzeugung von Wasserstoff durch eine Einspeisung von Wasserstoff in den Pufferspeicher oder eine Entnahme von Wasserstoff aus dem Pufferspeicher ausgeglichen wird .
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass es in einer erfindungsgemäßen
Anlage durchgeführt wird, bei der die zweite Vorrichtung eine Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas ist, die an eine Erdgasleitung angeschlossen ist, an die Erdgasleitung an einem anderen Standort eine zusätzliche Vorrichtung zum Dampfreformieren von Erdgas
angeschlossen ist und beide Vorrichtungen zum
Dampfreformieren über eine gemeinsame Steuervorrichtung so gesteuert werden, dass bei einer Änderung der
Erzeugung von Wasserstoff in der Vorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage die Erzeugung von Wasserstoff in der zusätzlichen Vorrichtung zum Dampfreformieren in umgekehrter Richtung verändert wird.
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