WO2015017875A1 - Verfahren und system zum speichern von energie - Google Patents

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WO2015017875A1 PCT/AT2014/050160 AT2014050160W WO2015017875A1 WO 2015017875 A1 WO2015017875 A1 WO 2015017875A1 AT 2014050160 W AT2014050160 W AT 2014050160W WO 2015017875 A1 WO2015017875 A1 WO 2015017875A1
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Michael Harasek
Aleksander MAKARUK
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Technische Universität Wien
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    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for storing energy.
  • WO 2009/019159 A1 disclose methods and associated systems in which, in each case, a carbon-containing gas with H 2 , which is produced by water electrolysis by means of excess flow (US Pat. eg from wind power or photovoltaic systems) was converted (ie hydrogenated) to CH 4 or other combustible hydrocarbons (eg by Fischer-Tropsch synthesis). By combustion of these hydrocarbons in turn electricity is generated ("power generation"). The combustion products can be recycled and reused for hydrocarbon synthesis. The carbon contained in the process is thus (at least partially) recycled.
  • a carbon-containing gas with H 2 which is produced by water electrolysis by means of excess flow (US Pat. eg from wind power or photovoltaic systems) was converted (ie hydrogenated) to CH 4 or other combustible hydrocarbons (eg by Fischer-Tropsch synthesis).
  • electricity is generated
  • the combustion products can be recycled and reused for hydrocarbon synthesis.
  • the carbon contained in the process is thus (at least partially) recycled.
  • biogas or flue gases can be used as CO2 source - be it entirely or only the CO2 contained therein after separation from the other components of the gas mixtures.
  • the resulting flue gas in the production of electricity from hydrocarbons can be separated, ie CO2 separated from it and recycled to hydrocarbon synthesis.
  • methanation is used synonymously for all such hydrocarbon syntheses using CO and / or CO2 and H 2 , although not (only) methane but (also) higher hydrocarbons be witnesses.
  • methane and CH 4 are usually synonymous with “hydrocarbon” used and thus also includes higher combustible hydrocarbons such as ethane, propane, etc.
  • CO2 and carbon dioxide also CO or Understand mixtures of CO2 and CO, unless specifically carbon monoxide or mixtures thereof with carbon dioxide are mentioned or the context mandatorily required, as will be apparent to those skilled in the art.
  • biomass ie predominantly CH 4 and CO2-containing gas mixtures
  • solid or liquid starting materials eg biomass, Wood, coal
  • H 2 , CO2 and / or CH 4 gas mixtures containing mainly CO and as minor components, depending on the gasification conditions, sometimes H 2 , CO2 and / or CH 4 and small amounts of water vapor or other gases.
  • H 2 S is a component
  • the gas mixture can be subjected to desulfurization, since sulfur represents a catalyst poison for the mostly used nickel catalysts in the methanation.
  • the prior art offers the optional separation of CO2 from biogas or flue gases to it then essentially free of polluting gases to supply the methanation, only a partial solution to this problem. Since the methanation reaction, ie the hydrogenation of CO2 with H 2 to hydrocarbons, proceeds incompletely, at least one starting component, ie CO 2 and / or H 2 , is inevitably contained in the product gas, and as a rule even both.
  • This object is achieved in a first aspect of the present invention by providing a method for storing energy in which electric current is used in a known manner to produce H 2 by water electrolysis, further producing CO 2 , from the generated H 2 and CO 2 Methanation CH 4 is produced; and
  • the CO2 is produced in a biogas plant for the production of biogas comprising CO2 and CH 4 by fermentation of biomass or by gasification; b) separating the gases contained in the produced biogas CO2 and CH 4 by means of a membrane separation system using one or more selective gas separation membranes in a CH 4 rich gas stream and a gas stream rich in CO 2 , wherein
  • the gas stream rich in CH 4 is stored, emitted and / or fed into a natural gas network, and
  • the CO2-rich gas stream is fed to the methanation and mixed and reacted with the H 2 produced by electrolysis of water to obtain a product gas comprising CH 4 , CO 2 and H 2 ; c) separating at least a portion of the product gas of the methanation in a membrane separation system to selectively separate CO2 and H 2 from CH 4 ; and
  • both the separation of the biogas and the separation of the product gas of the methanation are carried out simultaneously or alternately in the same membrane separation system using gas separation membranes which are capable of selective separation of CO2 and H 2 from CH 4 .
  • the CO 2 is separated from biogas by the method according to the present invention in order to be able to use it as a carbon source in the methanation, but there is also a separation of CO 2 and H 2 from the product gas of the methanation.
  • the membrane separation system is provided in the course of the process before or after the methanation, since in both cases a gas stream rich in CH 4 is obtained, the purity of which depends above all on the quality of the separation system.
  • the membrane separation is carried out before the methanation, the majority of originating from the biogas plant CH 4 does not come to methanation, but is separated before that, which allows a correspondingly smaller dimensions of the later parts of the system. If, on the other hand, the gas separation step takes place only after the methanization step, the proportion of contaminating gases in the mainly to-be-obtained CH 4 is significantly lower, in particular the proportion of CO 2 , which makes it easier to obtain as pure methane as possible in order to exude this and / or or to be fed into natural gas networks.
  • the membrane-tensioning system can either be fed alternately or simultaneously with biogas or product gas, which always means that of the methanation reaction, ie the product gas from step b).
  • the system parameters such as operating pressure, membrane areas and interconnection of the membrane stages, can be easily changed to achieve the desired degree of purity of the separated CH 4 .
  • simultaneous feed with biogas and product gas ie mixing of the two streams in or in front of the membrane separation system, higher throughputs can be achieved.
  • the product gas of the methanation in the membrane separation step is separated into a C0 2 and H 2 -rich gas stream and a CH 4 -rich gas stream, the C0 2 and H 2 -rich gas stream, optionally after intermediate storage, again Methanation is supplied and the CH 4 rich gas stream stored flows and / or fed into a natural gas network.
  • the membrane separation system H 2 and CO 2 together from CH 4 which only membranes are required, the selectivity for the other two gases with respect to CH 4 have. This reduces the installation and operating costs of the plant.
  • the methanation product gas in the membrane separation step may be separated into a CO 2 -rich gas stream, a H 2 -rich gas stream and a CH 4 -rich gas stream, for which either two types of membranes are required, each of which selects one of the two gases , H 2 and CO 2 , compared to the other two gases in the mixture, or several stages of the same type of membranes are used and in the individual stages each a different gas is selectively separated from the CH 4 .
  • Selectivity is generally understood to mean the quotient of the permeabilities of membranes for different gases. For example, a selectivity of 10 for H 2 with respect to CH 4 means that hydrogen passes through a membrane labeled 10 times faster than methane.
  • membranes are used with high selectivity for several gases in relation to CH 4 , for which, for example, polymer film, metal or ceramic membranes are suitable.
  • dense polymer layers are typically much more permeable to H 2 and CO 2 than to CH 4 and have, for example, selectivities with respect to H 2 / CH 4 of 60 and with respect to C0 2 CH 4 of 20.
  • more resistant ceramic membranes can also be used in this regard.
  • plastic membranes are preferred in the present invention, for example commercially available polyimide membranes.
  • the membrane separation step is preferably carried out only after the methanation step.
  • H 2 and CO 2 as well as H 2 O (if present in relevant amounts), can be obtained in separate streams, providing additional options for their use.
  • a part of the hydrogen can also be used as fuel gas instead of for the methanation - alone or, if necessary, even after backmixing with the purified methane (eg in the form of hydrogen).
  • H 2 O may be used in a first stage in a first stage, especially in the case of a serial connection in a second step H 2 and finally CO 2 to obtain purified CH 4 as a third stage retentate.
  • the separated amount of the respective component of the gas mixture depends, inter alia, on the membrane areas and the pressure conditions. It is understood that in all cases, the number of membranes is not particularly limited, so that in each separation stage and several membranes of the same type can be connected in series or in parallel. Preferably, the smallest possible number is selected, which is sufficient to ensure the desired purity levels of the separate gas streams, in particular of methane.
  • the raw biogas may also be desulfurized or otherwise pre-treated before being fed to the membrane separation system to remove potential catalyst poisons, water, particulates, etc.
  • the electric current used for water electrolysis preferably, although not necessarily, from plants for generating renewable energy from wind power or solar energy, since here particularly strong fluctuations in the power generation occur, which can be at least partially offset by the method of the invention.
  • the origin of the stream is not limited to this. This can rather come from any (external) power sources.
  • electrical current however, mainly CO2
  • stored which is preferably supplied to the methanation, as soon as enough electricity and thus sufficient hydrogen from the water electrolysis are available.
  • the invention provides an energy storage system with which the method defined above can be carried out and which comprises, in a manner known per se, the following:
  • At least one hydrogen production plant for the production of H 2 by electrolysis of water
  • At least one methanation plant for the production of CH 4 from CO2 using the generated H 2 ;
  • Means for conducting electrical power and corresponding gas flows from one system to another or to and from the gas storage or for introduction into a natural gas network.
  • the plant for the production of CO2 is a plant for the production of CO 2 and CH 4 comprehensive biogas by fermentation of biomass or gasification; b) the plant for the generation of CO2 a membrane separation system is connected downstream, which includes one or more gas separation membranes, which are capable of selective separation of CO2 and H2 from the generated CH 4 in a position;
  • the membrane separation system can be fed both with biogas from the plant for the production of CO2 and with product gas from the methanation plant - and this in turn alternately or simultaneously, which the person skilled in the art can achieve by means of appropriate piping, valve technology, etc.
  • the person skilled in the art on the basis of his general knowledge, is aware of how to connect and operate the individual systems and other components of such an energy storage system according to the invention by means of appropriate lines, valves, flow dividers, compressors, pumps, etc., previously referred to as "means" are. This is also standard in the field of plant design as well as the determination of the type and number of gas storage tanks to be provided at which position in the overall system, in order to allow optimum operation depending on the given boundary conditions.
  • the advantages of the energy storage system according to the invention lie in the fact that only one membrane separation system for purification, ie separation, of two process streams is required and that CH 4 with the desired purity is always obtained at the same position in the system , Again, the position of the membrane separation system - between biogas plant and methanation plant or only after the latter - is not critical, as long as it is ensured by appropriate wiring and interconnection that both the biogas and the product gas of methanation can be purified in the same membrane separation system. If, in addition to CO2 and H 2 , H 2 O is also to be separated at the same time, a downstream connection of the membrane separation system to the methanization plant is currently preferred.
  • the power source is not particularly limited and may be both an integral part of the energy storage system and an external power source. In both cases, it is preferably a wind or solar power plant with corresponding fluctuations of the power generation, which are at least partially compensated by the energy storage system.
  • the system for generating CO2 is again preferably followed by a device for desulfurization or other gas pretreatment to remove catalyst poisons.
  • the membrane separation system can be a single membrane separation stage for the simultaneous separation of CO2 and H 2 from CH 4 or two or more membrane separation stages for sequential separation of CO2 and H 2 , and preferably also H 2 O, of CH 4 - with the same advantages as mentioned above.
  • FIGS 1 to 3 are schematic representations of preferred embodiments of the method and apparatus of the invention.
  • a relatively simple embodiment of the invention is shown as a flow chart.
  • Links on top of a power source 1 is located, which as previously mentioned, may be part of the energy storage system as well as an external power source. In both cases, it is preferably a wind or solar power plant with correspondingly fluctuating power generation, which is at least partially compensated by means of the energy storage system of the invention.
  • a hydrogen production plant 2 for the production of H 2 by electrolysis of water, that is, the electrical energy is converted to 2 in chemical energy in the form of H 2 .
  • Reference numeral 3 further denotes a plant for the production of CO2, which according to the present invention is preferably a biogas plant in which by fermentation of biomass or by gasification, a mixture of CO2 and CH 4 is generated. In the embodiment shown in FIG. 1, this is preferably fed to and compressed by a compressor 6.
  • the reference numeral 6 of the compressor may be interpreted as being representative of all conduits, valves, compressors, pumps, and the like, which are generally subsumed as "means for routing" (or for recycling or the like) in the schematic representations of the drawings , eg Gas or power lines.
  • gas lines are shown as arrows, the power line between the power source 1 and the hydrogen production plant 2, however, as a simple line.
  • all of these lines can be any components such as e.g. Compressors, which the expert considers necessary or preferred for a smooth operation.
  • the compressed biogas from compressor 6 is forwarded to a methanation plant 4 and mixed on the way there with H 2 from the hydrogen production plant 2, which in preferred embodiments of the invention can also be compressed to form a mixture together with the biogas from 3 and 6 to show that the appropriate pressure for introduction into the methanizer 4 has.
  • this product gas passes to the membrane separation system 7, which in this preferred embodiment is shown as a two-stage system with two separation stages 7a and 7b.
  • the retentate from stage 7a is further purified in the second stage, the retentate of which is essentially pure CH 4 from the system of the invention. tion is led off, as indicated by the white arrow on the right.
  • the permeate of stage 7a is fed to a gas storage 5, where it can be stored, possibly in a liquefied state, before it is recycled to methanation.
  • the permeate Ström from 7a majority H 2 include, while the permeate from separation stage 7b, in economic plant design and process management, in addition to CO 2 and lower amounts of H 2 also more or less high proportions of CH 4 , which may sometimes exceed 50% by volume.
  • the former, H 2 -rich permeate stream from 7a could be cached as long as there is sufficient power from the power source 1 to the hydrogen production plant 2. If this no longer exists, (additional) H 2 can be used from the memory 5 for methanation.
  • the permeate from separation stage 7b is recycled directly into the stream of raw biogas from plant 3 and compressed together with it at 6, mixed with H 2 and fed to the methanation in order to obtain the product contained in the raw biogas and in the course of a first reaction with H 2 in the methanation plant 4 only partially to CH 4 reacted C0 2 bring one or more more times with H 2 to the reaction and at the same time to recycle the contained in this process stream CH 4 each, so the overall yield to increase to CH 4 .
  • this permeate can also be temporarily stored in a store (not shown), eg if there is sufficient supply of biogas from the biogas plant 3 anyway , In such a buffer, liquefaction of the C0 2 (eg by cryogenic method), whereby the space requirement is reduced and in particular the CH4 (and H 2 -) fractions thereof can be separated.
  • a store not shown
  • liquefaction of the C0 2 eg by cryogenic method
  • the permeate from 7a which mainly contains H 2 and CO 2 , is at least partially buffered in the memory 5. As long as the biogas plant 3 produces sufficient CO2 for the methanation in Annex 4, it can be stored in its entirety. If the CO 2 production of the biogas plant 3 is insufficient, the permeate from 7 a can be separated in the storage 5 by liquefying the CO 2 and essentially only the H 2 at 5 can be buffered, while the previously stored CO2 from the gas storage 5 is continuously fed to the methanation.
  • the permeate from 7b which mainly comprises CH 4 and CO 2 , or at least its share of CO 2, which is largely separated from CH 4 , is temporarily stored.
  • B2 The electrolysis plant 2 and the methanation plant 4 are deactivated (or the latter bridged by means of bypass), and the gas separation system 7 is used exclusively for purifying the biogas from FIG.
  • the permeate from 7a which mainly contains CO 2 , is temporarily stored until the power shortage has ended.
  • the permeate from 7b is cached in the presence of very high C0 2 shares, at very high CH 4 content, it can also be recycled. In both cases, it is particularly preferable to recycle substantially only the CH 4 portion and to temporarily store the C0 2 portion in liquid form.
  • FIGS. 2 and 3 Two variants of the method and device of the present invention are shown in FIGS. 2 and 3 for illustrative purposes only.
  • the H 2 -rich permeate stream is separated from separation stage 7a, one part of which is in turn buffered in memory 5, but the other part is recycled directly to the raw biogas.
  • Such an embodiment has advantages, for example, if sufficient power is not available to continuously produce new hydrogen, or it can be provided at the fork point of the streams (not shown) cryogenic equipment for separating the gases by liquefying the CO 2 , so that in Essentially only the H 2 is recycled and the liquefied CO 2 is stored in memory 5.
  • the invention provides a way in which gas streams of the desired purity, in particular a substantially pure stream of CH 4 , can be obtained by means of only a single gas membrane separation system in a process or a plant for storing energy, and fluctuations in the output of a current source , Such as a plant for generating renewable energy from wind or solar energy, can be compensated in an economical manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicherverfahren, in dem mit elektrischem Strom durch Wasserelektrolyse H2 erzeugt wird, weiters CO2 erzeugt wird und aus dem H2 und CO2 durch Methanisierung CH4 erzeugt wird und das dadurch gekennzeichnet ist, dass: a) das CO2 neben CH4 in einer Biogasanlage erzeugt wird; b) das CO2 und CH4 im Biogas in einem Membrantrennsystem mittels selektiver Gastrennmembranen in einen CH4-reichen Gasstrom und einen CO2-reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei der CO2-reiche Gasstrom durch Methanisierung mit dem erzeugten H2 zu einem CH4, CO2 und H2 umfassenden Produktgas umgesetzt wird; c) zumindest ein Teil des Produktgases in einem Membrantrennsystem aufgetrennt wird, um CO2 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und d) dass die Auftrennung des Biogases und die Auftrennung des Produktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 in der Lage sind.

Description

Verfahren und System zum Speichern von Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Speichern von Energie.
Aufgrund des Klimawandels und der Knappheit der fossilen Energieressourcen verschiebt sich der Fokus der Energieversorgung zunehmend in Richtung erneuerbarer Energiequellen. Neben Biomasse bieten Photovoltaik und Windkraft ein riesiges Potential für die Produktion klimafreundlicher Energie. Da die spezifischen Investitions- kosten dieser Technologien kontinuierlich abnehmen und die Betriebsstabilität und Konversionsgrade ständig verbessert werden, werden immer mehr Photovoltaik- und Windkraftprojekte realisiert. Für die nähere Zukunft wird ein durchschnittlicher Anstieg der Energieproduktion aus Wind- und Solarkraft von 7% jährlich prognostiziert. Einer der Hauptnachteile von Wind- und Solarkraft liegt in der Periodizität bzw. unkontrollierbaren Fluktuation der Energieproduktion, die von den Wetterbedingungen abhängig ist. An windigen und sonnigen Tagen wird bisweilen übermäßig viel Energie produziert, während bewölkten Flauten oder in windstillen Nächten fällt hingegen praktisch keine Energie an. Die Lösung dieses Problems liegt in der Speicherung der überschüssigen Energie, um diese in Perioden relativer Energieknappheit verwenden zu können.
Da elektrischer Strom nicht "gespeichert", im engeren Wortsinn, werden kann und jegliche Leitung (z.B. von einem Verbrauchernetz in ein anderes) entsprechende Lei- tungsverluste mit sich bringt, muss für die Speicherung eine Umwandlung der elektrischen Energie in andere Energieformen, z.B. thermische oder chemische Energie, erfolgen.
Beispielsweise wurde vorgeschlagen, mittels Überschussstroms durch Wasserelek- trolyse Wasserstoff (H2) zu erzeugen, der gespeichert und bei Bedarf zur Gewinnung thermischer Energie verbrannt oder wieder verströmt werden kann. Auch ist bekannt, diesen Wasserstoff zur Synthese von Methan (CH4) aus Kohlenoxiden (CO, CO2) einzusetzen. Das so erhaltene CH4 wird daher gelegentlich auch als "Windgas" bzw. "Solargas" bezeichnet.
Als jüngerer Stand der Technik werden beispielsweise in WO 2009/019159 A1 , WO 2010/1 15983 A1 und DE 10 201 1 013 922 A1 Verfahren und zugehörige Anlagen offenbart, bei denen jeweils ein kohlenstoffhaltiges Gas mit H2, das durch Wasserelektrolyse mittels Überschussstroms (z.B. aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen) erzeugt wurde, zu CH4 oder anderen brennbaren Kohlenwasserstoffen (z.B. mittels Fischer-Tropsch-Synthese) umgesetzt (d.h. hydriert) wird. Durch Verbrennung dieser Kohlenwasserstoffe wird wiederum Strom erzeugt ("Verstromung"). Die Verbrennungsprodukte können rezykliert und erneut zur Kohlenwasserstoffsynthese genutzt werden. Der im Verfahren enthaltene Kohlenstoff wird somit (zumindest teilweise) im Kreis geführt. Als CO2-Quelle können unter anderem Biogas oder Rauchgase verwendet werden - sei es zur Gänze oder nur das darin enthaltene CO2 nach Abscheidung von den übrigen Komponenten der Gasgemische. Mitunter kann auch das bei der Verstromung der Kohlenwasserstoffe entstehende Rauchgas aufgetrennt werden, d.h. CO2 daraus abgeschieden und zur Kohlenwasserstoff-Synthese rezykliert werden.
Weiters ist im Stand der Technik auch die Möglichkeit der Einspeisung zumindest eines Teils der erzeugten Kohlenwasserstoffe als Zusatz- oder Austauschgas in ein Grundgasnetz (womit vor allem zusätzliches Methan oder andere Kohlenwasserstoffe anstatt Methan in ein Erdgasnetz gemeint ist) offenbart, sowie die Nutzung des bei der Elektrolyse frei werdenden Sauerstoffs zur Verbrennung bei der Verstromung des CH4 (oder anderer Kohlenwasserstoffe), d.h. dass auch das O2 im Kreis geführt werden kann.
Der Einfachkeit halber wird in der Folge, sofern aus dem Kontext nicht Gegenteiliges hervorgeht, der Ausdruck "Methanisierung" als Synonym für alle derartigen Kohlenwasserstoff-Synthesen unter Verwendung von CO und/oder CO2 und H2 gebraucht, auch wenn dabei nicht (nur) Methan, sondern (auch) höhere Kohlenwasserstoffe er- zeugt werden. Analog dazu werden "Methan" und "CH4" in der Regel auch synonym für "Kohlenwasserstoff" gebraucht und umfasst somit auch höhere brennbare Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan usw. In ähnlicher Weise sind nachstehend unter "CO2" und "Kohlendioxid" auch CO oder Gemische von CO2 und CO zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich Kohlenmonoxid oder Gemische davon mit Kohlendioxid erwähnt werden oder der Kontext dies zwingend verlangt, wie dies dem Fachmann klar sein wird.
Zudem werden hierin in der Folge mit "Biogas" nicht nur, wie allgemein üblich, die Produkte der Vergärung von Biomasse, d.h. vorwiegend CH4 und CO2 enthaltende Gasgemische, bezeichnet, sondern auch die bei der Vergasung von festen oder flüssigen Ausgangsstoffen (z.B. Biomasse, Holz, Kohle) erhaltenen Gasgemische, die vor allem CO und als Nebenbestandteile, je nach den Vergasungsbedingungen, mitunter H2, CO2 und/oder CH4 sowie geringe Mengen an Wasserdampf oder sonstigen Gasen enthalten. Falls z.B. H2S eine Komponente ist, kann das Gasgemisch einer Entschwefelung unterzogen werden, da Schwefel bei der Methanisierung ein Katalysatorgift für die zumeist verwendeten Nickelkatalysatoren darstellt.
Die Nachteile der zuvor beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik lie- gen vor allem darin, dass die erzeugten Kohlenwasserstoffe, wie z.B. CH4, häufig nicht in ausreichender Reinheit anfallen, sondern mit mehr oder weniger großen Mengen anderer Gase, insbesondere CO bzw. CO2 und H2, verunreinigt sind. Dies erschwert eine direkte Nutzung der Kohlenwasserstoffe durch Verstromung oder Ein- speisung in Erdgasnetze oder macht sie sogar oftmals unmöglich. In jedem Fall müs- sen aufgrund des höheren Gasvolumens die Anlagen größer dimensioniert werden, was höhere Errichtungs- und Betriebskosten nach sich zieht, insbesondere wenn der Methanisierung eine oder mehrere Gastrennstufen nachgeschaltet werden müssen, um einzelne begleitende Gase von den gewünschten Kohlenwasserstoffen abzutrennen.
Der Stand der Technik bietet durch die optionale Abscheidung von CO2 aus Biogas oder Rauchgasen, um es danach im Wesentlichen frei von verunreinigenden Gasen der Methanisierung zuzuführen, nur eine Teillösung dieser Problematik. Da die Me- thanisierungsreaktion, d.h. die Hydrierung von CO2 mit H2 zu Kohlenwasserstoffen, unvollständig abläuft, ist im Produktgas zwangsläufig zumindest eine Ausgangskomponente, also CO2 und/oder H2, enthalten, und in der Regel sogar beide.
Ziel der Erfindung war vor diesem Hintergrund die Entwicklung eines verbesserten Energiespeicherverfahrens und einer entsprechenden Anlage, mit denen die obigen Nachteile zumindest teilweise ausgemerzt werden können. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel erreicht die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Speichern von Energie, in dem in bekannter Weise elektrischer Strom dazu genutzt wird, durch Wasserelektrolyse H2 zu erzeugen, weiters CO2 erzeugt wird, aus dem erzeugten H2 und CO2 durch Methanisierung CH4 er- zeugt wird; und
i) manche oder alle der erzeugten Gase zwischengespeichert werden; und/oder ii) das erzeugte CH4 zur Erzeugung von elektrischem Strom verströmt wird; und/oder iii) das erzeugte CH4 in ein Erdgasnetz eingespeist wird;
und das dadurch gekennzeichnet ist, dass:
a) das CO2 in einer Biogasanlage zur Erzeugung von CO2 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung erzeugt wird; b) die im erzeugten Biogas enthaltenen Gase CO2 und CH4 mittels eines Membrantrennsystems unter Verwendung einer oder mehrerer selektiver Gastrennmembranen in einen an CH4 reichen Gasstrom und einen an CO2 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei
der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird und
der an CO2 reiche Gasstrom der Methanisierung zugeführt und mit dem mittels Wasserelektrolyse erzeugten H2 vermischt und umgesetzt wird, um ein CH4, CO2 und H2 umfassendes Produktgas zu erhalten; c) zumindest ein Teil des Produktgases der Methanisierung in einem Membrantrennsystem aufgetrennt wird, um CO2 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und
d) dass sowohl die Auftrennung des Biogases als auch die Auftrennung des Produktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 in der Lage sind.
Durch das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird somit nicht nur das CO2 aus Biogas abgetrennt, um es als Kohlenstoffquelle in der Methanisierung einsetzen zu können, sondern es erfolgt auch eine Abtrennung von CO2 und H2 vom Produktgas der Methanisierung. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung prinzipiell nicht entscheidend, ob das Membrantrennsystem im Prozessablauf vor oder nach der Methanisierung vorgesehen wird, da in beiden Fällen ein an CH4 reicher Gasstrom erhalten wird, dessen Reinheit vor allem von der Güte des Trennsystems abhängig ist.
Wird die Membrantrennung vor der Methanisierung durchgeführt, gelangt der Großteil des aus der Biogasanlage stammenden CH4 gar nicht zur Methanisierung, sondern wird davor abgetrennt, was eine entsprechend kleinere Dimensionierung der späteren Anlagenteile ermöglicht. Erfolgt hingegen der Gastrennschritt erst nach dem Methanisierungsschritt, ist der Anteil an verunreinigenden Gasen in dem in der Hauptsache zu gewinnenden CH4 deutlich geringer, insbesondere der Anteil an CO2, wodurch es leichter gelingen kann, möglichst reines Methan zu erhalten, um dieses verströmen und/oder in Erdgasnetze einspeisen zu können.
Entscheidend ist gemäß vorliegender Erfindung vielmehr, dass nur ein einziges Membrantrennsystem vorgesehen zu werden braucht, das in der Lage ist, durch Auswahl entsprechender Gastrennmembranen und Betriebsparameter sowohl CO2 als auch H2 selektiv von CH4 zu trennen. Das Membrantrannsystem kann dabei ent- weder abwechselnd oder gleichzeitig mit Biogas oder Produktgas - womit in der Folge immer jenes der Methanisierungsreaktion, d.h. das Produktgas aus Schritt b), gemeint ist - gespeist werden. Speziell im Hinblick auf die zulässigen Grenzwerte für die Konzentration von H2 in CH4 (gemäß ÖVGW-Richtlinie G31 max. 4 Vol.-% und für einzelne Anwendungen sogar max. 2 Vol.-%) ist das Verfahren der Erfindung vorteilhaft, da solche niedrigen H2-Gehalte mit anderen Trennmethoden als Membrantrennverfahren (z.B. Kryover- fahren, Adsorption und Absorption) nicht oder nur unter erheblichem Aufwand erzielbar sind.
Sollten freilich für bestimmte Anwendungen höhere Konzentrationen von H2 im Methan gewünscht werden, wie z.B. zur Produktion von "Hythan", einem Gemisch aus H2 und CH4 mit üblicherweise 8 bis 32 Vol.-% H2, so sind diese durch entsprechende Wahl der Verfahrensparameter des Membrantrennsystems (z.B. Druck, Art und Ver- schaltung der Membranen) ebenfalls problemlos erhältlich.
Insbesondere bei abwechselnder Speisung des Membrantrennsystems mit Biogas und Produktgas können die Systemparameter, wie z.B. Betriebsdruck, Membranflächen und Verschaltung der Membranstufen, auf einfache Weise verändert werden, um den jeweils gewünschten Reinheitsgrad des abgetrennten CH4 zu erzielen. Bei gleichzeitiger Speisung mit Biogas und Produktgas, d.h. Vermischung der beiden Ströme im oder vor dem Membrantrennsystem, sind hingegen höhere Durchsätze er- zielbar.
Weiters bewirkt die Tatsache, dass beide Gastrennschritte in demselben Membrantrennsystem durchgeführt werden, dass das CH4 mit der gewünschten Reinheit stets an derselben Position im Verfahren bzw. im System anfällt, was die Planung der Ge- samtanlage deutlich vereinfacht und die Errichtungskosten senkt.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an C02 und H2 reichen Gasstrom und einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt, wobei der an C02 und H2 reiche Gasstrom, gegebenenfalls nach einer Zwischenspeicherung, erneut der Methanisierung zugeführt wird und der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird. In diesen Ausführungsformen werden somit im Membrantrennsystem H2 und CO2 gemeinsam vom CH4 abgetrennt, wofür nur Membranen erforderlich sind, die Selektivität für die beiden anderen Gase in Bezug auf CH4 besitzen. Dies verringert die Errichtungs- und Betriebskosten der Anlage.
Alternativ dazu kann das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an CO2 reichen Gasstrom, einen an H2 reichen Gasstrom sowie einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wofür entweder zwei Arten von Membranen erforderlich sind, die jeweils Selektivität für eines der beiden Gase, H2 und CO2, ge- genüber den beiden anderen Gasen im Gemisch aufweisen, oder mehrere Stufen derselben Art von Membranen zum Einsatz kommen und in den einzelnen Stufen jeweils ein anderes Gas selektiv vom CH4 abgetrennt wird.
Unter Selektivität ist allgemein der Quotient der Permeabilitäten von Membranen für unterschiedliche Gase zu verstehen. Beispielsweise bedeutet eine Selektivität von 10 für H2 in Bezug auf CH4, dass Wasserstoff eine so gekennzeichnete Membran 10- mal so schnell passiert wie Methan.
Erfindungsgemäß kommen Membranen mit hoher Selektivität für mehrere Gase in Bezug auf CH4 zum Einsatz, wofür sich beispielsweise Polymerfilm-, Metall- oder Keramikmembranen eignen. So sind etwa dichte Polymerschichten typischerweise für H2 und CO2 deutlich durchlässiger als für CH4 und weisen beispielsweise Selektivitäten bezüglich H2/CH4 von 60 und bezüglich C02 CH4 von 20 auf. Zur Trennung korrosiver Gasgemische können auch diesbezüglich widerstandsfähigere Membra- nen aus Keramik eingesetzt werden. Aufgrund ihrer üblicherweise höheren Selektivität für die Gase von Interesse werden jedoch gemäß vorliegender Erfindung Kunststoffmembranen bevorzugt, z.B. im Handel leicht erhältliche Polyimidmembranen. Diese weisen zudem häufig auch sehr hohe Selektivität für Wasser auf, beispielsweise eine Selektivität H20/CH4 von >100, mitunter sogar 1000 oder mehr, so dass in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung neben H2 und C02 auch H20 vom CH4 abgetrennt wird. Das bedeutet, dass das Methan gleichzeitig auch entwässert werden kann, zumal H20 als Nebenprodukt der Methanisierung anfällt. In diesen be- vorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird daher der Membrantrennschritt vorzugsweise erst nach dem Methanisierungsschritt durchgeführt.
Durch Vorsehen mehrerer Membranstufen ist eine insgesamt raschere Trennung möglich, und es können H2 und CO2, sowie H20 (sofern in relevanten Mengen vorhanden), in getrennten Strömen erhalten werden, was zusätzliche Optionen für deren Verwendung eröffnet. So kann beispielsweise ein Teil des Wasserstoffs statt für die Methanisierung ebenfalls als Brenngas eingesetzt werden - alleine oder im Bedarfsfall sogar nach Rückvermischung mit dem gereinigten Methan (z.B. in Form von Hy- than).
Bei Verwendung der zuvor beschriebenen Polymerfilm-Membranen mit hohen Selektivitäten für H2O, H2 und CO2 in Bezug auf CH4 (z.B. >100, 60 bzw. 20) kann etwa bei serieller Schaltung zunächst in einer ersten Stufe vorwiegend H2O abgetrennt wer- den, in einer zweiten Stufe H2 und schließlich CO2, um gereinigtes CH4 als Retentat der dritten Stufe zu erhalten. Die abgetrennte Menge der jeweiligen Komponente des Gasgemischs hängt dabei u.a. von den Membranflächen und den Druckverhältnissen ab. Es versteht sich, dass in allen Fällen die Anzahl der Membranen nicht speziell eingeschränkt ist, so dass in jeder Trennstufe auch mehrere Membranen desselben Typs seriell oder parallel geschaltet sein können. Vorzugsweise wird eine möglichst geringe Anzahl gewählt werden, die ausreicht, um die gewünschten Reinheitsgrade der voneinander getrennten Gasströme, insbesondere des Methans, zu gewährleisten.
Das rohe Biogas kann zudem vor der Zufuhr zum Membrantrennsystem einer Entschwefelung oder anderen Vorbehandlungsschritten unterzogen werden, um potenzielle Katalysatorgifte, Wasser, Partikel usw. zu entfernen. Weiters stammt der zur Wasserelektrolyse genutzte elektrische Strom vorzugsweise, wenn auch nicht notwendigerweise, aus Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie, da hier besonders starke Schwankungen bei der Stromerzeugung auftreten, die durch das Verfahren der Erfindung zumindest teilweise ausgeglichen werden können. Die Herkunft des Stroms ist jedoch nicht darauf beschränkt. Dieser kann vielmehr aus beliebigen (externen) Stromquellen stammen. Gemäß vorliegender Erfindung ist es somit möglich, bei einem relativen Überschuss an elektrischem Strom aus der Stromquelle hauptsächlich H2 und CH4 zu speichern, die im Bedarfsfall verströmt oder in ein Erdgasnetz eingespeist oder auch zu Hythan kombiniert werden können. Bei einer relativen Knappheit an elektrischem Strom kann hingegen hauptsächlich CO2, als Produkt der Biogasproduktion, gespeichert werden, das vorzugsweise erst der Methanisierung zugeführt wird, sobald wieder genügend Strom und somit ausreichend Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zur Verfügung stehen.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Energiespeichersystem bereit, mit dem das oben definierte Verfahren durchführbar ist und das in an sich bekannter Weise Folgendes umfasst:
- zumindest eine Stromquelle;
- zumindest eine Wasserstofferzeugungsanlage zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse;
- zumindest eine Anlage zur Erzeugung von CO2;
- zumindest eine Methanisierungsanlage zur Erzeugung von CH4 aus CO2 unter Verwendung des erzeugten H2;
- gegebenenfalls Gasspeicher für die erzeugten Gase;
- gegebenenfalls eine Verstromungsanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Verbrennung des erzeugten CH4; und
- Mittel zum Leiten von elektrischem Strom und entsprechenden Gasströmen von einer Anlage zur anderen bzw. zu und von den Gasspeichern bzw. zum Einleiten in ein Erdgasnetz.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem ist gegenüber dem Stand der Tech- nik dadurch gekennzeichnet, dass:
a) die Anlage zur Erzeugung von CO2 eine Anlage zur Erzeugung von CO2 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder Vergasung ist; b) der Anlage zur Erzeugung von CO2 ein Membrantrennsystem nachgeschaltet ist, das eine oder mehrere Gastrennmembranen umfasst, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von dem erzeugten CH4 in der Lage sind;
c) Mittel zum Leiten zumindest eines Teils des Produktgases aus der Me- thanisierungsanlage zum Membrantrennsystem vorgesehen sind; und
d) Mittel zum Rezyklieren des im Membrantrennsystem abgetrennten CO2 und/oder H2 zur Methanisierungsanlage vorgesehen sind.
Wie oben beschrieben ist somit das Membrantrennsystem sowohl mit Biogas aus der Anlage zur Erzeugung von CO2 als auch mit Produktgas aus der Methanisierungsanlage speisbar - und das wiederum abwechselnd oder gleichzeitig, was der Fachmann mittels entsprechender Leitungsführung, Ventiltechnik usw. erzielen kann. Generell ist dem Fachmann auf Basis seines allgemeinen Fachwissens bewusst, wie die einzelnen Anlagen und sonstigen Bestandteile eines solchen erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mittels entsprechender Leitungen, Ventile, Stromteiler, Kompressoren, Pumpen usw., die zuvor als "Mittel" bezeichnet sind, zu verbinden und zu betreiben sind. Dies ist ebenso Standard auf dem Gebiet der Anlagenplanung wie die Bestimmung, welche Art und Anzahl an Gasspeichertanks an welcher Position im Gesamtsystem vorzusehen sind, um einen optimalen Betrieb je nach vorge- gebenen Randbedingungen zu ermöglichen.
Wie beim analogen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt liegen auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems vor allem darin, dass nur ein Membrantrennsystem zur Reinigung, d.h. Auftrennung, zweier Verfahrensströme erforder- lieh ist und dass CH4 mit der gewünschten Reinheit stets an derselben Position im System anfällt. Wiederum ist auch die Position des Membrantrennsystems - zwischen Biogasanlage und Methanisierungsanlage oder erst nach der Letzteren - nicht entscheidend, solange durch entsprechende Leitungsführung und Verschaltung gewährleistet ist, dass sowohl das Biogas als auch das Produktgas der Methanisierung in ein und demselben Membrantrennsystem gereinigt werden können. Soll neben CO2 und H2 gleichzeitig auch H20 abgetrennt werden, wird derzeit eine Nachschaltung des Membrantrennsystems nach der Methanisierungsanlage bevorzugt. Die Stromquelle ist nicht speziell eingeschränkt und kann sowohl integraler Bestandteil des Energiespeichersystems als auch eine externe Stromquelle sein. In beiden Fällen handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Wind- oder Solarkraftwerk mit entsprechenden Schwankungen der Stromerzeugung, die durch das Energiespeicher- System zumindest teilweise kompensierbar sind. Der Anlage zur Erzeugung von CO2 ist dabei erneut vorzugsweise eine Einrichtung zur Entschwefelung oder sonstigen Gasvorbehandlung nachgeschaltet, um Katalysatorgifte zu entfernen.
Wie ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß dem ersten As- pekt der Erfindung erwähnt, kann das Membrantrennsystem eine einzige Membrantrennstufe zur gleichzeitigen Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 oder auch zwei oder mehrere Membrantrennstufen zur aufeinander folgenden Abtrennung von CO2 und H2, sowie vorzugsweise auch H20, von CH4 umfassen - mit denselben Vorteilen wie oben erwähnt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 bis 3 sind schematische Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist eine relativ einfache Ausführungsform der Erfindung als Fließschema dargestellt. Links oben ist eine Stromquelle 1 eingezeichnet, die wie zuvor erwähnt, Bestandteil des Energiespeichersystems als auch eine externe Stromquelle sein kann. In beiden Fällen handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Wind- oder Solarkraftwerk mit entsprechend schwankender Stromerzeugung, was mittels des Energiespeichersystems der Erfindung zumindest teilweise kompensierbar ist. Von dieser Stromquelle 1 stammender elektrischer Strom wird einer Wasserstofferzeugungsanlage 2 zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse zugeleitet, d.h. die elektrische Energie wird an 2 in chemische Energie in Form von H2 umgewandelt. Bezugszeichen 3 kennzeichnet weiters eine Anlage zur Erzeugung von CO2, die gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise eine Biogasanlage ist, in der durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung ein Gemisch aus CO2 und CH4 erzeugt wird. Dieses wird in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vorzugsweise einem Kompressor 6 zugeführt und von diesem verdichtet.
Das Bezugszeichen 6 des Kompressors kann in den schematischen Darstellungen der Zeichnungen aber auch als stellvertretend für sämtliche Leitungen, Ventile, Kompressoren, Pumpen und dergleichen stehend interpretiert werden, die allgemein als "Mittel zum Leiten" (oder zum Rezyklieren o.dgl.) subsummierbar sind, so z.B. Gasoder Stromleitungen. In den Zeichnungen sind Gasleitungen als Pfeile dargestellt, die Stromleitung zwischen der Stromquelle 1 und der Wasserstofferzeugungsanlage 2 hingegen als einfache Linie. Generell können alle diese Leitungen beliebige Bauteile, wie z.B. Kompressoren, umfassen, die der Fachmann für einen reibungslosen Be- trieb für erforderlich oder bevorzugt erachtet.
Das komprimierte Biogas aus Kompressor 6 wird zu einer Methanisierungsanlage 4 weitergeleitet und auf dem Weg dorthin mit H2 aus der Wasserstofferzeugungsanlage 2 vermischt, das in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ebenfalls kompri- miert werden kann, um zusammen mit dem Biogas aus 3 und 6 ein Gemisch zu ergeben, dass den geeigneten Druck zur Einleitung in die Methanisierungsanlage 4 aufweist.
In der Methanisierungsanlage 4 wird CO2 mit H2 zu CH4 umgesetzt, so dass der im Biogas bereits enthaltene Anteil an CH4 in der Regel deutlich erhöht wird und ein Produktgas erhalten wird, das beispielsweise wie folgt zusammengesetzt ist: CH4 89,7 Vol.-%; C02 3,5 Vol.-%; H2 6,8 Vol.-%.
Über Leitung 6a gelangt dieses Produktgas zum Membrantrennsystem 7, das in die- ser bevorzugten Ausführungsform als zweistufiges System mit zwei Trennstufen 7a und 7b dargestellt ist. Dabei wird das Retentat aus Stufe 7a in der zweiten Stufe weiter gereinigt, deren Retentat als im Wesentlichen reines CH4 aus dem System der Er- findung ausgeleitet wird, wie dies mittels des weißen Pfeils rechts angedeutet wird. Das Permeat der Stufe 7a wird einem Gasspeicher 5 zugeführt, wo es - gegebenenfalls in verflüssigtem Zustand - gespeichert werden kann, bevor es zur Methanisie- rung rezykliert wird.
Unter Annahme der Verwendung von bevorzugten Polyimidmembranen, wie zuvor erwähnt, z.B. solchen mit einer Selektivität bezüglich der Trennung H2/CH4 von 60 und bezüglich C02 CH4 von 20, in beiden Membrantrennstufen würde - in Abhängigkeit von den Membranflächen und Betriebsdrücken der Trennstufen - der Permeat- ström aus 7a mehrheitlich H2 (und überwiegend H2 und CO2) umfassen, während das Permeat aus Trennstufe 7b, bei wirtschaftlicher Anlagenauslegung und Verfahrensführung, neben CO2 und geringeren Mengen an H2 auch mehr oder weniger hohe Anteile an CH4 umfassen würde, die mitunter sogar 50 Vol.-% übersteigen können. Somit könnte der erstere, H2-reiche Permeatstrom aus 7a zwischengespeichert werden, solange eine ausreichende Stromzufuhr aus der Stromquelle 1 zur Wasserstofferzeugungsanlage 2 besteht. Sollte diese nicht länger gegeben sein, kann (zusätzliches) H2 aus dem Speicher 5 zur Methanisierung verwendet werden.
Andererseits wird in der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 das Permeat aus Trennstufe 7b direkt in den Strom rohen Biogases aus der Anlage 3 rezykliert und gemeinsam mit diesem an 6 komprimiert, mit H2 vermischt und der Methanisierung zugeführt, um das im rohen Biogas enthaltene und im Zuge einer ersten Umsetzung mit H2 in der Methanisierungsanlage 4 nur unvollständig zu CH4 umgesetzte C02 ein oder mehrere weitere Male mit H2 zur Reaktion zu bringen und gleichzeitig das in diesem Verfahrensstrom enthaltene CH4 jeweils zu rezyklieren, um so die Gesamtausbeute an CH4 zu erhöhen.
In Fällen, wo das Permeat aus Trennstufe 7b mehrheitlich C02 und nur vergleichsweise niedrige Anteile an CH4 umfasst, kann auch dieses Permeat in einem (nicht dargestellten) Speicher zwischengespeichert werden, z.B. wenn ohnehin ein ausreichender Nachschub an Biogas aus der Biogasanlage 3 gegeben ist. In einem solchen Zwischenspeicher könnte zudem eine Verflüssigung des C02 (z.B. durch Kryo- verfahren) vorgesehen werden, wodurch der Raumbedarf verringert wird und insbesondere die CH4- (und H2-) Anteile davon abgetrennt werden können.
An welcher Stelle die Einspeisung der Permeate aus den beiden Trennstufen 7a und 7b in die Verbindungsleitung(en) zwischen der Biogasanlage 3 und der Methanisie- rungsanlage 4 erfolgt, ist nicht entscheidend. Der Fachmann ist jedoch problemlos in der Lage, die Mündungspunkte sowie die dort vorgesehenen Bauteile (Mischer, einfache Y-Stücke oder dergleichen) samt gegebenenfalls erforderlichen zusätzlichen Kompressoren usw. zu definieren. Zur besseren Übersicht werden mögliche Betriebsmodi der Anlage aus Fig. 1 für unterschiedliche Randbedingungen (erneut) kurz zusammengefasst.
A) Stromüberschuss: in Anlage 2 wird ausreichend H? erzeugt
Das Permeat aus 7a, das hauptsächlich H2 und CO2 enthält, wird zumindest teilweise im Speicher 5 zwischengespeichert. Solange die Biogasanlage 3 ausreichend CO2 für die Methanisierung in Anlage 4 produziert, kann es zur Gänze gespeichert werden. Ist die C02-Produktion der Biogasanlage 3 unzureichend, kann das Permeat aus 7a im Speicher 5 mittels Verflüssigung des CO2 aufgetrennt und im Wesentlichen nur das H2 an 5 zwischengespeichert werden, während das zuvor gespeicherte CO2 aus dem Gasspeicher 5 kontinuierlich der Methanisierung zugeführt wird.
Das Permeat aus 7b, das hauptsächlich CH4 und CO2 umfasst, wird zur Gänze re- zykliert. B) Stromknappheit: in Anlage 2 wird zu wenig (BD oder gar kein (B2) H? erzeugt
B1 : Das in Speicher 5 zwischengespeicherte H2 wird zusammen mit dem an 2 erzeugten H2 zur Methanisierung des CO2 aus der Biogasanlage 3 genutzt.
Das hauptsächlich CH4 und CO2 umfassende Permeat aus 7b - oder zumindest dessen vom CH4 weitestgehend abgetrennter Anteil an CO2 - wird zwischengespeichert. B2: Die Elektrolyseanlage 2 und die Methanisierungsanlage 4 werden deaktiviert (bzw. Letztere mittels Bypass überbrückt), und das Gastrennsystem 7 wird ausschließlich zur Reinigung des Biogases aus 3 verwendet.
Das Permeat aus 7a, das überwiegend CO2 enthält, wird hierzu zwischengespei- chert, bis die Stromknappheit beendet ist.
Das Permeat aus 7b wird bei Vorliegen sehr hoher C02-Anteile zwischengespeichert, bei sehr hohen CH4-Anteilen kann es auch rezykliert werden. Besonders bevorzugt wird in beiden Fällen im Wesentlichen nur der CH4-Anteil rezykliert und der C02-An- teil in flüssiger Form zwischengespeichert.
In den Fig. 2 und 3 sind lediglich zu Illustrationszwecken zwei Varianten des Verfahrens bzw. der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In beiden Zeichnungen wird der H2-reiche Permeatstrom aus Trennstufe 7a geteilt, wovon ein Teil wiederum im Speicher 5 zwischengespeichert, der andere Teil jedoch direkt zum rohen Biogas rezykliert wird. Eine solche Ausführungsform hat beispielsweise Vorteile, wenn nicht ausreichend Strom zur Verfügung steht, um laufend neuen Wasserstoff zu produzieren, oder es kann am Gabelpunkt der Ströme eine (nicht dargestellte) Kryoanlage zur Trennung der Gase mittels Verflüssigung des CO2 vorgesehen sein, so dass im Wesentlichen nur das H2 rezykliert und das verflüssigte CO2 in Speicher 5 zwischengespeichert wird.
In Fig. 2 erfolgt die Vermischung mit dem Biogas vor dem Kompressor 6, während das zwischengspeicherte Gas wie in Fig. 1 erst danach in den Gasstrom zur Metha- nisierungsanlage 4 eingespeist wird. Dies ist speziell im Falle der Zwischenspeiche- rung des C02-Anteils in verflüssigter Form vorteilhaft, da das CO2 dann nicht mehr komprimiert zu werden braucht. In Fig. 3 werden hingegen sämtliche rezyklierten Permeatströme bereits vor dem Kompressor 6 mit dem rohen Biogas vermischt, was bei der Zwischenspeicherung des Permeats aus 7a unter (nahezu) Atmosphären- druck dient, also wenn z.B. keine Trennung des C02-Anteils vom H2-Anteil erfolgt, sondern einfach ein Teil des Permeats aus 7a in Speicher 5 zwischengespeichert wird. Wie bereits erwähnt, sind zahlreiche Modifikationen und Variationen an den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung möglich, für den Fachmann leicht ersichtlich und auf Basis seines allgemeinen Fachwissens auf dem Gebiet der Anlagentechnik vorsehbar.
Die Erfindung stellt jedenfalls eine Möglichkeit bereit, wie mittels nur eines einzigen Gasmembrantrennsystems in einem Verfahren bzw. einer Anlage zum Speichern von Energie Gasströme der gewünschten Reinheit, insbesondere ein im Wesentlichen reiner Strom an CH4, erhältlich sind und Schwankungen im Output einer Strom- quelle, wie z.B. einer Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie, auf wirtschaftliche Weise ausgeglichen werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Speichern von Energie, in dem elektrischer Strom dazu genutzt wird, durch Wasserelektrolyse H2 zu erzeugen, weiters CO2 erzeugt wird, aus dem erzeugten H2 und CO2 durch Methanisierung CH4 erzeugt wird; und
i) manche oder alle der erzeugten Gase zwischengespeichert werden; und/oder ii) das erzeugte CH4 zur Erzeugung von elektrischem Strom verströmt wird; und/oder iii) das erzeugte CH4 in ein Erdgasnetz eingespeist wird;
dadurch gekennzeichnet, dass:
a) das CO2 in einer Biogasanlage zur Erzeugung von CO2 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder durch Vergasung erzeugt wird; b) die im erzeugten Biogas enthaltenen Gase CO2 und CH4 mittels eines Membrantrennsystems unter Verwendung einer oder mehrerer selektiver Gastrennmembranen in einen an CH4 reichen Gasstrom und einen an CO2 reichen Gasstrom aufgetrennt werden, wobei
der an CH4 reiche Gasstrom gespeichert, verströmt und/oder in ein Erdgasnetz eingespeist wird und
der an CO2 reiche Gasstrom der Methanisierung zugeführt und mit dem mittels Wasserelektrolyse erzeugten H2 vermischt und umgesetzt wird, um ein CH4, CO2 und H2 umfassendes Produktgas zu erhalten;
c) zumindest ein Teil des Produktgases der Methanisierung in einem Membrantrennsystem aufgetrennt wird, um CO2 und H2 selektiv von CH4 abzutrennen; und
d) dass sowohl die Auftrennung des Biogases als auch die Auftrennung des Produktgases der Methanisierung gleichzeitig oder abwechselnd in demselben Membrantrennsystem unter Verwendung von Gastrennmembranen durchgeführt werden, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 in der Lage sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an CO2 und H2 reichen Gasstrom und einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt wird, wobei der an CO2 und H2 reiche Gasstrom erneut der Methanisierung zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas der Methanisierung im Membrantrennschritt in einen an CO2 reichen Gasstrom, einen an H2 reichen Gasstrom sowie einen an CH4 reichen Gasstrom aufgetrennt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Wasserelektrolyse genutzte elektrische Strom aus Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie aus Windkraft oder Sonnenenergie stammt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rohe Biogas vor der Zufuhr zum Membrantrennsystem einer Entschwefelung unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem relativen Überschuss an elektrischem Strom hauptsächlich H2 und CH4 ge- speichert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer relativen Knappheit an elektrischem Strom hauptsächlich CO2 gespeichert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Gastrennmembranen eingesetzt werden, die in der Lage sind, neben CO2 und H2 auch H20 von CH4 abzutrennen.
9. Energiespeichersystem, das unter Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 betreibbar ist und Folgendes umfasst:
- zumindest eine Stromquelle (1 );
- zumindest eine Wasserstofferzeugungsanlage (2) zur Erzeugung von H2 durch Wasserelektrolyse;
- zumindest eine Anlage (3) zur Erzeugung von CO2;
- zumindest eine Methanisierungsanlage (4) zur Erzeugung von CH4 aus CO2 unter Verwendung des erzeugten H2; - gegebenenfalls Gasspeicher (5) für die erzeugten Gase;
- gegebenenfalls eine Verstromungsanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Verbrennung des erzeugten CH4; und
- Mittel (6) zum Leiten von elektrischem Strom und entsprechenden Gasströmen von einer Anlage zur anderen bzw. zu und von den Gasspeichern bzw. zum Einleiten in ein Erdgasnetz;
dadurch gekennzeichnet, dass:
a) die Anlage (3) zur Erzeugung von CO2 eine Anlage zur Erzeugung von CO2 und CH4 umfassendem Biogas durch Vergärung von Biomasse oder Vergasung ist; b) der Anlage (3) zur Erzeugung von CO2 ein Membrantrennsystem (7) nachgeschaltet ist, das eine oder mehrere Gastrennmembranen umfasst, die zu einer selektiven Abtrennung von CO2 und H2 von dem erzeugten CH4 in der Lage sind;
c) Mittel (6a) zum Leiten zumindest eines Teils des Produktgases aus der Me- thanisierungsanlage (4) zum Membrantrennsystem (7) vorgesehen sind; und
d) Mittel (6b) zum Rezyklieren des im Membrantrennsystem (7) abgetrennten
CO2 und/oder H2 zur Methanisierungsanlage (4) vorgesehen sind.
10. Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (1 ) ein Wind- oder Solarkraftwerk ist.
1 1 . Energiespeichersystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlage (3) zur Erzeugung von CO2 eine Entschwefelungseinrichtung nachgeschaltet ist.
12. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Membrantrennsystem (7) eine einzige Membrantrennstufe (7a) zur gleichzeitigen Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 umfasst.
13. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass das Membrantrennsystem (7) zwei oder mehrere Membrantrennstufen (7a, 7b) zur aufeinander folgenden Abtrennung von CO2 und H2 von CH4 umfasst.
14. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass manche oder alle der Gastrennmembranen in der Lage sind, neben CO2 und H2 auch H20 von CH4 abzutrennen.
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