WO2020125868A1 - Method and device and system for stabilizing an electricity grid - Google Patents

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WO2020125868A1
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    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for stabilizing a power grid, the stabilization by balancing the generation and consumption of electrical energy by removing excess electrical energy from the power grid, converting it into a storable energy carrier and storing it, and converting the stored energy carrier back into electricity and feeding into the power grid on the other hand.
  • the invention also relates to a system for stabilizing a power network.
  • a facility for the transmission and distribution of electrical energy is referred to as a power network.
  • the consumption of intelligent power grids and intelligent consumer devices can also be adjusted according to the current power supply. But that is not enough to e.g. B. to bridge dark doldrums.
  • Processes that are based on the hydrogen obtained from electricity and synthesize methane or other methanol or other hydrocarbons using C0 2 using the Sabatier process, represent a sustainable, targeted solution for storing electrical current.
  • a method for storing electrical energy is known from the publication DE 10 2012 105 736 A1.
  • the proposed solution is designed to store electricity from renewable energies in a chemical energy source using C0 2 from the exhaust gases of a lignite-fired power plant. Ultimately, however, this does not take place in connection with the stabilization of the power grid, but to reduce the specific CO 2 emissions of the lignite-fired power plant.
  • This procedure for Storage of electrical energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in a technical system is characterized in that, in addition to the technical system, at least one hydrocarbon, in particular methane, is synthesized using carbon dioxide, water and electrical energy. Electrical energy is stored in chemical form with the hydrocarbon.
  • C0 2 separated from the flue gas of an incineration plant, is used to subsequently synthesize methane with hydrogen from an electrolysis plant.
  • the incinerator uses a hydrocarbon to generate electricity.
  • the methane generated in this way is then used again to generate energy, from the combustion of which then clean exhaust gas, which, however, contains fossil CO 2 , is emitted.
  • the object is achieved by a method for stabilizing a power grid, the stabilization being to take place by means of compensation, in that current is drawn as needed in the event of overcapacity and fed in after a temporary storage in the event of a shortage.
  • surplus electricity that was generated by electricity producers in excess of demand or consumption is taken from the power grid and converted into a storable chemical energy source.
  • a hydrocarbon primarily methane, is provided as the energy source.
  • the conversion and storage of the electrical energy, the electricity takes place in chemical form as at least one hydrocarbon using carbon dioxide (C0 2 ), which was formed in a previous cycle by back-conversion and, if necessary, has been temporarily stored or supplied.
  • Back-conversion is a process of combustion of the hydrocarbon with the aim of generating electricity.
  • the at least one hydrocarbon, the chemical energy carrier is synthesized using carbon dioxide (C0 2 ) and hydrogen (H 2 ).
  • the hydrogen (H 2 ) is obtained from water (H 2 0) in an electrolysis process using the excess electrical energy to be stored.
  • the device according to the invention further comprises a conditioning system for carbon dioxide (C0 2 ), which from the Back-conversion power plant for the generation of electrical energy from the hydrocarbon.
  • the device according to the invention comprises a separation and conditioning system for the hydrocarbon generated in the synthesis device and a hydrocarbon store for its temporary storage, in particular before the combustion in the reconversion power plant when electricity is required.
  • a device is also provided for supplying at least the hydrocarbon and synthesized oxygen (0 2 ) from the electrolysis to the reconversion power plant, which is suitable for burning the hydrocarbon formed using the synthesized oxygen (0 2 ).
  • a device for recycling a portion of the carbon dioxide (C0 2 ) to replace the corresponding portion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air for the combustion of the stored hydrocarbon in addition to the oxygen (0 2 ) is provided in the reconversion power plant.
  • a proportion of C0 2 is added to the combustion air, so that in a particularly advantageous case it only consists of oxygen (0 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ).
  • the proportion is chosen so that it is favorable for the incineration plant used to ensure the functioning.
  • the C0 2 is circulated in the incinerator by separating it from the exhaust gas and adding it to the incineration process.
  • a particularly advantageous effect of the proposed method is based on the fact that the substitute air containing CO 2 , which is fed to the combustion process, has a cooling effect due to the CO 2 content.
  • the combustion temperature can thus be set via the C0 2 component in such a way that it does not exceed the permissible value for the combustion technology used in each case. While a combustion with oxygen alone requires a special and expensive plant technology that can withstand the elevated temperatures in the combustion chamber, the invention enables the use and the connection with conventional combustion technology that cannot be used for high combustion temperatures, such as those used in the Combustion with almost pure oxygen (oxyfuel process) may occur.
  • the reconversion power plant advantageously has a plant for combined heat and power.
  • the plant for combined heat and power is preferred as a gas and steam power plant, an internal combustion engine such.
  • the hydrocarbon to be stored is advantageously in gaseous form and the hydrocarbon store is designed as a gas storage arrangement.
  • the gas storage arrangement comprises an existing natural gas network NGN with associated, existing natural gas stores, to which at least methane gas is supplied. A portion of hydrogen (H 2 ) that comes directly from the electrolysis could also be added.
  • the existing, widespread NGN natural gas network connected to gas storage e.g. caverns
  • gas storage e.g. caverns
  • the currently available storage capacity of the NGN can with simple means can even be expanded considerably. With a pressure increase of a few mmWS in the existing gas storage facilities, additional amounts of energy in the range of an energy equivalent in the amount of a few TWh can be stored.
  • the synthesized gaseous methane SNG which is synthesized from hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ) that is available in the storage system, is therefore preferably used as the energy source for storage.
  • the hydrogen (H 2 ) comes from the electrolysis, which is operated with the excess electricity.
  • the carbon dioxide (C0 2 ) from the time-shifted necessary re-conversion of natural gas or in the future increasingly synthesized gaseous methane SNG will be used in gas power plants.
  • the carbon dioxide (C0 2 ) is temporarily stored in the combustion process so that there are no C0 2 emissions, because NG is currently fossil in the NGN natural gas network to a large extent. Only later, at least partially and increasingly, can carbon dioxide (C0 2 ) also originate from renewable energy sources.
  • the method according to the invention contributes to “decarbonization” because no further CO 2 from the technical processes concerned will get into the atmosphere.
  • Another aspect of the present invention relates to a device for
  • an electrolysis device for at least the production of hydrogen (H 2 )
  • a synthesis apparatus preferably designed as a plant for methane synthesis, for the production of at least one hydrocarbon, preferably methane, using the Hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ) provided.
  • a re-generation power plant is provided for generating the electricity, which is fed into the power grid to stabilize it if necessary.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention further comprises a conditioning system for carbon dioxide (C0 2 ) from the Back-conversion power plant for the generation of electrical energy from the hydrocarbon, a separation and conditioning system for the hydrocarbon produced and / or a hydrocarbon storage NGN. Furthermore, a device is provided for supplying at least the hydrocarbon and synthesized oxygen (0 2 ) to the reverse power generation plant suitable for combustion of the hydrocarbon formed using the synthesized oxygen (0 2 ).
  • a device for recycling a portion of the carbon dioxide (C0 2 ) to replace the corresponding portion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air for the combustion of the hydrocarbon is provided in addition to the oxygen (0 2 ) in the re-generation power plant.
  • the hydrocarbon storage NGN is preferably designed as a gas storage arrangement.
  • methane is provided as the hydrocarbon and the reconversion power plant has a plant for combined heat and power.
  • the plant for cogeneration is particularly preferably designed as a gas and steam power plant, a combined heat and power plant for the combustion of natural gas or a fuel cell device. It has also proven to be advantageous if the gas storage arrangement comprises an existing NGN natural gas network with existing natural gas storage, to which at least methane is supplied.
  • the system according to the invention for stabilizing a power grid represents a further aspect of the present invention and comprises a large number of devices for stabilizing a power grid, each of which comprises the power storage unit SSE and the back-conversion power unit RSE.
  • the system according to the invention thus consists of the combination of flatly distributed elements of the electricity storage SSE and associated elements of the reverse electricity generation RSE, which are integrated into a power network, for example the Germany-wide power network DSN, which is also internationally linked with other countries, and to that NGN natural gas network, which is also internationally linked to the natural gas networks of other countries.
  • the SSE and RSE are connected via a superordinate classic or Internet communication and actively participate in regulating the stability of the entire power grid.
  • at least the hydrocarbon for storage in the can be from an excess of electrical energy Hydrocarbon storage, preferably designed as a natural gas network NGN, is generated or, if there is a need for electricity, at least stored hydrocarbon is removed from the hydrocarbon storage and electrical energy is generated therefrom for feeding into the power network.
  • the NGN is used as a large-volume storage. If there is a surplus of electricity, the DSN supplies the SSE to the NGN to store the electricity in the form of methane (SNG) synthesized from hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ).
  • SNG methane
  • H 2 hydrogen
  • C0 2 carbon dioxide
  • the network further comprises, at least in part, a CO 2 gas network for transporting the carbon dioxide (CO 2 ) from the reconversion power plant between the facilities of the network and / or a hydrogen gas network for transporting the hydrogen (H 2 ) from the Electrolysis facility between the facilities of the network.
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 hydrogen
  • Another advantageous further development provides, at least in part, a C0 2 storage and / or a hydrogen storage, where the gases can be stored before or after transport or at convenient locations on the transport route.
  • the preferred version of the RSE consists of the following basic elements:
  • a suitable connection for drawing current from the DSN A plant for water electrolysis,
  • a plant for methane synthesis with a plant for conditioning methane gas and a plant for extracting high-temperature waste heat for further use,
  • a buffer storage for hydrogen (H 2 ) (H 2 )
  • the RSE and SSE can be set up directly next to each other or spatially separated, connected by cables, to e.g. B. to supply the waste heat locally for use.
  • This stored hydrogen is used when methane is synthesized and stored in the large NGN storage facility.
  • the operation of the interconnected SSEs and RSEs is controlled centrally in conjunction with the power grid regulation.
  • the aim of the control is to control the aim of the control.
  • the invention therefore represents a large-volume electricity storage system based on C0 2 with minimal or completely no C0 2 emissions into the atmosphere.
  • the method according to the invention uses C0 2 for energy storage - without additionally emitting C0 2 .
  • the process mimics natural plant processes in which C0 2 is used as a working substance for energy storage.
  • the central approach is on the one hand that with good availability of wind and sun by means of electrolysis, hydrogen gas as a raw material for the synthesis of methane gas will be produced. Carbon dioxide is added to the hydrogen gas; artificial, synthesized methane gas SNG is created as a very high-energy substance.
  • the artificially synthesized methane is stored where the natural gas is already stored according to the state of the art: in the existing natural gas network.
  • the natural gas network has such a large storage capacity that it can easily absorb a quantity of gas that can be converted back into a climate-neutral way in highly efficient, easily regulated gas power plants when the sky is calm and the sky is cloudy. In Germany, for example, this is enough to bridge at least two weeks of unfavorable weather that restricts or prevents the generation of renewable energy.
  • C0 2 is a working substance for energy storage, as in nature, that remains in the storage system according to the invention and does not have to be emitted or constantly added again.
  • Process losses occur in the form of heat that can be used for other purposes.
  • the losses occurring in the process are therefore thermal.
  • the generation takes place on the basis of electricity taken from the power grid, which is based on renewable energy sources.
  • a memory module consists of the two components RSE and SSE, which work at different times and, if necessary, also spatially separated:
  • Retrofit unit RSE for power supply in particular designed as a retrofit power plant RVKW, for example in the form of a gas and steam power plant GuD, which is operated with the SNG stored in the natural gas network (currently on the balance sheet).
  • a combined cycle plant uses gas turbines and subsequent steam turbines and thus achieves an efficiency for electrical energy generation of up to 60%.
  • the RVKW uses the oxygen obtained from the electrolysis instead of air for combustion.
  • the C0 2 separation from the flue gas is greatly simplified.
  • the RVKW feeds electricity into the DSN power grid when stabilization is required.
  • the separated C0 2 is stored in a 30 bar pressure accumulator for time-shifted use in methane synthesis.
  • the storage volume depends on the size of the storage capacity.
  • Power storage unit SSE The electricity to be stored is used to generate hydrogen and oxygen using electrolysis.
  • the oxygen is stored in a pressure accumulator for time-shifted use in RVKW.
  • the hydrogen generated is used to produce methane in a synthesis system at 30 bar and at 300 ° C.
  • the methane is fed into the natural gas network as synthetic natural gas SNG.
  • devices 1 according to the present invention are installed distributed over a large area.
  • non-fossil waste heat is produced to a greater extent. It can be used locally, which significantly improves the overall efficiency of the method.
  • FIG. 1 shows the scope of equipment and the material flows of the 100 MW / 1 GWh electricity storage unit mentioned as an exemplary embodiment, the process engineering and apparatus engineering design of the example for a storage unit with 100 MW ei installed power and 1 GWh ei capacity occurs.
  • the solar energy falling on the earth could not be stored without using C0 2 .
  • the plants emit C0 2 for their metabolism maintain their functionality when the sun is not shining.
  • so much solar energy is stored in the biomass with C0 2 that ultimately all of civilization is nourished with it.
  • the life energy of civilization - and of course that for flora and fauna - comes about through the use of solar radiation with the participation of C0 2 .
  • the natural gas network is a large technical coal-hydrogen system, a storage system such as biomass in nature, in which methane synthesized from solar-generated electricity and C0 2 is stored and removed when electricity is required.
  • the C0 2 generated during the re-conversion is retained for reuse in the methane synthesis.
  • the need for storage is evident.
  • the electric current obtained from renewable energies such as B. solar radiation by means of photovoltaic systems, from wind by means of wind energy systems, from running water by means of hydropower plants is volatile or fluctuating. Generation is affected by the naturally occurring daily and seasonal as well as weather-related, overall considerable fluctuations in the performance of the respective renewable energy sources.
  • the problem of an unstable power supply becomes more serious the further the share of electricity from renewable energies increases. Given the goal in Germany of at least 95% of all sectors by 2050, the problem is serious.
  • Wind turbines and photovoltaic systems are coming so that they have to be curtailed so as not to endanger the stability of the grid. Such a procedure is costly, as can already be seen, since unused electricity is remunerated on a legal basis.
  • the electricity requirement remains at the value of 654 TWh. It can be assumed that the energy efficiency of the electricity application will increase by at least 50% and that the use of electricity will be available within this framework.
  • the full load hours of all power plants, in particular the renewable energy power plants, from 2017 were then used consistently to map the ratio of generation to installed capacity. The situation can improve somewhat as the offshore share of wind turbines increases.
  • Storage systems play an essential role in security of supply, which increasingly strengthens the stability of the electricity network (DSN) against the growing volatility of electricity generation must secure from renewable energies.
  • DSN electricity network
  • rates of increase for the performance of the storage facilities were set in line with the required increase in generation from renewable energies.
  • the only storage technology that can comprehensively secure this throughout Germany - here for the example of Germany - is the existing natural gas network as a storage facility for the SNG and from which it can be extracted throughout Germany for re-generation. It is able to store 80 TWh of SNG obtained from 130 TWh of storage electricity, for example from renewable energies.
  • a basic conclusion - no matter what storage structure is involved - is that the electricity generation system must have higher generation capacities than would be needed for consumption to cover the storage losses.
  • the systems according to the invention for storing electrical energy in a hydrocarbon comprise two essential components, the reverse-conversion unit RSE and the electricity storage unit SSE:
  • the RSE comprises a RVKW reconversion power plant, in particular a combined cycle gas and steam power plant, which uses SNG (in the balance sheet, practically with natural gas) to generate the storage output electricity from the re-generation and for feeding into the DSN power grid from the existing natural gas network storage .
  • SNG in the balance sheet, practically with natural gas
  • the CO 2 required for methane synthesis is separated from the flue gas from the reconversion power plant.
  • the separation can be made simple if the RVKW is operated instead of combustion air from the environment with pure oxygen or preferably in the sense of the present invention with artificial air, a substitute air.
  • the Replacement air consists of oxygen, mixed with C0 2 to be circulated. The oxygen for this comes from the electrolysis of the SSE described below.
  • the C0 2 is stored in the RSE in a pressure accumulator because of the reduction in volume and also because of the working pressure of 30 bar required for methane synthesis.
  • the SSE the electricity storage system, consists of a pressure electrolysis system that generates hydrogen (and oxygen) at a pressure of 30 bar from the electricity to be stored.
  • the hydrogen is used in the SNG synthesis plant (also as
  • Methane synthesis plant was synthesized together with C0 2 from the storage of RSE methane and, after conditioning, was fed into the NGN natural gas network to the extent required.
  • the SSE also includes a 30 bar pressure accumulator for the oxygen obtained, which is used in the RSE described above. There can also be an excess of oxygen K4.1 which is used for further technical use.
  • the RSE obtains its operating energy from the NGN natural gas network, which is used as a storage facility, feeds electricity into the DSN power network as required and can emit waste heat, especially if the RVKW is operated in a combined heat and power mode.
  • 40% based on current state-of-the-art efficiency
  • SSE and RSE can be installed together in one place or in close proximity. But in an alternative embodiment it is also sensible to set up the SSE separately from the RSE and to transport the C0 2 , preferably via a line, from the RSE to the SSE. Likewise, a 0 2 line must then be routed from the SSE to the RSE. It must be decided on a project-related basis where the C0 2 memory should be in this case. Separation is particularly appropriate if the extensive waste heat from electrolysis (20 - 30% at low temperature) and from the exothermic synthesis (20 - 30% at 300 ° C) can be used well at the chosen location. This is of great advantage for economical operation of the system and also improved energy efficiency.
  • the RSE comprises the main components K1 and K2, the SSE the main components possibly K2 and K3, K4 and K5 as shown in FIG. 1.
  • the course of the operation is shown in FIG. 1 by dashed lines.
  • the RSE is running because there is a need for power feed-in in the DSN power grid.
  • NG is taken from the NG network
  • 0 2 which originates from the SSE and has been stored, is taken from the 0 2 memory K3.
  • C0 2 is separated from the flue gas of the CCG K1 and fed to the C0 2 storage K2, where it is stored under pressure for later use in the SSE. In this case, the SSE is not in operation.
  • the C0 2 can first be added to the combustion in the RSE and circulated.
  • Electrolysis 0 2 and H 2 are obtained from electricity, each of which can be temporarily stored in a buffer memory K2, K4.2. Methane is synthesized from the C0 2 memory K2 with the H 2 obtained in the SNG synthesis plant K5 and stored in the NGN.
  • the devices 1 according to the invention for stabilizing a power network should cover a larger area, eg. B. Germany, distributed and built with module sizes of up to 100 MW ei power conversion.
  • GW would be for a required storage capacity of 30 300 systems of the invention for storing electrical energy in a hydrocarbon, each of 100 MW ei required.
  • a number of these can be formed from already existing gas power plants, to which the electricity storage units SSE are provided in the sense of the invention or are erected elsewhere.
  • the combustion calculation for a CCGT K1 with an efficiency of 62% results in a demand of 162 MW therm / h, for which 14,600 Nm 3 / h natural gas are consumed.
  • the exhaust gas consists of 14,600 Nm 3 C0 2 / h and 29,208.27 Nm 3 / h H 2 0 steam, which can be condensed and reused for 23.5 m 3 / h water electrolysis is K4.
  • the heat of condensation can be used in the process or for external heat consumers. It is intended to store the water in a condensed water storage K1.1 and to keep it ready for the aforementioned use.
  • the C0 2 separated from the combustion exhaust gas of the CCG K1 is compressed to the synthesis pressure of 30 bar and stored in the C0 2 memory K2, e.g. B. in a disc gas storage. At 30 bar the necessary intermediate storage volume of the C0 2 is reduced to approx. 4,400 m 3 / h.
  • This stored C0 2 forms the basis for the synthesis of SNG. If the C0 2 storage K2 is designed for a feed capacity of 1 GWh, a total C0 2 storage volume of 44,000 m 3 is required. The required C0 2 storage K2 would have an edge length of 35 m as a cube, a diameter of 44 m as a ball or a diameter of 40 m at a height of 35 m as a cylinder.
  • the oxygen produced in the electrolysis K4 is used, for example, for a pure oxy-fuel combustion process or for combustion in a substitute air, which consists of a mixture of oxygen (0 2 ) with C0 2 , in the CCG K1. Above all, the C0 2 separation is greatly simplified compared to combustion with ambient air.
  • the oxygen comes from the electrolysis plant K4, preferably configured as pressure electrolysis, and is under a pressure of at least 30 bar.
  • a memory K3 for the oxygen that is as large as that for the C0 2 is therefore required.
  • the main components K1 and K4 give off waste heat for further use.
  • Ki, i 1 ... 5 - main component
  • RVKW reverse electricity generation plant

Abstract

The invention relates to a method, a device (1) and a system for stabilizing an electricity grid, wherein the grid is stabilized by equalizing the generation and consumption of electrical energy by withdrawing excess electrical energy from the electricity grid (DSN), converting same into a storable energy source and storing same, on the one hand, and reconverting the stored energy source and feeding said energy into the electricity grid (DSN), on the other hand. According to the invention, in the event of the electrical energy generated being greater than consumption, the energy is converted and stored in chemical form as at least one hydrocarbon, as a storable chemical energy source, using carbon dioxide (CO2), formed in a preceding cycle by reconversion, wherein the at least one hydrocarbon is synthesized using the carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2) which is obtained by electrolysis from water (H2O) using the electrical energy to be stored.

Description

Verfahren und Einrichtung sowie System zur Stabilisierung eines Stromnetzes Method and device and system for stabilizing a power grid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stabilisierung eines Stromnetzes, wobei die Stabilisierung durch einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch von Elektroenergie mittels Entnahme überschüssiger Elektroenergie aus dem Stromnetz, deren Wandlung in einen speicherbaren Energieträger und dessen Speicherung einerseits, und eine Rückverstromung des gespeicherten Energieträgers und Einspeisung in das Stromnetz andererseits erfolgen. Die Erfindung betrifft auch ein System zur Stabilisierung eines Stromnetzes. Als Stromnetz wird eine Einrichtung zur Durchleitung und Verteilung von Elektroenergie bezeichnet. The invention relates to a method and a device for stabilizing a power grid, the stabilization by balancing the generation and consumption of electrical energy by removing excess electrical energy from the power grid, converting it into a storable energy carrier and storing it, and converting the stored energy carrier back into electricity and feeding into the power grid on the other hand. The invention also relates to a system for stabilizing a power network. A facility for the transmission and distribution of electrical energy is referred to as a power network.
Mit der Energiewende wird die Elektroenergieerzeugung vollständig auf die Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen umgestellt, ohne weiter C02 zu emittieren. Diese Stromerzeugung ist volatil in Hinsicht auf Tageszeit, Wetter und Saison. Gegenwärtig gibt es einen bestimmten täglichen Stromverbrauch und es muss dazu eine bestimmte Menge und Erzeugungs-Leistung zur Verfügung stehen. With the energy turnaround, electrical power generation will be completely switched to generation from renewable energy sources without further emitting C0 2 . This electricity generation is volatile in terms of time of day, weather and season. There is currently a certain daily electricity consumption and a certain amount and generation capacity must be available for this.
Es ergeben sich stunden- oder auch tageweise Situationen, in denen die Strom- Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen den Bedarf nicht abdecken kann (z. B. während Dunkelflauten, Windflauten oder technischen Störungen in der Erzeugung). Auch gibt es Zeiten, in denen eine zu große Menge Elektroenergie erzeugt wird, sodass Erzeugungsanlagen zur Reduzierung ihrer Leistung abgeregelt werden müssen, was die Effizienz der Erzeugungsanlagen verschlechtert und es ggf. auch zu Entschädigungskosten für nicht erzeugten Strom kommt. Hourly or daily situations arise in which the generation of electricity from renewable energy sources cannot meet the demand (e.g. during dark drafts, wind drafts or technical disruptions in generation). There are also times when too much electrical energy is generated, so that generating plants have to be curtailed to reduce their output, which worsens the efficiency of the generating plants and may also result in compensation costs for electricity that is not generated.
Um eine stabilere Versorgung zu erreichen, kann auch von intelligenten Stromnetzen und intelligenten Verbrauchsgeräten der Verbrauch entsprechend dem momentanen Strom-Angebot ausgerichtet werden. Das reicht aber nicht aus, um z. B. Dunkelflauten zu überbrücken. In order to achieve a more stable supply, the consumption of intelligent power grids and intelligent consumer devices can also be adjusted according to the current power supply. But that is not enough to e.g. B. to bridge dark doldrums.
Die physikalische Speicherung z. B. in Pumpspeicherwerken ist eine effiziente Möglichkeit, insbesondere mit Speicherseen in Norwegen und den Alpenländern, jedoch sind die dafür geeigneten Standorte nur begrenzt verfügbar. Weiterhin existieren Möglichkeiten zur chemischen Speicherung von Elektroenergie in Akkumulatoren, auch als Batterien bezeichnet. Ausgeführt als große Pufferspeicher können sie die anstehenden Aufgaben jedoch nicht lösen, da mit ihnen das erforderliche Speicher-Volumen zur Stromnetzstabilisierung nicht einmal näherungsweise erreicht werden kann. Sie finden ihren gut geeigneten Einsatz bei der notwendigen Kurzzeit-Regelung im Stromnetz. Für die Kurzzeitspeicherung kommen verstärkt auch als Super-Cap bezeichnete hochkapazitative Kondensatoren zum Einsatz. Auch diese können das erforderliche Speichervolumen für eine grundsätzliche Stabilisierung des Stromnetzes nicht ansatzweise erfüllen. The physical storage z. B. in pumped storage plants is an efficient option, especially with storage lakes in Norway and the Alpine countries, but the suitable locations are only available to a limited extent. There are also possibilities for chemical storage of electrical energy in accumulators, also known as batteries. Implemented as large buffer storage units, however, they cannot solve the tasks at hand, since the storage volume required to stabilize the power grid cannot even be approximately achieved with them. You will find their suitable use at necessary short-term regulation in the power grid. For short-term storage, high-capacitance capacitors, also known as super-caps, are increasingly being used. These cannot even begin to meet the storage volume required for a fundamental stabilization of the power grid.
Es ist auch vorgesehen, über leistungsstarke Stromleitungen im Inland oder mit Nachbarländern (z. B. NordLink mit Norwegen) durch einen Austausch von erneuerbar erzeugtem Strom zur Stabilität beizutragen. Der Austausch sieht die Abgabe von Überschüssen und die Übernahme von Strom zur Deckung von Versorgungslücken im Inland vor. Ein solches System ist sehr kostenintensiv wegen Leitungslängen von bis 500 km und der reale Speicher-Gesamtwirkungsgrad liegt auch nur bei 50 %. It is also planned to contribute to stability via high-performance power lines in Germany or with neighboring countries (e.g. NordLink with Norway) by exchanging renewable electricity. The exchange provides for the transfer of surpluses and the takeover of electricity to cover supply gaps in Germany. Such a system is very expensive due to cable lengths of up to 500 km and the real overall storage efficiency is only 50%.
Die vorgenannten technischen Lösungen reichen nicht aus, denn um die Stabilisierung des Stromangebots durch Speicherung im erforderlichen Maß zu sichern, gehen Prognosen von einem Speicherbedarf von ca. 40 % des Jahresverbrauchs aus, also von ca. 60 TWh, bei einer erforderlichen Spitzenerzeugungsleistung von 30 GW. Großvolumige Speicher sind daher unumgänglich. The above-mentioned technical solutions are not sufficient, because in order to secure the stabilization of the electricity supply through storage to the required extent, forecasts assume a storage requirement of approx. 40% of the annual consumption, i.e. approx. 60 TWh, with a required peak generation capacity of 30 GW . Large-volume storage is therefore essential.
Deshalb ist Verfahren, mit denen in großen Mengen elektrische Energie in Form von chemischer Energie speicherbar ist, der Vorzug zu geben. Ausgangspunkt ist die Herstellung von Wasserstoff als Energieträger, jedoch sind Speicherung und Transport aufwändig und mit Risiken verbunden. Die spezifische Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich z. B. zu Methan ist sehr gering. Es gibt dafür gegenwärtig und auch zukünftig auch nicht die erforderlichen großen Wasserstoff-Speicher. Therefore, preference is to be given to methods with which electrical energy can be stored in the form of chemical energy in large quantities. The starting point is the production of hydrogen as an energy source, but storage and transport are complex and involve risks. The specific energy density of hydrogen in comparison z. B. to methane is very low. The large hydrogen storage facilities required for this currently and in the future do not exist.
Verfahren, die auf dem aus Strom gewonnenen Wasserstoff aufsetzen und unter Verwendung von C02 nach dem Sabatier-Prozess Methan oder anderweitig auch Methanol bzw. andere Kohlenwasserstoffe synthetisieren, stellen eine nachhaltig zielführende Lösung zur Speicherung von elektrischem Strom dar. Processes that are based on the hydrogen obtained from electricity and synthesize methane or other methanol or other hydrocarbons using C0 2 using the Sabatier process, represent a sustainable, targeted solution for storing electrical current.
Ein Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie ist aus der Druckschrift DE 10 2012 105 736 A1 bekannt. Die vorgeschlagene Lösung ist darauf ausgelegt, Strom aus erneuerbaren Energien in einen chemischen Energieträger unter Nutzung von C02 aus den Abgasen eines Braunkohlekraftwerks zu speichern. Dies erfolgt aber letztlich nicht im Zusammenhang mit der Stabilisierung des Stromnetzes, sondern zur Minderung der spezifischen C02-Emissionen des Braunkohlekraftwerks. Dieses Verfahren zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von in einer technischen Anlage gebildeten Kohlendioxids ist dadurch gekennzeichnet, dass beigestellt zu der technischen Anlage eine Synthese von wenigstens einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, unter Verwendung von Kohlendioxid, Wasser und Elektroenergie erfolgt. Mit dem Kohlenwasserstoff wird Elektroenergie in chemischer Form gespeichert. Aber bei dessen Verbrennung in dem beschriebenen Verfahren wird letztlich wieder fossiles C02, wenn auch bilanziell weniger, freigesetzt. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass die technische Anlage als C02-Quelle zur Funktion des vorgeschlagenen Verfahrens zwingend erforderlich ist. Das C02 entsteht in der technischen Anlage aus der Verbrennung fossiler Energieträger. Andere nennenswerte C02-Quellen sind nicht verfügbar und insbesondere die Gewinnung aus der Umgebungsluft stellt wegen des äußerst geringen Gehalts an C02 und des daraus resultierenden hohen Aufwands keine technisch sinnvolle und energetisch sowie wirtschaftlich effiziente Alternative dar. Im Zuge der Umstellung der Stromversorgung auf erneuerbare Quellen werden solche technischen Anlagen, die fossile Energieträger verbrennen, nicht mehr Teil des Energieversorgungssystems sein. A method for storing electrical energy is known from the publication DE 10 2012 105 736 A1. The proposed solution is designed to store electricity from renewable energies in a chemical energy source using C0 2 from the exhaust gases of a lignite-fired power plant. Ultimately, however, this does not take place in connection with the stabilization of the power grid, but to reduce the specific CO 2 emissions of the lignite-fired power plant. This procedure for Storage of electrical energy in a hydrocarbon using carbon dioxide formed in a technical system is characterized in that, in addition to the technical system, at least one hydrocarbon, in particular methane, is synthesized using carbon dioxide, water and electrical energy. Electrical energy is stored in chemical form with the hydrocarbon. But when it is burned in the process described, fossil CO 2 is ultimately released, albeit less on the balance sheet. A disadvantage of this solution, however, is that the technical system as a C0 2 source for the function of the proposed method is absolutely necessary. The C0 2 is created in the technical system from the combustion of fossil fuels. Other noteworthy C0 2 sources are not available and, in particular, the extraction from the ambient air is not a technically sensible and energetically and economically efficient alternative due to the extremely low content of C0 2 and the resulting high expenditure. In the course of switching the power supply to renewable Such technical systems that burn fossil fuels will no longer be part of the energy supply system.
Daraus resultiert ein erhebliches Problem für alle Konzepte, die auf die Speicherung von überschüssiger Elektroenergie aus fluktuierenden Quellen in Form von einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Methangas, gerichtet sind, da C02-Quellen genutzt werden, von denen immer noch Emissionen von C02 aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe ausgehen. This results in a considerable problem for all concepts that are aimed at storing excess electrical energy from fluctuating sources in the form of a hydrocarbon, in particular methane gas, since C0 2 sources are used, of which emissions of C0 2 from combustion are still present run out of fossil raw materials.
Zwar existieren zur Umgehung dieses Problems auch Konzepte für eine Kreislaufführung des C02, wie beispielsweise in der Druckschrift US 5 711 770 A beschrieben. Dort wird C02, abgeschieden aus dem Rauchgas einer Verbrennungsanlage, genutzt, um danach mit Wasserstoff aus einer Elektrolyseanlage Methan zu synthetisieren. Die Verbrennungsanlage nutzt einen Kohlenwasserstoff zur Stromerzeugung. Das so erzeugte Methan wird dann wieder zur Energieerzeugung genutzt, aus deren Verbrennung dann sauberes Abgas, das aber fossiles C02 enthält, emittiert wird. To avoid this problem, there are also concepts for circulating the C0 2 , as described, for example, in the publication US Pat. No. 5,711,770 A. There, C0 2 , separated from the flue gas of an incineration plant, is used to subsequently synthesize methane with hydrogen from an electrolysis plant. The incinerator uses a hydrocarbon to generate electricity. The methane generated in this way is then used again to generate energy, from the combustion of which then clean exhaust gas, which, however, contains fossil CO 2 , is emitted.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung bzw. ein System solcher Einrichtungen zur effizienten und kostengünstigen Stabilisierung eines Stromnetzes anzubieten, wobei die Stabilisierung durch einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch von Elektroenergie erfolgt. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Stromnetzes, wobei die Stabilisierung durch einen Ausgleich erfolgen soll, indem bedarfsgerecht bei Überkapazität Strom entnommen und nach Zwischenspeicherung bei Mangel eingespeist wird. Einerseits wird dazu überschüssiger Strom, der von Stromerzeugern über den Bedarf bzw. den Verbrauch hinaus produziert wurde, aus dem Stromnetz entnommen und in einen speicherbaren chemischen Energieträger umgewandelt. Als Energieträger ist nach der Erfindung ein Kohlenwasserstoff, vorrangig Methan vorgesehen. Dessen Speicherung erfolgt auf einfache Weise und ohne zusätzliche Investitionen in dem aufnahmefähigen, bereits vorhandenen Erdgasnetz, der als ein Großspeicher fungiert. Anderseits erfolgen bei durch die vorhandenen Erzeuger wegen Minderleistung bzw. erhöhtem Bedarf nicht mehr abdeckbaren Strombedarfs mittels Einspeisung von Strom, gewonnen durch Rückverstromung aus dem abgespeicherten chemischen Energieträger aus dem Großspeicher. Dabei wird die Emission von C02 vermieden. It is therefore an object of the present invention to offer a method and a device or a system of such devices for the efficient and cost-effective stabilization of a power grid, the stabilization taking place by balancing the generation and consumption of electrical energy. The object is achieved by a method for stabilizing a power grid, the stabilization being to take place by means of compensation, in that current is drawn as needed in the event of overcapacity and fed in after a temporary storage in the event of a shortage. On the one hand, surplus electricity that was generated by electricity producers in excess of demand or consumption is taken from the power grid and converted into a storable chemical energy source. According to the invention, a hydrocarbon, primarily methane, is provided as the energy source. It is stored in a simple manner and without additional investment in the receptive, already existing natural gas network, which functions as a large storage facility. On the other hand, in the case of electricity requirements which can no longer be covered by the existing producers because of underperformance or increased demand, this is done by feeding in electricity obtained by reconversion from the stored chemical energy source from the large store. The emission of C0 2 is avoided.
Nach der Erfindung erfolgen die Wandlung und die Speicherung der elektrischen Energie, des Stroms, in chemischer Form als wenigstens ein Kohlenwasserstoff unter Verwendung von Kohlendioxid (C02), das in einem vorausgegangenen Zyklus durch Rückverstromung gebildet und bei Erfordernis zwischenzeitlich abgespeichert bzw. zugeführt wurde. Als Rückverstromung wird ein Verbrennungsprozess des Kohlenwasserstoffs mit dem Ziel der Stromerzeugung bezeichnet. Bei der Wandlung des Stroms in den chemischen Energieträger erfolgt eine Synthese des wenigstens einen Kohlenwasserstoffs, dem chemischen Energieträger, unter Verwendung des Kohlendioxids (C02) und von Wasserstoff (H2). Der Wasserstoff (H2) wird in einem Elektrolyseverfahren aus Wasser (H20) unter Einsatz der zu speichernden, überschüssigen Elektroenergie gewonnen. According to the invention, the conversion and storage of the electrical energy, the electricity, takes place in chemical form as at least one hydrocarbon using carbon dioxide (C0 2 ), which was formed in a previous cycle by back-conversion and, if necessary, has been temporarily stored or supplied. Back-conversion is a process of combustion of the hydrocarbon with the aim of generating electricity. When the current is converted into the chemical energy carrier, the at least one hydrocarbon, the chemical energy carrier, is synthesized using carbon dioxide (C0 2 ) and hydrogen (H 2 ). The hydrogen (H 2 ) is obtained from water (H 2 0) in an electrolysis process using the excess electrical energy to be stored.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird dabei der in dem Elektrolyseverfahren neben dem Wasserstoff (H2) gleichermaßen anfallende Sauerstoff (02) gespeichert und im zeitlich versetzten Verbrennungsprozess der Rückverstromung an Stelle von Luft aus der Umgebung in der dem Verbrennungsprozess zugeführten Verbrennungsluft eingesetzt. Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung weiterhin eine Konditionierungsanlage für Kohlendioxid (C02), das aus dem Rückverstromungskraftwerk zur Erzeugung von Elektroenergie aus dem Kohlenwasserstoff stammt. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Abscheidungs- und Konditionierungsanlage für den in der Syntheseeinrichtung erzeugten Kohlenwasserstoff und einen Kohlenwasserstoffspeicher zu dessen Zwischenspeicherung, insbesondere vor der Verbrennung im Rückverstromungskraftwerk bei Strombedarf. Es ist auch eine Einrichtung zur Zuführung von zumindest dem Kohlenwasserstoff und synthetisiertem Sauerstoff (02) aus der Elektrolyse zu dem Rückverstromungskraftwerk vorgesehen, zur Verbrennung des gebildeten Kohlenwasserstoffs unter Verwendung des synthetisierten Sauerstoffs (02) geeignet ist. According to an advantageous further development, the oxygen (0 2 ) which is equally produced in the electrolysis process in addition to the hydrogen (H 2 ) is stored and used in the staggered combustion process of the re-conversion into air instead of air from the environment in the combustion air supplied to the combustion process. Advantageously, the device according to the invention further comprises a conditioning system for carbon dioxide (C0 2 ), which from the Back-conversion power plant for the generation of electrical energy from the hydrocarbon. According to a further advantageous embodiment, the device according to the invention comprises a separation and conditioning system for the hydrocarbon generated in the synthesis device and a hydrocarbon store for its temporary storage, in particular before the combustion in the reconversion power plant when electricity is required. A device is also provided for supplying at least the hydrocarbon and synthesized oxygen (0 2 ) from the electrolysis to the reconversion power plant, which is suitable for burning the hydrocarbon formed using the synthesized oxygen (0 2 ).
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Einrichtung zur Rückführung eines Teils des Kohlendioxids (C02) zum Ersatz des entsprechenden Anteils Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft für die Verbrennung des gespeicherten Kohlenwasserstoffs neben dem Sauerstoff (02) in dem Rückverstromungskraftwerk vorgesehen. Der Verbrennungsluft wird ein Anteil C02 beigemischt, sodass diese im besonders vorteilhaften Fall nur aus Sauerstoff (02) und Kohlendioxid (C02) besteht. Der Anteil wird so gewählt, dass er für die eingesetzte Verbrennungsanlage zur Sicherung der Arbeitsweise günstig ist. Das C02 wird dabei in der Verbrennungsanlage im Kreislauf gefahren, indem es aus dem Abgas abgeschieden und dem Verbrennungsprozess zugesetzt wird. Mit dieser künstlichen C02-Verbrennungsluft wird die erforderliche Abscheidung von C02 aus dem Verbrennungsabgas energetisch und apparativ erheblich erleichtert. Der Ersatz von sonst in der Verbrennungsluft mit über 70 Vol.-% vorhandenen Stickstoffs durch C02 hat den Vorteil, dass der Luftstickstoff nicht mehr Bestandteil der Verbrennungsluft ist und im Rauchgas nur noch C02, H20 und andere geringfügig vorhandene Verbrennungsgase vorliegen. Die Abscheideanlage für das C02 kann dann wegen fehlender Fremdgase (z. B. kein NO*) viel einfacher ausgeführt werden und hat dann voraussichtlich nur noch etwa 1/10 an Investitionsbedarf im Vergleich zu derjenigen, die mit dem natürlichen Stickstoffanteil der Luft arbeitet. According to a further advantageous development, a device for recycling a portion of the carbon dioxide (C0 2 ) to replace the corresponding portion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air for the combustion of the stored hydrocarbon in addition to the oxygen (0 2 ) is provided in the reconversion power plant. A proportion of C0 2 is added to the combustion air, so that in a particularly advantageous case it only consists of oxygen (0 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ). The proportion is chosen so that it is favorable for the incineration plant used to ensure the functioning. The C0 2 is circulated in the incinerator by separating it from the exhaust gas and adding it to the incineration process. With this artificial C0 2 combustion air, the required separation of C0 2 from the combustion exhaust gas is made considerably easier in terms of energy and equipment. The replacement of nitrogen otherwise present in the combustion air with over 70% by volume by C0 2 has the advantage that the atmospheric nitrogen is no longer part of the combustion air and only C0 2 , H 2 0 and other slightly present combustion gases are present in the flue gas. The separation system for the C0 2 can then be carried out much more simply because of the absence of foreign gases (e.g. no NO * ) and will then probably only have about 1/10 of the investment required compared to that which works with the natural nitrogen content of the air.
Grund für die sehr vereinfachte C02-Abscheidungs-Verfahrenstechnik ist, dass der C02-Partialdruck nach der Auskondensation von H20-Dampf fast 100 % ist. Bei normaler Verbrennung unter Verwendung von Umgebungsluft liegt ein sehr hoher Partialdruck von Stickstoff von bis zu 70 % im Rauchgas vor, der von C02 hingegen nur von ca. 20 %. The reason for the very simplified C0 2 deposition process technology is that the C0 2 partial pressure is almost 100% after the condensation of H 2 0 vapor. With normal combustion using ambient air there is a very high one Partial pressure of nitrogen of up to 70% in the flue gas, that of C0 2, however, only of about 20%.
Ein besonders vorteilhafter Effekt des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin begründet, dass die C02-haltige Ersatzluft, die dem Verbrennungsprozess zugeführt wird, durch den C02-Gehalt eine kühlende Wirkung aufweist. Damit kann über den C02-Anteil die Verbrennungstemperatur derart eingestellt werden, dass diese nicht den für die jeweils verwendete Verbrennungstechnik zulässigen Wert überschreitet. Während für eine Verbrennung allein mit Sauerstoff eine besondere und teure Anlagentechnik erforderlich wird, die die erhöhten Temperaturen im Brennraum ertragen kann, ermöglicht die Erfindung den Einsatz an und die Verknüpfung mit herkömmlicher Verbrennungstechnik, die nicht für hohe Verbrennungstemperaturen nutzbar ist, wie sie beispielsweise bei der Verbrennung mit nahezu reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Verfahren) auftreten. A particularly advantageous effect of the proposed method is based on the fact that the substitute air containing CO 2 , which is fed to the combustion process, has a cooling effect due to the CO 2 content. The combustion temperature can thus be set via the C0 2 component in such a way that it does not exceed the permissible value for the combustion technology used in each case. While a combustion with oxygen alone requires a special and expensive plant technology that can withstand the elevated temperatures in the combustion chamber, the invention enables the use and the connection with conventional combustion technology that cannot be used for high combustion temperatures, such as those used in the Combustion with almost pure oxygen (oxyfuel process) may occur.
Das Rückverstromungskraftwerk weist vorteilhafterweise eine Anlage zur Kraft-Wärme- Kopplung auf. Die Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung ist bevorzugt als ein Gas-und- Dampf-Kraftwerk, eine Verbrennungskraftmaschine wie z. B. ein Gasmotor oder eine Gasturbine zum Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur Verbrennung von Erdgas und Gewinnung von Strom Wärme oder als eine Brennstoffzelleneinrichtung ausgeführt ist. The reconversion power plant advantageously has a plant for combined heat and power. The plant for combined heat and power is preferred as a gas and steam power plant, an internal combustion engine such. B. a gas engine or a gas turbine for use in a combined heat and power plant for the combustion of natural gas and generation of electricity heat or is designed as a fuel cell device.
Vorteilhafterweise liegt der zu speichernde Kohlenwasserstoff gasförmig vor und der Kohlenwasserstoffspeicher ist als eine Gasspeicheranordnung ausgeführt. Es hat sich in dem Zusammenhang als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Gasspeicheranordnung ein bestehendes Erdgasnetz NGN mit zugehörigen, bestehenden Erdgasspeichern umfasst, dem zumindest Methangas zuführt wird. Es könnte zusätzlich ein Anteil Wasserstoff (H2) zugeführt werden, der unmittelbar aus der Elektrolyse stammt. Es bietet sich demnach für eine besonders vorteilhafte Energiespeicherung mit großer Kapazität und ohne wesentliche technische Zusatzeinrichtungen an, das vorhandene, weit verbreitete und mit Gasspeichern (z. B. Kavernen) verbundene Erdgasnetz NGN als Energiespeicher für den erfindungsgemäß gebildeten chemischen Energieträger, vorteilhaft das synthetische Methan SNG, zu verwenden. In dem NGN kann so im Vergleich zu anderen Energiespeichern eine erheblich größere Energiemenge gespeichert werden. Die derzeitig verfügbare Speicherkapazität des NGN kann mit einfachen Mitteln sogar noch erheblich erweitert werden. Mit einer Druckerhöhung um einige mmWS in den vorhandenen Gasspeichern können weitere Energiemengen im Bereich von einem Energieäquivalent in Höhe einiger TWh eingespeichert werden. Als Energieträger zur Speicherung wird deshalb bevorzugt das synthetisierte gasförmige Methan SNG, das aus Wasserstoff (H2) und im Speichersystem verfahrenstechnisch zur Verfügung stehendem Kohlendioxid (C02) synthetisiert wird, verwendet. Der Wasserstoff (H2) stammt aus der Elektrolyse, die mit dem überschüssigen Strom betrieben wird. Weiterhin wird das Kohlendioxid (C02) aus der zeitversetzten notwendigen Rückverstromung von Erdgas bzw. zukünftig zunehmend synthetisiertem gasförmigem Methan SNG in Gaskraftwerken eingesetzt. Das Kohlendioxid (C02) wird vor dem Einsatz in der Verbrennung zwischengespeichert, so dass es nicht zu C02-Emissionen kommt, denn NG ist derzeit im Erdgasnetz NGN in großem Umfang fossilen Ursprungs. Erst später kann - zumindest teilweise und in zunehmendem Maße - Kohlendioxid (C02) auch seinen Ursprung aus erneuerbaren Energiequellen haben. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt zur„Dekarbonisierung“ bei, weil kein weiteres C02 mehr aus den betreffenden technischen Prozessen in die Atmosphäre gelangen wird. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zurThe hydrocarbon to be stored is advantageously in gaseous form and the hydrocarbon store is designed as a gas storage arrangement. In this context, it has proven to be particularly advantageous if the gas storage arrangement comprises an existing natural gas network NGN with associated, existing natural gas stores, to which at least methane gas is supplied. A portion of hydrogen (H 2 ) that comes directly from the electrolysis could also be added. It is therefore appropriate for a particularly advantageous energy storage with large capacity and without essential technical additional devices, the existing, widespread NGN natural gas network connected to gas storage (e.g. caverns) as an energy storage for the chemical energy carrier formed according to the invention, advantageously synthetic methane SNG to use. In comparison to other energy stores, the NGN can store a considerably larger amount of energy. The currently available storage capacity of the NGN can with simple means can even be expanded considerably. With a pressure increase of a few mmWS in the existing gas storage facilities, additional amounts of energy in the range of an energy equivalent in the amount of a few TWh can be stored. The synthesized gaseous methane SNG, which is synthesized from hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ) that is available in the storage system, is therefore preferably used as the energy source for storage. The hydrogen (H 2 ) comes from the electrolysis, which is operated with the excess electricity. Furthermore, the carbon dioxide (C0 2 ) from the time-shifted necessary re-conversion of natural gas or in the future increasingly synthesized gaseous methane SNG will be used in gas power plants. The carbon dioxide (C0 2 ) is temporarily stored in the combustion process so that there are no C0 2 emissions, because NG is currently fossil in the NGN natural gas network to a large extent. Only later, at least partially and increasingly, can carbon dioxide (C0 2 ) also originate from renewable energy sources. The method according to the invention contributes to “decarbonization” because no further CO 2 from the technical processes concerned will get into the atmosphere. Another aspect of the present invention relates to a device for
Stabilisierung eines Stromnetzes, wobei die Stabilisierung durch einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch von Elektroenergie mittels Entnahme überschüssiger Elektroenergie aus dem Stromnetz und Wandlung in einen speicherbarenStabilization of a power grid, the stabilization by balancing the generation and consumption of electrical energy by removing excess electrical energy from the power grid and converting it into a storable one
Energieträger und dessen Speicherung einerseits und eine Rückverstromung des gespeicherten Energieträgers und Einspeisung in das Stromnetz andererseits vorgesehen sind. Nach der Erfindung sind zur Wandlung der Elektroenergie in einen Kohlenwasserstoff eine Elektrolyseeinrichtung für zumindest die Erzeugung von Wasserstoff (H2), ein Syntheseapparat, bevorzugt ausgeführt als eine Anlage zur Methan-Synthese, für die Erzeugung wenigstens eines Kohlenwasserstoffs, bevorzugt Methan, unter Verwendung des Wasserstoffs (H2) und des Kohlendioxids (C02) vorgesehen. Weiterhin ist ein Rückverstromungskraftwerk zur Erzeugung des Stroms vorgesehen, der bei Bedarf in das Stromnetz zu dessen Stabilisierung eingespeist wird. Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung umfasst weiterhin eine Konditionierungsanlage für Kohlendioxid (C02) aus dem Rückverstromungskraftwerk zur Erzeugung von Elektroenergie aus dem Kohlenwasserstoff, eine Abscheidungs- und Konditionierungsanlage für den erzeugten Kohlenwasserstoff und/oder einen Kohlenwasserstoffspeicher NGN. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Zuführung von zumindest dem Kohlenwasserstoff und synthetisiertem Sauerstoff (02) zu dem zur Verbrennung des gebildeten Kohlenwasserstoffs unter Verwendung des synthetisierten Sauerstoffs (02) geeigneten Rückverstromungskraftwerk vorgesehen. Energy carriers and their storage on the one hand and a re-conversion of the stored energy carrier and feed into the power grid on the other hand are provided. According to the invention, for the conversion of electrical energy into a hydrocarbon, an electrolysis device for at least the production of hydrogen (H 2 ), a synthesis apparatus, preferably designed as a plant for methane synthesis, for the production of at least one hydrocarbon, preferably methane, using the Hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ) provided. Furthermore, a re-generation power plant is provided for generating the electricity, which is fed into the power grid to stabilize it if necessary. An advantageous embodiment of the device according to the invention further comprises a conditioning system for carbon dioxide (C0 2 ) from the Back-conversion power plant for the generation of electrical energy from the hydrocarbon, a separation and conditioning system for the hydrocarbon produced and / or a hydrocarbon storage NGN. Furthermore, a device is provided for supplying at least the hydrocarbon and synthesized oxygen (0 2 ) to the reverse power generation plant suitable for combustion of the hydrocarbon formed using the synthesized oxygen (0 2 ).
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Einrichtung zur Rückführung eines Teils des Kohlendioxids (C02) zum Ersatz des entsprechenden Anteils Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft für die Verbrennung des Kohlenwasserstoffs neben dem Sauerstoff (02) in dem Rückverstromungskraftwerk vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Kohlenwasserstoffspeicher NGN als eine Gasspeicheranordnung ausgeführt. Insbesondere ist Methan als Kohlenwasserstoff vorgesehen und das Rückverstromungskraftwerk weist eine Anlage zur Kraft-Wärme- Kopplung auf. Besonders bevorzugt ist die Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung als ein Gas-und-Dampf-Kraftwerk, ein Blockheizkraftwerk zur Verbrennung von Erdgas oder eine Brennstoffzelleneinrichtung ausgeführt ist. Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Gasspeicheranordnung ein bestehendes Erdgasnetz NGN mit bestehenden Erdgasspeichern umfasst, dem zumindest Methan zuführt wird. According to a further advantageous embodiment, a device for recycling a portion of the carbon dioxide (C0 2 ) to replace the corresponding portion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air for the combustion of the hydrocarbon is provided in addition to the oxygen (0 2 ) in the re-generation power plant. The hydrocarbon storage NGN is preferably designed as a gas storage arrangement. In particular, methane is provided as the hydrocarbon and the reconversion power plant has a plant for combined heat and power. The plant for cogeneration is particularly preferably designed as a gas and steam power plant, a combined heat and power plant for the combustion of natural gas or a fuel cell device. It has also proven to be advantageous if the gas storage arrangement comprises an existing NGN natural gas network with existing natural gas storage, to which at least methane is supplied.
Das erfindungsgemäße System zur Stabilisierung eines Stromnetzes stellt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dar und umfasst eine Vielzahl von Einrichtungen zur Stabilisierung eines Stromnetzes, die jeweils die Strom- Speichereinheit SSE und die Rückverstromungseinheit RSE umfassen. Das erfindungsgemäße Systems besteht somit aus dem Verbund von flächig verteilten Elementen der Stromspeicherung SSE und von zugehörigen Elementen der Rückverstromung RSE, die in ein Stromnetz, beispielsweise das deutschlandweite Stromnetz DSN, eingebunden sind, das auch noch international mit anderen Ländern verknüpft ist, sowie an das Erdgasnetz NGN, das auch noch international mit den Erdgasnetzen anderer Länder verknüpft ist. The system according to the invention for stabilizing a power grid represents a further aspect of the present invention and comprises a large number of devices for stabilizing a power grid, each of which comprises the power storage unit SSE and the back-conversion power unit RSE. The system according to the invention thus consists of the combination of flatly distributed elements of the electricity storage SSE and associated elements of the reverse electricity generation RSE, which are integrated into a power network, for example the Germany-wide power network DSN, which is also internationally linked with other countries, and to that NGN natural gas network, which is also internationally linked to the natural gas networks of other countries.
Darüber hinaus sind die SSE und RSE über eine übergeordnete klassische oder Internetkommunikation verbunden und wirken bei der Regulierung der Stabilität des gesamten Stromnetzes aktiv mit. In jeder der Einheiten kann aus einem Elektroenergieüberschuss zumindest der Kohlenwasserstoff zur Einspeicherung in den Kohlenwasserstoffspeicher, bevorzugt ausgeführt als Erdgasnetz NGN, erzeugt oder bei einem Strombedarf zumindest eingespeicherter Kohlenwasserstoff aus dem Kohlenwasserstoffspeicher entnommen und daraus Elektroenergie zur Einspeisung in das Stromnetz erzeugt werden. In addition, the SSE and RSE are connected via a superordinate classic or Internet communication and actively participate in regulating the stability of the entire power grid. In each of the units, at least the hydrocarbon for storage in the can be from an excess of electrical energy Hydrocarbon storage, preferably designed as a natural gas network NGN, is generated or, if there is a need for electricity, at least stored hydrocarbon is removed from the hydrocarbon storage and electrical energy is generated therefrom for feeding into the power network.
Das NGN wird als großvolumiger Speicher genutzt. Vom DSN wird bei einem Strom- Überschuss elektrischer Strom den SSE zur Speicherung des Stroms in Form von aus Wasserstoff (H2) und anfallenden Kohlendioxid (C02) synthetisierten Methans (SNG) dem NGN zugeführt. Bei Bedarf an Strom im DSN wird Strom durch Rückverstromung aus Erdgas bzw. SNG aus dem NGN gewonnen und in das DSN eingespeist. The NGN is used as a large-volume storage. If there is a surplus of electricity, the DSN supplies the SSE to the NGN to store the electricity in the form of methane (SNG) synthesized from hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (C0 2 ). When electricity is required in the DSN, electricity is generated from natural gas or SNG from the NGN by means of reconversion and fed into the DSN.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Verbund weiterhin, zumindest teilweise, ein C02-Gasnetz für einen Transport des Kohlendioxids (C02) aus dem Rückverstromungskraftwerk zwischen den Einrichtungen des Verbunds und/oder ein Wasserstoffgasnetz für einen Transport des Wasserstoffs (H2) aus der Elektrolyseeinrichtung zwischen den Einrichtungen des Verbunds. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht zumindest teilweise einen C02-Speicher und/oder einen Wasserstoff-Speicher vor, wo die Gase vor oder nach dem Transport oder an günstigen Stellen auf dem Transportweg gespeichert werden können. According to an advantageous further development, the network further comprises, at least in part, a CO 2 gas network for transporting the carbon dioxide (CO 2 ) from the reconversion power plant between the facilities of the network and / or a hydrogen gas network for transporting the hydrogen (H 2 ) from the Electrolysis facility between the facilities of the network. Another advantageous further development provides, at least in part, a C0 2 storage and / or a hydrogen storage, where the gases can be stored before or after transport or at convenient locations on the transport route.
Die RSE besteht in der bevorzugten Ausführung zusammengefasst aus folgenden Basiselementen: The preferred version of the RSE consists of the following basic elements:
• einem passenden Anschluss am NGN zur Entnahme von Gas, Erdgas bzw. SNG, A suitable connection at the NGN for the extraction of gas, natural gas or SNG,
• einem Kraftwerk zur Gewinnung von Strom aus der Nutzung von Gas aus dem NGN mit Anlage für die Nutzung anfallender Abwärme, A power plant for the generation of electricity from the use of gas from the NGN with a plant for the use of waste heat,
• einer Anlage zur Abscheidung von H20 und C02 aus dem Abgas des Kraftwerks bzw. der Verbrennung, A system for separating H 2 0 and C0 2 from the exhaust gas from the power plant or the combustion,
• einem C02-Speicher mit Zuleitung zur SSE, A C0 2 memory with supply line to the SSE,
• einer Saustoffleitung für Sauerstoff aus der Elektrolyse von der SSE zur RSE, · einer Anlage für die Mischung der künstlichen Verbrennungsluft aus Sauerstoff von der Elektrolyse und im Kreislauf gefahrenem C02 aus der Abscheidung; • a oxygen line for oxygen from the electrolysis from the SSE to the RSE, · a system for mixing the artificial combustion air from oxygen from the electrolysis and circulating C0 2 from the separation;
• einem passenden Einspeiseanschluss für Strom an das DSN. • A suitable feed connection for electricity to the DSN.
Die SSE besteht in der bevorzugten Ausführung zusammengefasst aus folgenden Basiselementen: The preferred embodiment of the SSE consists of the following basic elements:
• einem passenden Anschluss zur Stromentnahme aus dem DSN, • einer Anlage zur Wasser-Elektrolyse, A suitable connection for drawing current from the DSN, A plant for water electrolysis,
• einer Anlage zur Methansynthese mit einer Anlage zur Konditionierung von Methangas und einer Anlage zur Auskopplung von hochtemperierter Abwärme zur weiteren Nutzung, A plant for methane synthesis with a plant for conditioning methane gas and a plant for extracting high-temperature waste heat for further use,
· einem Pufferspeicher für Wasserstoff (H2), A buffer storage for hydrogen (H 2 ),
• einem Speicher für Sauerstoff (02) mit Zuleitung zur RSE, A storage for oxygen (0 2 ) with supply line to the RSE,
• einer Zuleitung von C02 vom C02-Speicher der RSE zur SSE, A supply line of C0 2 from the C0 2 memory of the RSE to the SSE,
• einem passenden SNG-Einspeiseanschluss an das NGN. Die RSE und SSE können unmittelbar nebeneinander oder räumlich getrennt, durch Leitungen verbunden, aufgestellt werden, um z. B. die Abwärme lokal einer Nutzung zuzuführen. • A suitable SNG feed connection to the NGN. The RSE and SSE can be set up directly next to each other or spatially separated, connected by cables, to e.g. B. to supply the waste heat locally for use.
Dieser gespeicherte Wasserstoff wird eingesetzt, wenn Methan auf Vorrat synthetisiert und in den großen Speicher Erdgasnetz NGN eingespeichert wird. Die Betriebsweise der zusammengeschalteten SSEs und RSEs wird zentral in Verbund mit der Stromnetz-Regulierung gesteuert. This stored hydrogen is used when methane is synthesized and stored in the large NGN storage facility. The operation of the interconnected SSEs and RSEs is controlled centrally in conjunction with the power grid regulation.
Ziel der Steuerung ist The aim of the control is
· Strom in Form von SNG durch die verbundenen SSE im NGN auf Vorrat abzulegen, · To store electricity in the form of SNG through the connected SSE in the NGN,
• Strom in Form von SNG durch die verbundenen SRE im NGN bei sich ergebenden Stromüberschüssen abzulegen, • to store electricity in the form of SNG through the connected SRE in the NGN in the event of current surpluses,
• Strom bei Bedarf über Rückverstromung von SNG bzw. Methan aus dem NGN über die verbundenen SRE ins Netz einzuspeisen und • Feed electricity into the grid via the connected SRE via the conversion of SNG or methane from the NGN if required
• zu sichern, dass bei der Rückverstromung des SNG im Gaskraftwerk kein C02 emittiert wird. • ensure that no C0 2 is emitted when the SNG is converted back into electricity in the gas power plant.
Die Erfindung stellt daher ein großvolumiges Stromspeicher-System auf Basis von C02 mit minimalen oder komplett ohne C02 Emissionen in die Atmosphäre dar. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt C02 zur Energiespeicherung - ohne dabei zusätzlich C02 auszustoßen. Dabei imitiert das Verfahren natürliche pflanzliche Prozesse, bei denen C02 als Arbeitsstoff zur Energiespeicherung dient. Der zentrale Ansatz ist zum einem, dass bei guter Verfügbarkeit von Wind und Sonne mittels Elektrolyse Wasserstoffgas als Grundstoff für die Synthese von Methangas hergestellt wird. Dem Wasserstoffgas wird Kohlendioxid zugegeben, es entsteht künstliches, synthetisiertes Methangas SNG als ein sehr energiereicher Stoff. Zum anderen wird das künstliche synthetisierte Methan dort gespeichert, wo auch nach dem Stand der Technik schon das Erdgas gespeichert wird: Im vorhandenen Erdgasnetz. Das Erdgasnetz besitzt eine derartig große Speicherkapazität, dass es mühelos noch eine Gasmenge aufnehmen kann, die bei Flaute und bedecktem Himmel in hocheffizienten, gut regelbaren Gas- Kraftwerken klimaneutral rückverstromt werden kann. Das reicht beispielsweise in Deutschland aus, um mindestens zwei Wochen ungünstiges Wetter, das die Erzeugung erneuerbarer Energie einschränkt oder verhindert, zu überbrücken. Und letztlich ist hierbei C02 ein Arbeitsstoff zur Energiespeicherung, wie in der Natur, der im erfindungsgemäßen Speichersystem verbleibt und weder emittiert noch immer neu zugeführt werden muss. The invention therefore represents a large-volume electricity storage system based on C0 2 with minimal or completely no C0 2 emissions into the atmosphere. The method according to the invention uses C0 2 for energy storage - without additionally emitting C0 2 . The process mimics natural plant processes in which C0 2 is used as a working substance for energy storage. The central approach is on the one hand that with good availability of wind and sun by means of electrolysis, hydrogen gas as a raw material for the synthesis of methane gas will be produced. Carbon dioxide is added to the hydrogen gas; artificial, synthesized methane gas SNG is created as a very high-energy substance. On the other hand, the artificially synthesized methane is stored where the natural gas is already stored according to the state of the art: in the existing natural gas network. The natural gas network has such a large storage capacity that it can easily absorb a quantity of gas that can be converted back into a climate-neutral way in highly efficient, easily regulated gas power plants when the sky is calm and the sky is cloudy. In Germany, for example, this is enough to bridge at least two weeks of unfavorable weather that restricts or prevents the generation of renewable energy. And finally, C0 2 is a working substance for energy storage, as in nature, that remains in the storage system according to the invention and does not have to be emitted or constantly added again.
Soweit der Erlös aus dem eingespeicherten Strom und aus der Nutzung der Wärme nicht ausreicht, um das Speicher-System betriebswirtschaftlich kostendeckend zu betreiben, sind die Kosten für die mit dem erfindungsgemäßen System mögliche Regelung und Stabilisierung der Stromnetze anzusetzen. Erst durch eine solche Regelung und Stabilisierung kann erneuerbare Energie trotz fluktuierender Erzeugung den Bedarf auch unter unterschiedlichen Lastbedingungen decken. Insofar as the proceeds from the stored electricity and from the use of heat are not sufficient to operate the storage system economically, the costs for the regulation and stabilization of the electricity networks possible with the system according to the invention are to be recognized. It is only through such regulation and stabilization that, despite fluctuating generation, renewable energy can meet demand even under different load conditions.
Für eine volkswirtschaftliche Gesamtrechnung als Grundlage für eine wirtschaftliche Bewertung müssten folgende Effekte mit eingerechnet werden: The following effects would have to be taken into account for an overall national accounts as the basis for an economic assessment:
• das volkswirtschaftliche Erfordernis zur Stabilisierung der Stromnetze; • the economic need to stabilize power grids;
• verringerte Belastung von Strom-Fernleitungen bzw. der Entfall von Neuanlagen und den entsprechenden Kosteneinsparungen; • Reduced load on power transmission lines or the elimination of new systems and the corresponding cost savings;
• die Strukturwandel- Effekte: Schaffung neuer und Erhaltung bestehender industrieller Arbeitsplätze, Schaffung von Industrie-Perspektiven in den Regionen als Mittel gegen die Abwanderung, Entwicklung einer neuen Exportwirtschaft und nicht zuletzt • The structural change effects: creation of new and preservation of existing industrial jobs, creation of industrial perspectives in the regions as a means against migration, development of a new export economy and last but not least
• erkennbares staatliches Handeln zur Verminderung zunehmender Politikverdrossenheit. • recognizable government action to reduce increasing political disaffection.
Verfahrensverluste fallen in Form von Wärme an, die anderweitig genutzt werden kann. Die beim Verfahren auftretenden Verluste sind somit thermischer Art. Die Erzeugung erfolgt auf Grundlage von aus dem Stromnetz entnommenem Strom, der auf erneuerbaren Energiequellen basiert. Process losses occur in the form of heat that can be used for other purposes. The losses occurring in the process are therefore thermal. The generation takes place on the basis of electricity taken from the power grid, which is based on renewable energy sources.
In gleicher weise ist es hier erforderlich, einen betriebswirtschaftlich effizienten Betrieb der erforderlichen Speicher zu sichern. Dies kann entweder durch angepasste Gaspreise für das gespeicherte SNG erfolgen oder die Speicher werden dem zu stabilisierenden Stromnetz zugeordnet und mit einem Aufschlag auf das Netzentgelt belegt, um so die betriebswirtschaftliche Machbarkeit zu sichern. Netzbetreiber können netztechnische Betriebsmittel Vorhalten, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Elektrizitätsversorgungssystems zu gewährleisten. In the same way, it is necessary to ensure economically efficient operation of the required storage. This can either be done by adjusting the gas prices for the stored SNG or the storage facilities are assigned to the electricity grid to be stabilized and a surcharge is added to the grid fee in order to ensure business feasibility. Network operators can reserve network equipment to ensure the security and reliability of the electricity supply system.
Die wirtschaftliche Situation kann weiter verbessert werden, wenn die zukünftig auch abzuschaltenden, mit fossilem Erdgas arbeitenden Gaskraftwerke umfunktioniert werden zu Rückverstromungs-KW für das erfindungsgemäße Verfahren. Damit würde für eine erfindungsgemäße Anlage ein erheblicher Aufwand für eine neue Anlage bzw. auch Kosten entfallen, was den wesentlichen Effekt der vorliegenden Erfindung darstellt. Allein durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, mit fossilem Erdgas arbeitende Gaskraftwerke umzufunktionieren. Anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und dessen Darstellung in der zugehörigen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. The economic situation can be further improved if the gas power plants that will also be switched off in the future and work with fossil natural gas are converted into re-generation plants for the process according to the invention. This would result in a considerable outlay for a new installation or costs, which represents the essential effect of the present invention. The method according to the invention alone makes it possible to convert gas power plants that work with fossil natural gas. The invention is explained in more detail below on the basis of the description of an exemplary embodiment and its representation in the associated drawing.
Mit einer Prognose wurde für den Zeitraum 2017 bis 2037 in Deutschland dargestellt, welche Stromspeicherkapazitäten erforderlich sind, um das Stromnetz DSN mit den derzeitigen erneuerbare-Energie-Erzeugern mit ihrem fluktuierenden Stromangebot zu stabilisieren. Im Jahr 2037 müssen die Stromspeicher nach dieser Prognose einen Output-Umfang von insgesamt 30 GWei Leistung und 52 TWhe a Kapazität haben. Diese Größenordnung kann nur mit dem riesenhaften Speicher, den das vorhandene Erdgasnetz darstellt, abgedeckt werden. A forecast for the period 2017 to 2037 in Germany showed which electricity storage capacities are required to stabilize the DSN power grid with the current renewable energy producers with their fluctuating electricity supply. In 2037, the power storage must according to this forecast an output totaling 30 GW ei power and 52 TWh e a have capacity. This size can only be covered with the huge storage facility that the existing natural gas network represents.
Wird wegen des Speicher-Umfangs das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von Strom in SNG angewandt, ergibt sich voraussichtlich ein Input- Umfang von 76 GWei und eine Entnahme-Leistung mit einem Umfang von 131 TWhei/a. Am Beispiel eines Speichers als Bestandteil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 100 MWei Leistung und einer Kapazität von 1 GWhei wird das Verfahren illustriert. Ein Speichermodul besteht aus den zwei Komponenten RSE und SSE, die zeitversetzt und ggf. auch räumlich getrennt arbeiten: If the method according to the invention for converting electricity into SNG is used because of the storage volume, an input volume of 76 GW ei and a withdrawal capacity with a volume of 131 TWh ei / a are likely to result. Using the example of a memory as part of an exemplary embodiment of the device according to the invention with 100 MW ei output and a capacity of 1 GWh ei the process is illustrated. A memory module consists of the two components RSE and SSE, which work at different times and, if necessary, also spatially separated:
Rückverstromungseinheit RSE zur Strom-Einspeisung, insbesondere ausgeführt als ein Rückverstromungs-Kraftwerk RVKW, beispielsweise in Form eines Gas-und- Dampf-Kraftwerks GuD, das mit dem im Erdgasnetz abgespeicherten SNG (derzeit bilanziell) betrieben wird. Ein GuD nutzt Gasturbinen sowie sich anschließende Dampfturbinen und erreicht damit einen Wirkungsgrad für die Elektroenergieerzeugung bis zu 60 %. Das RVKW setzt zur Verbrennung den bei der Elektrolyse gewonnen Sauerstoff anstelle von Luft ein. Die C02-Abscheidung aus dem Rauchgas wird damit stark vereinfacht. Das RVKW speist bei Stabilisierungsbedarf Strom in das Stromnetz DSN ein. Das abgeschiedene C02 wird in einem 30-bar-Druckspeicher für die zeitversetzte Nutzung bei der Methan-Synthese abgespeichert. Das Speichervolumen hängt davon ab, für wie hoch die Speicherkapazität ausgelegt werden soll. Retrofit unit RSE for power supply, in particular designed as a retrofit power plant RVKW, for example in the form of a gas and steam power plant GuD, which is operated with the SNG stored in the natural gas network (currently on the balance sheet). A combined cycle plant uses gas turbines and subsequent steam turbines and thus achieves an efficiency for electrical energy generation of up to 60%. The RVKW uses the oxygen obtained from the electrolysis instead of air for combustion. The C0 2 separation from the flue gas is greatly simplified. The RVKW feeds electricity into the DSN power grid when stabilization is required. The separated C0 2 is stored in a 30 bar pressure accumulator for time-shifted use in methane synthesis. The storage volume depends on the size of the storage capacity.
Strom-Speichereinheit SSE: Mit dem abzuspeichernden Strom werden mit einer Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Der Sauerstoff wird in einem Druckspeicher abgespeichert für die zeitversetzte Nutzung im RVKW. Zusammen mit C02 aus dem Speicher der RSE wird mit dem erzeugten Wasserstoff in einer Synthese-Anlage bei 30 bar und bei 300 °C Methan gebildet. Das Methan wird als synthetisches Erdgas SNG nach einer Konditionierung in das Erdgas-Netz eingespeist. Power storage unit SSE: The electricity to be stored is used to generate hydrogen and oxygen using electrolysis. The oxygen is stored in a pressure accumulator for time-shifted use in RVKW. Together with C0 2 from the RSE storage, the hydrogen generated is used to produce methane in a synthesis system at 30 bar and at 300 ° C. After conditioning, the methane is fed into the natural gas network as synthetic natural gas SNG.
Um den ermittelten Gesamtbedarf abzudecken, werden flächig verteilt Einrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung installiert. In jeder der zwei in den Einrichtungen 1 vorhandenen Komponenten RSE und SSE fällt nichtfossile Abwärme in größerem Umfang an. Sie kann lokal genutzt werden, womit der sich der Wirkungsgrad des Verfahrens insgesamt erheblich verbessert. In order to cover the total demand determined, devices 1 according to the present invention are installed distributed over a large area. In each of the two components RSE and SSE present in the facilities 1, non-fossil waste heat is produced to a greater extent. It can be used locally, which significantly improves the overall efficiency of the method.
Im Verfahrens-Strukturbild gemäß Fig. 1 sind der apparative Umfang und die Stoffströme des als Ausführungsbeispiel angeführten 100 MW-/ 1 GWh- Stromspeichers dargestellt, wobei die verfahrenstechnische und die apparatetechnische Auslegung des Beispiels für einen Speicher mit 100 MWei installierter Leistung und 1 GWhei Kapazität erfolgt. In der Natur könnte die auf die Erde einfallende Solarenergie nicht abgespeichert werden, ohne C02 zu nutzen. Für ihren Stoffwechsel emittieren die Pflanzen C02, um ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten, wenn die Sonne nicht scheint. In der Biomasse wird dann aber mit C02 so viel Sonnenenergie gespeichert, dass damit letztlich die gesamte Menschheit ernährt wird. Die Lebensenergie der Menschheit - und natürlich auch die für Flora und Fauna - kommt über die Nutzung der Sonnenstrahlung unter Mitwirkung von C02 zustande. 1 shows the scope of equipment and the material flows of the 100 MW / 1 GWh electricity storage unit mentioned as an exemplary embodiment, the process engineering and apparatus engineering design of the example for a storage unit with 100 MW ei installed power and 1 GWh ei capacity occurs. In nature, the solar energy falling on the earth could not be stored without using C0 2 . The plants emit C0 2 for their metabolism maintain their functionality when the sun is not shining. However, so much solar energy is stored in the biomass with C0 2 that ultimately all of humanity is nourished with it. The life energy of mankind - and of course that for flora and fauna - comes about through the use of solar radiation with the participation of C0 2 .
Die Nutzung der Biomasse für die Gestaltung der Energieprozesse der Menschen mit letztlich C02-basierter Ernährung sowie bei Flora und Fauna führt zu C02-Emissionen, wobei das C02 dann wieder für die Sonnenenergiespeicherung in Biomasse genutzt wird. In der Bilanz führt dieser Sonnenstrahlung-C02-Biomasse-Prozess aber nicht zu einem Anstieg von C02 in der Atmosphäre. The use of biomass for the design of the energy processes of people with ultimately C0 2 -based nutrition as well as for flora and fauna leads to C0 2 emissions, whereby the C0 2 is then used again for the storage of solar energy in biomass. In the balance, however, this solar radiation C0 2 biomass process does not lead to an increase in C0 2 in the atmosphere.
Das Erdgasnetz stellt ein großes technisches Kohlen-Wasserstoff-System dar, ein Speichersystem, wie die Biomasse in der Natur, in das aus insbesondere solar erzeugtem Strom und C02 synthetisiertes Methan eingespeichert und wieder entnommen wird, wenn elektrischer Strom benötigt wird. Das bei der Wiederverstromung entstehende C02 wird zurückgehalten für die Wiedernutzung bei der Methan-Synthese. Das Erfordernis der Speicherung ist evident. Der elektrische Strom, gewonnen aus den erneuerbaren Energien wie z. B. Sonnenstrahlung mittels Photovoltaik-Anlagen, aus Wind mittels Windenergie-Anlagen, aus Laufwasser mittels Wasserkraftanlagen ist volatil bzw. schwankend. Die Erzeugung ist von den natürlich auftretenden täglichen und jahreszeitlichen sowie wetterbedingten, insgesamt erheblichen Schwankungen der Leistung der jeweiligen erneuerbaren Energieträger betroffen. Das Problem einer nicht stabilen Stromversorgung wird umso schwerwiegender, je weiter der Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien zunimmt. Angesichts der Zielstellung in Deutschland, mindestens 95 % Anteil bis 2050 in allen Sektoren zu erreichen, ist das Problem gravierend. The natural gas network is a large technical coal-hydrogen system, a storage system such as biomass in nature, in which methane synthesized from solar-generated electricity and C0 2 is stored and removed when electricity is required. The C0 2 generated during the re-conversion is retained for reuse in the methane synthesis. The need for storage is evident. The electric current obtained from renewable energies such as B. solar radiation by means of photovoltaic systems, from wind by means of wind energy systems, from running water by means of hydropower plants is volatile or fluctuating. Generation is affected by the naturally occurring daily and seasonal as well as weather-related, overall considerable fluctuations in the performance of the respective renewable energy sources. The problem of an unstable power supply becomes more serious the further the share of electricity from renewable energies increases. Given the goal in Germany of at least 95% of all sectors by 2050, the problem is serious.
Deutschland hatte in 2017 einen Bruttostromverbrauch von 654 TWh/a dessen Erzeugung, wovon 244 TWh aus erneuerbaren Energien, 148 TWh aus Braunkohle, 76 TWh aus Steinkohle und 86 TWh aus fossilen Gasen stammen. Für die Stromerzeugung waren 2017 Kraftwerke mit installierten Leistungen von 112.537 MW erneuerbaren Energien, davon 50.291 Windkraft (onshore) und 42.339 MW Photovoltaik. Kraftwerke der nichterneuerbaren Energien hatten eine Leistung von 103.046 MW installiert, darunter sind auch Pumpspeicherkraftwerke mit 9.848 MW erfasst. Germany had a gross electricity consumption of 654 TWh / a of its generation in 2017, of which 244 TWh comes from renewable energies, 148 TWh from lignite, 76 TWh from hard coal and 86 TWh from fossil gases. In 2017, power plants with installed capacities of 112,537 MW were renewable energies, of which 50,291 were wind power (onshore) and 42,339 MW were photovoltaics. Power plants of non-renewable energies had an output of 103,046 MW installed, including pumped storage power plants with 9,848 MW.
Schon jetzt ist bei Überversorgung mit Strom aus erneuerbaren Energien damit zu rechnen, dass es trotz bestehender übergreifender, übernationaler Stromnetze flächenweise zu mittelfristigen Totalausfällen der Stromversorgung kommen kann. Anderseits kann es zu so einem Überfluss bei der Stromerzeugung bei denIn the case of oversupply with electricity from renewable energies, it can already be expected that, in spite of the existence of overarching, supranational electricity networks, there may be total short-term failures of the electricity supply. On the other hand, there may be an abundance of power generation in the
Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen kommen, so dass diese abgeregelt werden müssen, um die Stabilität des Netzes nicht zu gefährden. Ein solches Vorgehen ist kostentreibend, wie schon jetzt festzustellen ist, da nichtgenutzter Strom auf gesetzlicher Grundlage vergütet wird. Wind turbines and photovoltaic systems are coming so that they have to be curtailed so as not to endanger the stability of the grid. Such a procedure is costly, as can already be seen, since unused electricity is remunerated on a legal basis.
Die Probleme zeitweise fehlender Erzeugung durch die erneuerbaren Energien- Kraftwerke werden gegenwärtig durch einige Pumpspeicherkraftwerke, in Reserve stehende oder laufende Kohlekraftwerke bzw. Gaskraftwerke ausgeglichen. DieThe problems of temporary lack of generation by the renewable energy power plants are currently being compensated for by some pumped storage power plants, reserve or running coal power plants or gas power plants. The
Schwankungen könnten zukünftig auch durch intelligentere Netze und aufeinander abgestimmte intelligentere Verbraucher gedämpft werden. In the future, fluctuations could also be dampened by more intelligent networks and coordinated, more intelligent consumers.
Es besteht aber damit die mit der Energiewende hin zu erneuerbaren Energien nicht übergehbare Forderung, parallel zum Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, den Netzen eine großvolumige langfristige Stromspeicherung vor allem von Überschuss- und Reservestrom und eine hoch leistungsfähige großvolumige Stromerzeugung aus diesen Stromspeichern beizustellen. Eine Prognose für erforderliche Stromspeicher auf Basis der Zahlen von 2017 und eine grobe bilanzielle Simulation der Gestaltung der Stromversorgung für die Zeitreihe 2017-2022-2027- 2032-2037 wurden durchgeführt. However, there is a demand that cannot be ignored with the energy turnaround towards renewable energies, parallel to the expansion of electricity generation from renewable energy sources, to provide the networks with large-volume, long-term electricity storage, especially of surplus and reserve electricity, and high-performance, high-volume electricity generation from these electricity storage facilities. A forecast for required electricity storage based on the 2017 figures and a rough balance sheet simulation of the design of the power supply for the 2017-2022-2027-2032-2037 series were carried out.
Der Strombedarf bleibt auf dem Wert von 654 TWh bestehen. Es ist davon auszugehen, dass die Energieeffizienz der Stromanwendung um mindestens 50 % steigen wird und damit der Stromeinsatz in diesem Rahmen vorhanden ist. Es wurde dann durchgängig die Volllaststundenzahl aller Kraftwerke, insbesondere der erneuerbaren Energien-Kraftwerke, von 2017 verwendet, um das Verhältnis von Erzeugung zu installierter Leistung abzubilden. Mit dem Anwachsen des offshore- Anteils bei den Windenergieanlagen, kann sich die Situation etwas verbessern. Eine wesentliche Rolle zur Versorgungsicherheit spielen Speicher, die immer stärker die Stabilität des Stromnetzes (DSN) gegen die wachsende Volatilität der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien absichern müssen. Hier wurden, ausgehend von den schon in 2017 bestehenden Speichern, Steigerungsraten für die Leistungen der Speicher entsprechend der erforderlichen Zunahme der Erzeugung aus erneuerbaren Energien angesetzt. The electricity requirement remains at the value of 654 TWh. It can be assumed that the energy efficiency of the electricity application will increase by at least 50% and that the use of electricity will be available within this framework. The full load hours of all power plants, in particular the renewable energy power plants, from 2017 were then used consistently to map the ratio of generation to installed capacity. The situation can improve somewhat as the offshore share of wind turbines increases. Storage systems play an essential role in security of supply, which increasingly strengthens the stability of the electricity network (DSN) against the growing volatility of electricity generation must secure from renewable energies. Here, based on the storage facilities that already existed in 2017, rates of increase for the performance of the storage facilities were set in line with the required increase in generation from renewable energies.
Speicher-Eingangskapazitäten von 76 GW Input und Rückverstromungs- Gaskraftwerke für 30 GWei Output sind laut Prognose erforderlich, um eine ausreichende und stabile Stromversorgung zu sichern. Mit 30 GWei Speicher-Output- Strom werden die Lücken geschlossen, um den angenommenen Bedarf von 650 TWh/a, der nur noch aus der Nutzung von erneuerbaren Energie-Quellen kommt, stabil zu sichern. Storage input capacities of 76 GW input and back-conversion gas power plants for 30 GW ei output are forecast to be necessary to ensure an adequate and stable power supply. With 30 GW ei memory-output current, the gaps are closed to secure the assumed consumption of 650 TWh / a, which comes only from the use of renewable energy sources, stable.
Die einzige Speichertechnologie, die dies umfassend - hier für das Beispiel Deutschland - deutschlandweit sichern kann, ist das vorhandene Erdgasnetz als Speicher für das SNG und von dem es deutschlandweit wieder entnommen werden kann zur Rückverstromung. Es ist in der Lage, aus 130 TWh Speicherstrom, beispielsweise aus erneuerbaren Energien, gewonnenes SNG im Umfang von 80 TWh abspeichern zu können. Eine grundlegende Schussfolgerung - ganz gleich, um welche Speicher-Struktur es sich handelt - ist, dass das Stromerzeugungssystem höhere Erzeugungskapazitäten haben muss, als für den Verbrauch benötig würden, um die Speicherverluste abzudecken. The only storage technology that can comprehensively secure this throughout Germany - here for the example of Germany - is the existing natural gas network as a storage facility for the SNG and from which it can be extracted throughout Germany for re-generation. It is able to store 80 TWh of SNG obtained from 130 TWh of storage electricity, for example from renewable energies. A basic conclusion - no matter what storage structure is involved - is that the electricity generation system must have higher generation capacities than would be needed for consumption to cover the storage losses.
Zur verfahrenstechnischen Realisierung umfassen die erfindungsgemäßen Systeme zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff zwei wesentliche Komponenten, die Rückverstromungseinheit RSE und die Strom-Speichereinheit SSE: For implementation in terms of process engineering, the systems according to the invention for storing electrical energy in a hydrocarbon comprise two essential components, the reverse-conversion unit RSE and the electricity storage unit SSE:
Die RSE umfasst ein Rückverstromungskraftwerk RVKW, insbesondere ein Gas- und Dampf-Kraftwerk GuD, das mit SNG (in der Bilanz, praktisch mit Erdgas) aus dem vorhandenen Erdgasnetzspeicher den Speicher-Output-Strom aus der Rückverstromung und zur Einspeisung in das Stromnetz DSN erzeugt. Aus dem Rauchgas des Rückverstromungskraftwerks wird das für die Methan-Synthese erforderliche C02 abgeschieden. The RSE comprises a RVKW reconversion power plant, in particular a combined cycle gas and steam power plant, which uses SNG (in the balance sheet, practically with natural gas) to generate the storage output electricity from the re-generation and for feeding into the DSN power grid from the existing natural gas network storage . The CO 2 required for methane synthesis is separated from the flue gas from the reconversion power plant.
Die Abscheidung lässt sich einfach gestalten, wenn das RVKW an Stelle von Verbrennungs-Luft aus der Umgebung mit reinem Sauerstoff oder bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung mit künstlicher Luft, einer Ersatzluft, betrieben wird. Die Ersatzluft besteht aus Sauerstoff, gemischt mit im Kreislauf zu fahrenden C02. Der Sauerstoff hierzu kommt aus der Elektrolyse von der nachfolgend beschriebenen SSE. The separation can be made simple if the RVKW is operated instead of combustion air from the environment with pure oxygen or preferably in the sense of the present invention with artificial air, a substitute air. The Replacement air consists of oxygen, mixed with C0 2 to be circulated. The oxygen for this comes from the electrolysis of the SSE described below.
Das C02 wird in der RSE in einen Druckspeicher, wegen Volumenverringerung und auch schon wegen des für die Methan-Synthese erforderlichen Arbeitsdrucks von 30 bar abgespeichert. The C0 2 is stored in the RSE in a pressure accumulator because of the reduction in volume and also because of the working pressure of 30 bar required for methane synthesis.
Die SSE, die Strom-Speicheranlage, bestehend aus einer Druck-Elektrolyse-Anlage, die aus dem zu speichernden Strom Wasserstoff (und Sauerstoff) mit einem Druck von 30 bar erzeugt. Mit dem Wasserstoff wird in der SNG- Syntheseanlage (auch alsThe SSE, the electricity storage system, consists of a pressure electrolysis system that generates hydrogen (and oxygen) at a pressure of 30 bar from the electricity to be stored. The hydrogen is used in the SNG synthesis plant (also as
Methan-Syntheseanlage) zusammen mit C02 aus dem Speicher von RSE Methan synthetisiert und nach Konditionierung im jeweils erforderlichen Maße in das Erdgasnetz NGN eingespeist. Zur SSE gehört auch ein 30-bar-Druckspeicher für den gewonnenen Sauerstoff, der in der oben beschriebenen RSE genutzt wird. Es kann auch zu einem Sauerstoff- Überschuss K4.1 kommen, der einer weiteren technischen Nutzung zugeführt wird. Methane synthesis plant) was synthesized together with C0 2 from the storage of RSE methane and, after conditioning, was fed into the NGN natural gas network to the extent required. The SSE also includes a 30 bar pressure accumulator for the oxygen obtained, which is used in the RSE described above. There can also be an excess of oxygen K4.1 which is used for further technical use.
Die RSE bezieht ihre Betriebsenergie aus dem als Speicher dienenden Erdgasnetz NGN, speist bedarfsbezogen Strom in das Stromnetz DSN ein und kann Abwärme abgeben, vor allem wenn der Betrieb der des RVKW in Kraft-Wärme-Kopplung erfolgt. Bei der Rückverstromung können 40 % (gemäß Wirkungsgrad nach dem gegenwärtigen Stand der Technik) des bei der Speicherung im SSE eingesetzten Stroms zurückgewonnen werden. The RSE obtains its operating energy from the NGN natural gas network, which is used as a storage facility, feeds electricity into the DSN power network as required and can emit waste heat, especially if the RVKW is operated in a combined heat and power mode. When converting back into electricity, 40% (based on current state-of-the-art efficiency) of the electricity used for storage in the SSE can be recovered.
SSE und RSE können zusammen an einem Ort bzw. in unmittelbarer räumlicher Nähe errichtet werden. Aber es ist in einer alternativen Ausgestaltung auch sinnvoll, die SSE getrennt von RSE aufzustellen und das C02, bevorzugt über eine Leitung, von der RSE zu der SSE zu transportieren. Ebenso muss dann eine 02-Leitung von der SSE nach der RSE geführt werden. Dabei ist projektbezogen zu entscheiden, wo in diesem Fall der C02-Speicher stehen sollte. Eine Trennung ist vor allem dann angebracht, wenn die umfangreiche Abwärme aus der Elektrolyse (20 - 30 % bei Niedertemperatur) und aus der exothermen Synthese (20 - 30 % bei 300 °C) an dem gewählten Standort gut verwertet werden kann. Das ist für einen wirtschaftlichen Betrieb des Systems von großem Vorteil und verbesserte auch die Energie-Effizienz. Es besteht auch grundsätzlich eine zeitliche Trennung der Betriebszeiten von RSE und SSE, woraus sich unterschiedliche Betriebsfälle ergeben. Die wichtigsten Betriebsfälle sind nachfolgend beschrieben. Die RSE umfasst die Hauptkomponenten K1 und K2, die SSE die Hauptkomponenten ggf. K2 sowie K3, K4 und K5 gemäß Darstellung in Fig. 1. SSE and RSE can be installed together in one place or in close proximity. But in an alternative embodiment it is also sensible to set up the SSE separately from the RSE and to transport the C0 2 , preferably via a line, from the RSE to the SSE. Likewise, a 0 2 line must then be routed from the SSE to the RSE. It must be decided on a project-related basis where the C0 2 memory should be in this case. Separation is particularly appropriate if the extensive waste heat from electrolysis (20 - 30% at low temperature) and from the exothermic synthesis (20 - 30% at 300 ° C) can be used well at the chosen location. This is of great advantage for economical operation of the system and also improved energy efficiency. In principle, there is a temporal separation of the operating times of RSE and SSE, which results in different operating cases. The most important operating cases are described below. The RSE comprises the main components K1 and K2, the SSE the main components possibly K2 and K3, K4 and K5 as shown in FIG. 1.
Betriebsfall 1 - Stromnetzstabilisierung durch Stromeinspeisung: Operating case 1 - power grid stabilization through power supply:
Der Betriebsfall ist in Fig. 1 in seinem Verlauf durch Strichellinien dargestellt. Die RSE läuft, weil im Stromnetz DSN Bedarf an Stromeinspeisung besteht. Es wird dazu NG dem NG-Netz und 02, das aus der SSE stammt und gespeichert wurde, aus dem 02- Speicher K3 entnommen. Aus dem Rauchgas des GuD K1 wird C02 abgeschieden und dem C02-Speicher K2 zugeleitet, wo es unter Druck zur späteren Verwendung in der SSE abgespeichert wird. Die SSE ist in diesem Fall nicht in Betrieb. Das C02 kann alternativ zunächst der Verbrennung in der RSE zugesetzt und im Kreislauf gefahren werden. The course of the operation is shown in FIG. 1 by dashed lines. The RSE is running because there is a need for power feed-in in the DSN power grid. For this purpose, NG is taken from the NG network and 0 2 , which originates from the SSE and has been stored, is taken from the 0 2 memory K3. C0 2 is separated from the flue gas of the CCG K1 and fed to the C0 2 storage K2, where it is stored under pressure for later use in the SSE. In this case, the SSE is not in operation. Alternatively, the C0 2 can first be added to the combustion in the RSE and circulated.
Betriebsfall 2 - Stromnetzstabilisierung durch Übernahme von Überschussstrom: Operating case 2 - power grid stabilization by taking over surplus electricity:
Im Stromnetz DSN besteht ein Überschuss an Strom. Die RSE steht, die SSE ist in Betrieb. Aus dem Überschuss-Strom werden durch Elektrolyse in der Hauptkomponente K4 02 und H2 gewonnen. Aus dem C02-Speicher K2 wird mit dem gewonnenen H2 in der SNG-Syntheseanlage K5 Methan synthetisiert und in das NGN eingespeichert. There is an excess of electricity in the DSN power grid. The RSE is standing, the SSE is in operation. K4 0 2 and H 2 are obtained from the excess current by electrolysis in the main component. Methane is synthesized from the C0 2 memory K2 with the H 2 obtained in the SNG synthesis plant and stored in the NGN.
Betriebsfall 3 - Stromnetzstabilisierung durch Lastübernahme: Operating case 3 - power grid stabilization through load transfer:
Dieser Betriebsfall ist in Fig. 1 in seinem Verlauf durch Strich-Punkt-Linien dargestellt. Im Stromnetz DSN besteht noch kein Überschuss an Strom, aber es deuten sich Abschaltungen großer Abnehmer an, oder es bietet sich an, aus dem Ausland über das Stromnetz DSN preiswerteren Strom aus erneuerbaren Energien zu beziehen. Die RSE steht, es wird die SSE in Betrieb gesetzt. Aus Strom werden elektrolytisch 02 und H2 gewonnen, die jeweils in einem Pufferspeicher K2, K4.2 zwischengespeichert werden können. Aus dem C02-Speicher K2 wird mit dem gewonnenen H2 in der SNG- Syntheseanlage K5 Methan synthetisiert und ins NGN eingespeichert. The course of this operation is shown in FIG. 1 by dash-dot lines. There is still no surplus of electricity in the DSN power grid, but there are signs that large customers will be shut down, or it is advisable to obtain cheaper renewable energy from abroad via the DSN power grid. The RSE is standing, the SSE is put into operation. Electrolysis 0 2 and H 2 are obtained from electricity, each of which can be temporarily stored in a buffer memory K2, K4.2. Methane is synthesized from the C0 2 memory K2 with the H 2 obtained in the SNG synthesis plant K5 and stored in the NGN.
Für die erfindungsgemäßen Einrichtungen 1 zur Stabilisierung eines Stromnetzes (DSN) können vorhandene Gaskraftwerke als Rückverstromungskraftwerk genutzt werden, die auf einfache Weise und unter Weiternutzung der Hauptaggregate zu einer RSE im Sinne des Ausführungsbeispiels ausbaubar wären. Neu müsste dazu die SSE gebaut werden, damit ein erfindungsgemäßes Speichersystem entsteht. For the devices 1 according to the invention for the stabilization of a power grid (DSN), existing gas power plants can be used as a recuperation power plant, which in a simple manner and while continuing to use the main units RSE would be expandable in the sense of the embodiment. For this purpose, the SSE would have to be built new so that a storage system according to the invention is created.
Die erfindungsgemäßen Einrichtungen 1 zur Stabilisierung eines Stromnetzes (DSN) sollten über ein größeres Areal, z. B. Deutschland, verteilt und mit Modulgrößen von bis zu 100 MWei Rückverstromungsleistung errichtet werden. Für eine erforderliche Speicherleistung von 30 GW wären 300 erfindungsgemäße Systeme zur Speicherung von Elektroenergie in einem Kohlenwasserstoff von je 100 MWei erforderlich. Eine Reihe davon können aus bereits bestehenden Gaskraftwerken gebildet werden, denen die Strom-Speichereinheiten SSE im Sinne der Erfindung beigestellt oder anderenorts errichtet werden. The devices 1 according to the invention for stabilizing a power network (DSN) should cover a larger area, eg. B. Germany, distributed and built with module sizes of up to 100 MW ei power conversion. GW would be for a required storage capacity of 30 300 systems of the invention for storing electrical energy in a hydrocarbon, each of 100 MW ei required. A number of these can be formed from already existing gas power plants, to which the electricity storage units SSE are provided in the sense of the invention or are erected elsewhere.
Es folgt eine verfahrenstechnische Beschreibung des oben bereits erwähnten Ausführungsbeispiels mit einem Modul mit 100 MWei Stromeinspeiseleistung und einer Kapazität von 1 GWh: The following is a procedural description of the above previously mentioned embodiment with a module with 100 MW ei Stromeinspeiseleistung and a capacity of 1 GWh:
Für die RSE mit einer installierten Wiederverstromungsleistung von 100 MWei ergibt die Verbrennungsrechnung für ein GuD K1 bei einem Wirkungsgrad von 62 % einen Bedarf von 162 MWtherm/h, wofür 14.600 Nm3/h Erdgas verbraucht werden. Wenn das GuD mit Sauerstoff aus der Elektrolyse betrieben wird, besteht das Abgas aus 14.600 Nm3 C02/h und 29.208,27 Nm3/h H20-Dampf, der auf 23,5 m3/h Wasser kondensierbar und wiederverwendbar für die Elektrolyse K4 ist. Die anfallende Kondensationsabwärme kann im Prozess oder für externe Wärmeverbraucher verwendet werden. Es ist vorgesehen, das Wasser in einem Kondens-Wasser- Speicher K1.1 zu speichern und für die vorgenannte Nutzung bereitzuhalten. For the RSE with an installed re-generation capacity of 100 MW ei , the combustion calculation for a CCGT K1 with an efficiency of 62% results in a demand of 162 MW therm / h, for which 14,600 Nm 3 / h natural gas are consumed. If the combined cycle is operated with oxygen from the electrolysis, the exhaust gas consists of 14,600 Nm 3 C0 2 / h and 29,208.27 Nm 3 / h H 2 0 steam, which can be condensed and reused for 23.5 m 3 / h water electrolysis is K4. The heat of condensation can be used in the process or for external heat consumers. It is intended to store the water in a condensed water storage K1.1 and to keep it ready for the aforementioned use.
Das aus dem Verbrennungsabgas des GuD K1 abgeschiedene C02 wird auf den Synthesedruck von 30 bar verdichtet und in dem C02-Speicher K2 abgespeichert, z. B. in einem Scheiben-Gasspeicher. Bei 30 bar wird das notwendige Zwischen-Speicher- Volumen des C02 auf ca. 4.400 m3/h reduziert. The C0 2 separated from the combustion exhaust gas of the CCG K1 is compressed to the synthesis pressure of 30 bar and stored in the C0 2 memory K2, e.g. B. in a disc gas storage. At 30 bar the necessary intermediate storage volume of the C0 2 is reduced to approx. 4,400 m 3 / h.
Dieses abgespeicherte C02 bildet die Basis für die Synthese von SNG. Wird der C02- Speicher K2 für eine Einspeisekapazität von 1 GWh ausgelegt, so ist ein C02- Speichervolumen von insgesamt 44.000 m3 erforderlich. Der erforderliche C02- Speicher K2 hätte als Würfel eine Kantenlänge von 35 m, als Kugel einen Durchmesser von 44 m oder als Zylinder einen Durchmesser von 40 m bei 35 m Höhe. Der in der Elektrolyse K4 anfallende Sauerstoff wird beispielsweise für einen reinen Oxy-Fuel-Verbrennungsprozess oder zur Verbrennung in einer Ersatzluft, die aus einem Gemisch von Sauerstoff (02) mit C02 besteht, im GuD K1 verwendet. Vor allem wird damit die C02-Abscheidung im Vergleich zur Verbrennung mit Umgebungsluft stark vereinfacht. Es sind bei 100 MWei auch 14.600 Nm3/h 02 erforderlich. Der Sauerstoff stammt aus der Anlage zur Elektrolyse K4, bevorzugt ausgestaltet als Druckelektrolyse, und liegt unter einem Druck von mindestens 30 bar vor. Es ist damit noch ein ebenso großer Speicher K3 für den Sauerstoff erforderlich wie für das C02. Die Hauptkomponenten K1 und K4 geben Abwärme zur weiteren Nutzung ab. This stored C0 2 forms the basis for the synthesis of SNG. If the C0 2 storage K2 is designed for a feed capacity of 1 GWh, a total C0 2 storage volume of 44,000 m 3 is required. The required C0 2 storage K2 would have an edge length of 35 m as a cube, a diameter of 44 m as a ball or a diameter of 40 m at a height of 35 m as a cylinder. The oxygen produced in the electrolysis K4 is used, for example, for a pure oxy-fuel combustion process or for combustion in a substitute air, which consists of a mixture of oxygen (0 2 ) with C0 2 , in the CCG K1. Above all, the C0 2 separation is greatly simplified compared to combustion with ambient air. With 100 MW ei 14,600 Nm 3 / h 0 2 are also required. The oxygen comes from the electrolysis plant K4, preferably configured as pressure electrolysis, and is under a pressure of at least 30 bar. A memory K3 for the oxygen that is as large as that for the C0 2 is therefore required. The main components K1 and K4 give off waste heat for further use.
Bezugszeichenliste/ Abkürzungsverzeichnis bar - Über-Druck (1 bar = 105 N/m2) List of reference symbols / list of abbreviations bar - excess pressure (1 bar = 105 N / m 2 )
DSN - deutschlandweites Stromnetz DSN - Germany-wide electricity network
GuD/ GuD-KW - Gas-und-Dampf-Kraftwerk GuD / GuD-KW - gas and steam power plant
GWei - GigaWatt elektrische Leistung (Giga = 109) GW ei - GigaWatt electrical power (Giga = 10 9 )
Ki, i = 1 ...5 - Hauptkomponente Ki, i = 1 ... 5 - main component
K1 - GuD-Kraftwerk K1 - combined cycle power plant
K1.1 - Kondenswasser-Speicher K1.1 - condensed water storage
K2 - C02-Speicher K2 - C0 2 memory
K3 - 02-Speicher K3 - 0 2 memory
K4 - Elektrolyse K4 - electrolysis
K4.1 - Sauerstoff-Überschuss K4.1 - Excess oxygen
K4.2 - Wasserstoff-Pufferspeicher K4.2 - Hydrogen buffer storage
K5 - Methan-Synthese K5 - methane synthesis
mmWS - Millimeter Wassersäule (Druck) mmWS - millimeter water column (pressure)
MWei - Megawatt elektrische Leistung (Mega = 106)MW ei - megawatt electrical power (Mega = 10 6 )
NG - Erdgas NG - natural gas
NGN - Erdgasnetz NGN - natural gas network
RSE - Rückverstromungseinheit RSE - power conversion unit
RVKW - Rückverstromungs-Kraftwerk RVKW - reverse electricity generation plant
SNG - Synthetisches Erdgas (Synthetic Natural Gas) SNG - Synthetic Natural Gas
SSE - Strom-Speichereinheit SSE - electricity storage unit
TWhei - Terrawattstunden elektrische Energie (Terra = 1012) TWh ei - terawatt hours of electrical energy (Terra = 10 12 )

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Stabilisierung eines Stromnetzes, wobei die Stabilisierung durch einen1. A method for stabilizing a power grid, the stabilization by a
Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch von Elektroenergie mittels Entnahme überschüssiger Elektroenergie aus dem Stromnetz, deren Wandlung in einen speicherbaren Energieträger und dessen Speicherung einerseits, und eineBalancing the generation and consumption of electrical energy by taking excess electrical energy from the power grid, converting it into a storable energy carrier and storing it on the one hand, and a
Rückverstromung des gespeicherten Energieträgers und Einspeisung in das Stromnetz andererseits erfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gegenüber dem Verbrauch erhöhten Erzeugung von Elektroenergie die Wandlung und Speicherung in chemischer Form als wenigstens ein Kohlenwasserstoff als einem speicherbaren chemischen Energieträger unter Verwendung von in einem vorausgegangenen Zyklus durch Rückverstromung gebildetem Kohlendioxid (C02) erfolgt, wobei eine Synthese von dem wenigstens einen Kohlenwasserstoff unter Verwendung des Kohlendioxids (C02) und von Wasserstoff (H2), der in einem Elektrolyseverfahren aus Wasser (H20) unter Einsatz der zu speichernden Elektroenergie gewonnen wird, erfolgt. Back-conversion of the stored energy source and feeding into the power grid on the other hand, characterized in that with an increased consumption compared to the generation of electrical energy, the conversion and storage in chemical form as at least one hydrocarbon as a storable chemical energy source using in a previous cycle by back-conversion Carbon dioxide (C0 2 ) is formed, a synthesis of the at least one hydrocarbon using the carbon dioxide (C0 2 ) and hydrogen (H 2 ) obtained in an electrolysis process from water (H 2 0) using the electrical energy to be stored is done.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zumindest der bei der Elektrolyse (K4) gleichermaßen anfallende Sauerstoff (02) in einem Verbrennungsprozess der Rückverstromung zugegeben wird, sodass der entsprechende Anteil Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft durch den Sauerstoff (02) zumindest teilweise ersetzt wird. 2. The method according to claim 1, wherein at least the oxygen (0 2 ) obtained in the same way in the electrolysis (K4) is added in a combustion process of the re-conversion into electricity, so that the corresponding proportion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air through the oxygen (0 2 ) is at least partially replaced.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Kreislaufführung eines Teils des verfügbaren Kohlendioxids (C02) im Prozess der Rückverstromung vorgesehen ist und durch das Kohlendioxid (C02) der entsprechende Anteil Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft, der neben dem Sauerstoff (02) vorhanden ist, die für die Verbrennung des Kohlenwasserstoffs für die Rückverstromung notwendig ist, vollständig ersetzt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein a recirculation of a portion of the available carbon dioxide (C0 2 ) is provided in the process of converting electricity and through the carbon dioxide (C0 2 ) the corresponding proportion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air, which in addition to the Oxygen (0 2 ) is present, which is necessary for the combustion of the hydrocarbon for reconversion, is completely replaced.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbrennung des Kohlenwasserstoffs zur Rückverstromung in einem Gas-und-Dampf-Kraftwerk (K1) oder in einer Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the combustion of the hydrocarbon for reconversion into a gas and steam power plant (K1) or in a fuel cell device.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Synthese und/oder bei einer Rauchgasreinigung und/oder der Abscheidung von Kohlendioxid (C02) vom Rauchgas gewonnenes Wasser bei der Elektrolyse und/oder bei Verfahrensschritten der Konditionierung verwertet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein during the synthesis and / or in a flue gas cleaning and / or the deposition of carbon dioxide (C0 2 ) water obtained from the flue gas is used in the electrolysis and / or in process steps of conditioning.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem gasförmigen Kohlenwasserstoff unmittelbar Wasserstoff (H2) aus der Elektrolyseeinrichtung (K4) zugemischt ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the gaseous hydrocarbon is directly mixed with hydrogen (H 2 ) from the electrolysis device (K4).
7. Einrichtung zur Stabilisierung eines Stromnetzes, wobei die Stabilisierung durch einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch von Elektroenergie mittels Entnahme überschüssiger Elektroenergie aus dem Stromnetz und Wandlung in einen speicherbaren Energieträger und dessen Speicherung einerseits und eine Rückverstromung des gespeicherten Energieträgers und Einspeisung in das Stromnetz andererseits vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wandlung der Elektroenergie in einen Kohlenwasserstoff eine Elektrolyseeinrichtung (K4) für zumindest die Erzeugung von Wasserstoff (H2), ein Syntheseapparat (K5) für die Erzeugung wenigstens eines Kohlenwasserstoffs unter Verwendung des Wasserstoffs (H2) und des Kohlendioxids (C02) vorgesehen sind, wobei weiterhin ein Rückverstromungskraftwerk (K1 , RVKW) zur Erzeugung von Elektroenergie aus dem Kohlenwasserstoff vorgesehen ist. 7.Installation for stabilizing a power grid, the stabilization being provided by balancing the generation and consumption of electrical energy by removing excess electrical energy from the power grid and converting it into a storable energy source and storing it, and on the other hand re-converting the stored energy source into the power grid are characterized in that for converting the electrical energy into a hydrocarbon an electrolysis device (K4) for at least the production of hydrogen (H 2 ), a synthesis apparatus (K5) for the production of at least one hydrocarbon using the hydrogen (H 2 ) and the Carbon dioxide (C0 2 ) are provided, with a back-conversion power plant (K1, RVKW) for generating electrical energy from the hydrocarbon being provided.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei weiterhin eine Konditionierungsanlage für8. The device of claim 7, further comprising a conditioning system for
Kohlendioxid (C02) aus dem Rückverstromungskraftwerk (K1), eine Abscheidungs- und Konditionierungsanlage für den erzeugten Kohlenwasserstoff und einCarbon dioxide (C0 2 ) from the reconversion power plant (K1), a separation and conditioning system for the hydrocarbon produced and a
Kohlenwasserstoffspeicher (NGN) vorgesehen sind, wobei eine Zuführung von zumindest dem Kohlenwasserstoff und synthetisiertem Sauerstoff (02) zu dem zur Verbrennung des gebildeten Kohlenwasserstoffs unter Verwendung des synthetisierten Sauerstoffs (02) geeigneten Rückverstromungskraftwerk (K1 , RVKW) vorgesehen ist. Hydrocarbon reservoirs (NGN) are provided, with a supply of at least the hydrocarbon and synthesized oxygen (0 2 ) to the re-conversion power plant (K1, RVKW) suitable for burning the hydrocarbon formed using the synthesized oxygen (0 2 ).
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei weiterhin eine Rückführung eines Teils des Kohlendioxids (C02) zum Ersatz des entsprechenden Anteils Stickstoff (N2) in der Verbrennungsluft für die Verbrennung des Kohlenwasserstoffs neben dem Sauerstoff (02) in dem Rückverstromungskraftwerk (K1 , RVKW) vorgesehen ist. 9. The device according to claim 7 or 8, wherein further recycling of a portion of the carbon dioxide (C0 2 ) to replace the corresponding portion of nitrogen (N 2 ) in the combustion air for the combustion of the hydrocarbon in addition to the oxygen (0 2 ) in the reconversion power plant ( K1, RVKW) is provided.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Kohlenwasserstoff gasförmig ist und der Kohlenwasserstoffspeicher (NGN) als eine Gasspeicheranordnung ausgeführt ist. 10. Device according to one of claims 7 to 9, wherein the hydrocarbon is gaseous and the hydrocarbon storage (NGN) is designed as a gas storage arrangement.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei als Kohlenwasserstoff Methan vorgesehen ist und das Rückverstromungskraftwerk (K1 , RVKW) eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung aufweist. 11. The device according to claim 10, wherein methane is provided as the hydrocarbon and the reconversion power plant (K1, RVKW) has a plant for cogeneration.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung als ein Gas- und-Dampf-Kraftwerk (K1), ein Blockheizkraftwerk zur Verbrennung von Erdgas oder eine Brennstoffzelleneinrichtung ausgeführt ist. 12. The device according to claim 11, wherein the plant for cogeneration is designed as a gas and steam power plant (K1), a combined heat and power plant for the combustion of natural gas or a fuel cell device.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die Gasspeicheranordnung ein bestehendes Erdgasnetz (NGN) mit bestehenden Erdgasspeichern umfasst, dem zumindest Methan zuführt wird. 13. The device according to claim 12, wherein the gas storage arrangement comprises an existing natural gas network (NGN) with existing natural gas storage, to which at least methane is supplied.
14. System zur Stabilisierung eines Stromnetzes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Einrichtungen (1) zur Stabilisierung eines Stromnetzes (DSN) nach einem der Ansprüche 7 bis 13 in der Weise zu einem Verbund verknüpft sind, dass in jeder der Einrichtungen (1) aus einem Elektroenergieüberschuss zumindest der Kohlenwasserstoff zur Einspeicherung in den Kohlenwasserstoffspeicher (NGN) erzeugt oder bei einem Strombedarf zumindest eingespeicherter Kohlenwasserstoff aus dem Kohlenwasserstoffspeicher (NGN) entnommen und daraus Elektroenergie erzeugt werden kann. 14. System for stabilizing a power network, characterized in that a plurality of devices (1) for stabilizing a power network (DSN) according to one of claims 7 to 13 are linked in such a way that in each of the devices (1) at least the hydrocarbon for storage in the hydrocarbon storage (NGN) is generated from an excess of electrical energy, or at least stored hydrocarbon is removed from the hydrocarbon storage (NGN) when electricity is required and electrical energy can be generated therefrom.
15. System nach Anspruch 14, wobei der Verbund zumindest teilweise weiterhin ein C02-15. The system of claim 14, wherein the composite at least partially further a C0 2 -
Gasnetz für einen Transport des Kohlendioxids (C02) aus demGas network for the transport of carbon dioxide (C0 2 ) from the
Rückverstromungskraftwerk (K1 , RVKW) zwischen den Einrichtungen (1) des Verbunds und/oder ein Wasserstoffgasnetz für einen Transport des Wasserstoffs (H2) aus der Elektrolyseeinrichtung (K4) zwischen den Einrichtungen (1) des Verbunds umfasst. Back-conversion power plant (K1, RVKW) between the devices (1) of the network and / or a hydrogen gas network for transporting the hydrogen (H 2 ) from the electrolysis device (K4) between the devices (1) of the network.
16. System nach Anspruch 14 oder 15, wobei zumindest teilweise ein C02-Speicher (K2) und/oder ein Wasserstoff-Speicher (K4.2) vorgesehen sind. 16. The system of claim 14 or 15, wherein at least partially a C0 2 storage (K2) and / or a hydrogen storage (K4.2) are provided.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023156677A1 (en) * 2022-02-21 2023-08-24 Stablegrid Engineers GmbH Arrangement for stabilising electricity grids, having caverns for gas storage
WO2023196402A1 (en) * 2022-04-07 2023-10-12 Twelve Benefit Corporation Carbon oxide electrolyzer integrated with electrical grid
US11939284B2 (en) 2022-08-12 2024-03-26 Twelve Benefit Corporation Acetic acid production

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5711770A (en) 1996-01-04 1998-01-27 Malina; Mylan Energy conversion system
DE102007037672A1 (en) * 2007-08-09 2009-02-12 Werner Leonhard Energy distribution method comprises applying renewable energy in electric circuit for producing hydrogen, hydrogenating the hydrogen to produce combustible hydrocarbon and applying hydrocarbon in power plant to produce electric current
WO2013029701A1 (en) * 2011-08-29 2013-03-07 Ostsee Maritime Gmbh Power supply system, in particular for the field of building technology
US20130214542A1 (en) * 2010-09-03 2013-08-22 Carbon-Clean Technologies Ag Carbon-dioxide-neutral compensation for current level fluctuations in an electrical power supply system
DE102012007136A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-10 Karl Werner Dietrich Electrochemical reformation of methane from its fumes, comprises coupling hydrogenation of carbon dioxide with water electrolysis in gas power plant, in first phase of operation for natural gas or methane extraction from gas grid
DE102012105736A1 (en) 2012-06-29 2014-01-02 Peter Volkmer Method for storing electrical energy
US20150089919A1 (en) * 2012-04-19 2015-04-02 Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungs -Zentrum - GFZ Stiftung des Oeffentlichen Rechts System and method for ecologically generating and storing electricity
US20160017800A1 (en) * 2012-02-20 2016-01-21 Thermogas Dynamics Limited Methods and systems for energy conversion and generation
US20160226088A1 (en) * 2013-09-30 2016-08-04 Marek Fulde Method and system for storing electric energy

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104334695A (en) * 2012-04-10 2015-02-04 卡尔·维尔纳·迪特里希 Storing power plant

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5711770A (en) 1996-01-04 1998-01-27 Malina; Mylan Energy conversion system
DE102007037672A1 (en) * 2007-08-09 2009-02-12 Werner Leonhard Energy distribution method comprises applying renewable energy in electric circuit for producing hydrogen, hydrogenating the hydrogen to produce combustible hydrocarbon and applying hydrocarbon in power plant to produce electric current
US20130214542A1 (en) * 2010-09-03 2013-08-22 Carbon-Clean Technologies Ag Carbon-dioxide-neutral compensation for current level fluctuations in an electrical power supply system
WO2013029701A1 (en) * 2011-08-29 2013-03-07 Ostsee Maritime Gmbh Power supply system, in particular for the field of building technology
US20160017800A1 (en) * 2012-02-20 2016-01-21 Thermogas Dynamics Limited Methods and systems for energy conversion and generation
DE102012007136A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-10 Karl Werner Dietrich Electrochemical reformation of methane from its fumes, comprises coupling hydrogenation of carbon dioxide with water electrolysis in gas power plant, in first phase of operation for natural gas or methane extraction from gas grid
US20150089919A1 (en) * 2012-04-19 2015-04-02 Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungs -Zentrum - GFZ Stiftung des Oeffentlichen Rechts System and method for ecologically generating and storing electricity
DE102012105736A1 (en) 2012-06-29 2014-01-02 Peter Volkmer Method for storing electrical energy
US20160226088A1 (en) * 2013-09-30 2016-08-04 Marek Fulde Method and system for storing electric energy

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023156677A1 (en) * 2022-02-21 2023-08-24 Stablegrid Engineers GmbH Arrangement for stabilising electricity grids, having caverns for gas storage
WO2023196402A1 (en) * 2022-04-07 2023-10-12 Twelve Benefit Corporation Carbon oxide electrolyzer integrated with electrical grid
US11939284B2 (en) 2022-08-12 2024-03-26 Twelve Benefit Corporation Acetic acid production

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