DE102015005940A1

DE102015005940A1 - Verfahren zur verbesserten Integration regenerativer Energiequellen in das existierende Energiesystem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie mit Zwischenspeicherung des verflüssigten CO, wodurch eine Reduzierung der CO2 Emission erziel

Info

Publication number: DE102015005940A1
Application number: DE102015005940.8A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Jochen Otto Prasser; Benno Lüke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-05-13
Also published as: DE102015005940B4

Abstract

Verfahren zur verbesserten Integration regenerativer Energiequellen in das existierende Energiesystem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie mit Zwischenspeicherung des verflüssigten CO, wodurch eine Reduzierung der CO2 Emission erzielt und der weitere Ausbau regenerativer Energien gefördert wird.

Description

Verfahren zur verbesserten Integration regenerativer Energiequellen in das existierende Energiesystem durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie mit Zwischenspeicherung des verflüssigten CO, wodurch eine Reduzierung der CO2 Emission erzielt und der weitere Ausbau regenerativer Energien gefördert wird.
Stand der Technik
Die immer größeren Kapazitäten der regenerativen Stromerzeuger bedingen örtliche und zeitliche Schwankungen der Energiebereitstellung. Außerdem gibt es natürlich Tages und Jahreszeitlich bedingte schwankende Abnahmemengen der Verbraucher. Dies kann zu Überkapazitäten oder Mangelangeboten an elektrischer Energie führen.
Naheliegend ist daher bei Überkapazitäten die Elektro-Energie zu speichern.
Große Mengen Elektroenergie direkt zu speichern ist gegenwärtig aber technisch nicht möglich.
Nun kann man „überschüssige” elektrische Energie durch die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff in chemische Energie umsetzen. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften lässt sich dieser jedoch schlecht speichern.
Alle Bemühungen diesbezüglich sind bislang nicht von Erfolg gekrönt.
Deshalb müssen beispielsweise bei Überkapazitäten Kohlekraftwerke heruntergefahren werden.
Werden Kohlekraftwerke im Teillastbetrieb gefahren, sinkt jedoch der elektrische Wirkungsgrad ab. Für die modernsten Steinkohlekraftwerke liegen die Wirkungsgrade im Volllastbetrieb bei ca. 45–47%. Werden diese Kraftwerke auf 50% Leistung gedrosselt sinkt der Wirkungsgrad auf 42–44% herab.
Das heißt sie emittieren mehr CO2 pro erzeugte Kilowattstunde als wenn sie unter optimalen Bedingungen laufen könnten.
Das ist natürlich kontraproduktiv.
Außerdem müssen die Kraftwerke für größere Kapazitäten ausgelegt werden um bei naturbedingter verringerter Leistung der regenerativen Stromerzeuger die Grundversorgung mit elektrischer Energie abdecken zu können. Das wiederum bedeutet höhere Investitionskosten für den Bau dieser Kraftwerke.
Es ist sicherlich verlockend den von regenerativen Energieanlagen wie Wind und Solarkraft generierten Strom zu nutzen um mittels Wasserelektrolyse Wasserstoff zu erzeugen und diesen dann mit den Abgasen aus CO2 Emittenten als Rohstoff nutzend zu Methan umzusetzen.
Was macht man aber wenn die regenerativen Energien einmal „schwächeln”? In der Natur kommt das natürlich vor.
Man könnte die überschüssige Elektroenergie in chemische Energie umsetzen und z. B. Wasserstoffs herstellen. Das stößt aber, auf wie oben gesagt, auf große technische und vor allem auch ökonomische Probleme.
Um nachgeschaltete Chemieanlagen, wie die Erzeugung von Methan am Laufen zu halten müssten die Elektrolyseure zur Herstellung des Wasserstoffs mit Strom aus dem Netz gespeist werden. Mit Strom also der wegen des Ausfalls der regenerativen Quellen sowieso schon knapp ist und nur durch Hochfahren von Anlagen aus nichtregenerativen Quellen in das Stromnetz einzuspeisen zu gewährleisten wäre.
Ein schnelles Hochfahren der Grundlast tragenden konventionellen Kohlekraftwerke ist aber technisch problematisch. Alternativ könnten die Anlagen zur Methanerzeugung abgeschaltet werden.
In solchen Fällen könnte eine sogenannte GUD Anlage zur Stromgewinnung genügend schnell hochgefahren werden. und den zum Betrieb der Anlagen benötigten Strom liefern.
Mit solchen GUD Kraftwerken wird auch ein hoher Wirkungsgrad, durch eine Kombination aus Gasturbine mit nachgeschalteter Dampfturbine, erzielt.
Eine GUD Anlage benötigt aber für den Betrieb Gas (CH4). Außerdem muss die Anlage für solche Fälle entsprechend groß ausgelegt werden, eine große Investition für den Fall, dass einmal der Wind nicht weht.
Bei der Energie-Ressource Gas ist Deutschland aber nahezu vollständig vom Import abhängig.
Das ist in zweierlei Hinsicht nicht erstrebenswert. Einmal erhöht es die Abhängigkeit von Energieimporten (Gas) und dann ist es auch nicht ökonomisch, weil finanzielle Mittel als totes Kapital gebunden werden wenn die Anlagen mit verringerter Last laufen.
Finanzmittel die damit nicht für den Ausbau regenerativer Energiegewinnung zur Verfügung stehen, behindert letztlich also deren Ausbau.
Um eine verbesserte Energieumsetzung zu finden, laufen seit April 2014 Entwicklungen im sog. „Power to Gas” Projekt HELMETH von der EU mit 3,8 Millionen Euro gefördert. Es soll dort mittels Wasserdampf-Elektrolyse Wasserstoff erzeugt werden, wobei in einer umgekehrten Konvertierungsreaktion der Wasserstoff mit CO2 teilweise nach H2 + CO2 = CO + H2O in CO umgewandelt wird.
Aus dem Gasgemisch sollen dann Kohlenwasserstoffe (Fischer Tropsch Verfahren) oder in einer Methanisierungsreaktion Methan hergestellt werden.
Das Methan könnte dann in das Gasleitungssystem eingespeist werden und soll schließlich dem Verbraucher, in einer SOFC [solid oxide fuel cell] umgesetzt, als Heizung und Stromquelle dienen.
Die bei dem exothermen Prozess der Methanisierung freiwerdende Wärme mit einem hohen Temperaturniveau soll bei dem Projekt benutzt werden um Wasser in Dampf zu überführen welcher dann einer Hochtemperatur Wasserdampf-Elektrolyse zugeführt wird um damit die Energiebilanz des Verfahrens der Wasserstoffgewinnung zu verbessern.
Bei einem Ausfall der regenerativen Energiequellen müssen jedoch auch bei dieser Variante der Nutzung regenerativ gewonnener Elektro-Energie die Wasserstoff-Elektrolyse als auch die nachgeschalteten Anlagen zur Umsetzung in chemische Energie mit Strom aus anthropogenen Quellen gespeist werden.
Bei dem sogenannten IGCC Verfahren soll durch Vergasen eines Kohlebreies (Kohle mit Wasser) mit Sauerstoff ein Synthesegas erzeugt werden. Das so erzeugte Synthesegas ist jedoch nicht speicherfähig.
Die Schwierigkeiten der Integration regenerativer Energien in das Netz werden dadurch leider nicht beseitigt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher die regenerativ erzeugte Elektroenergie in das vorhandene Energiesystem Stromnetz-Gasnetz vorteilhaft zu integrieren, und dadurch einen weiteren Ausbau dieser Energien zu unterstützen sowie Entwicklungen auf dem Gebiet der Energiewandlung zu fördern, mit dem Ziel einen verringerten CO2 Ausstoß mit ökonomischer Nutzen zu verbinden.
Erfindung
Soll regenerative Energie (beispielsweise Wind) in steigendem Maß genutzt werden, müssen die Energiesysteme flexibel gefahren werden können. Einerseits soll regenerativer Strom jederzeit ins Netz eingespeist werden und andererseits im Bedarfsfall ausreichend Energie generiert werden. Dabei treten, wie im Stand der Technik geschildert, verschiedene technische und ökonomische Probleme auf. Die Problematik wird durch die Erfindung gelöst.
Die Grundidee ist bei einem Überangebot aus regenerativer Energie, ein Kohlekraftwerk oder einen elektrochemischen Apparat als Produzent einer Chemikalie mit chemischer Energie zu nutzen und diese zwischen zu speichern, sowie die gespeicherte Energie und den Rohstoff dann, bei einem „Schwächeln” der regenerativen Energie, für den Betrieb nachgeschalteter Anlagen zur Treibstofferzeugung, Methanisierung usw zu nutzen. Diese Anlagen können so kontinuierlich betrieben werden. Damit wird eine Grundvoraussetzung für eine ökonomische Fahrweise erfüllt.
Erfindungsgemäß wird bei einem großen Eintrag regenerativer Energiemengen in das Stromnetz (zum Beispiel Windenergie), nicht das gesamte Kraftwerk, sondern nur eine nachgeschaltete Gasturbine in Ihrer Leistung, zurückgefahren.
Dies kann im Gegensatz zum Herabfahren des gesamten Kohlekraftwerkes den Erfordernissen entsprechend schnell geschehen.
Die Effektivität der Stromerzeugung des Kraftwerkes wird dabei natürlich verringert.
Der durch das Herabfahren der Gasturbine freiwerdende Gasstrom wird jedoch als chemischer Energieträger genutzt.
Die Verbrennung der Kohle im Kraftwerk wird bei diesem Verfahren zu diesem Zweck mit reinem Sauerstoff aber verminderter Sauerstoffmenge betrieben.
Diese Fahrweise erlaubt eine sehr hohe Konzentration an CO Gas zu erzeugen und es wird dabei auch ein modernes Verfahren der Wirbelschicht Technologie ermöglicht.
Als Brennstoff wird trockene Kohle eingesetzt.
Die Förderung der Kohle in den Reaktor erfolgt mit einem CO2 Gasstrom.
Das zugeführte CO2 dient gleichzeitig der thermischen Kontrolle der Verbrennung um zu hohe Temperaturen bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff zu verhindern.
Die erhöhte Temperatur im Feuerraum durch die Umsetzung der Kohle mit reinem Sauerstoff wird dabei mittels der endothermen Reaktion CO2 + C = 2CO gesteuert.
Durch diese Fahrweise der Verbrennung wird eine hohe Konzentration des Verbrennungsgases an CO erreicht und so die Abtrennung und Speicherung des CO erleichtert.
Von der bei der Verbrennung im Feuerraum freigesetzten Wärme wird Dampf erzeugt und in einer Dampfturbine Strom erzeugt.
Dass abgekühlte hochprozentige Kohlenmonoxid (CO), steht jedoch bei einem Energiemangel im Strom-Netz als chemischer Rohstoff oder Energieträger zur Verfügung.
Das gereinigte CO Gas kann bei Ausfall oder Mangel an regenerativer Energie auch für die Elektroenergiegewinnung in einer nachgeschalteten Gasturbine verbrannt werden oder eben als chemischer Energieträger dienen.
Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom des CO Gases der Methangewinnung oder z. B. dem Verfahren nach Fischer Tropsch Synthese zur Treibstoffgewinnung zugeführt. Der Wasserstoff kann dabei durch eine „Shift Reaktion” nach CO + H2O = H2 + CO2 erzeugt werden.
Ein anderer Teil des Kohlenmonoxids (CO) wird verflüssigt und in einem Flüssiglager als chemische Energie gespeichert.
Flüssiges CO hat zwar nicht den sehr hohen Energieinhalt wie etwa Benzin oder flüssig Methan, aber immerhin so viel wie flüssig Wasserstoff, aber es ist wesentlich leichter zu verflüssigen und zu speichern. Energiedichte MJ/L

Flüssig Methan 24

Benzin 33

flüssig Wasserstoff 10

flüssig Kohlenmonoxid 10,2
Vorteilhaft ist außerdem, dass es im Generator erzeugt werden kann, das heißt es steht vorn in der Verfahrenskette.
Die Verflüssigung des CO ist zudem im Vergleich zu Wasserstoff technisch wesentlich einfacher zu realisieren (etwa vergleichbar mit Sauerstoff). Siehe dazu auch die in ; gezeigten Phasendiagramme des Wasserstoffes und des Kohlenmonoxids.
Der sehr tiefe Siedepunkt des flüssigen Wasserstoffs mit Sp = –252,76°C bedingt außerdem sehr große Verdampfungsverluste des Wasserstoffs bei seiner Lagerung. Auch bei sehr guter und damit aufwendiger Isolierung der Speicher ist so die Speicherung von Flüssig Wasserstoff nicht ökonomisch.
Beispielhaft ist das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren in einem vereinfachten Fließbild dargestellt.
Im Falle dass regenerative Energie nicht zur Verfügung steht, wird erfindungsgemäß das gesamte CO Gas aus dem Brennraum des Kraftwerkes, nachdem es durch Dampferzeugung abgekühlt und anschließend gereinigt wurde, der nachgeschalteten Gasturbine zugeführt und zu CO2 verbrannt. Im angekoppelten Generator wird so der im Stromnetz erforderliche Strom geliefert.
Siehe dazu
Die Gasturbine wird jetzt mit Volllast betrieben. Der von einem Kraftwerk dieser Bauart erreichte elektrische Wirkungsgrad der Stromerzeugung erreicht dann seinen maximalen Wert.
Das CO wird in der Gasturbine ebenfalls mit reinem Sauerstoff verbrannt.
Durch diese Art der Verbrennung wird eine hohe Konzentration des Verbrennungsgases an CO2 erreicht und die Abtrennung und Speicherung des CO2 erleichtert.
Eine CO2 Zuspeisung zum Verbrennungsgas vermeidet zu hohe Temperatur und damit eine Schädigung der Turbinenschaufeln.
Der für die nachgeschalteten Anlagen der Methanisierung oder der Benzinsynthese benötigte Rohstoff wird in diesem Fall dem CO Speicher entnommen.
Die Nutzung des Flüssig CO Speicher erlaubt erfindungsgemäß so den kontinuierlichen Betrieb der nachgeschalteten chemischen Anlagen.
Die für die Verdampfung des gespeicherten flüssigen CO benötigte Wärme-Energie steht aus der Abwärme beispielsweise der Dampfturbine zur Verfügung, da für die Verdampfung nur ein niedriges Temperaturniveau benötigt wird. Natürlich kann auch die Wärme aus anderen exothermen Prozessen nach guter Ingenieurpraxis genutzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der von regenerativen Quellen gelieferte Strom so ohne Probleme in das Stromnetz eingespeist und dadurch ökonomisch nutzbar gemacht werden.
Das Verfahren der Energieeinspeisung und Energiewandlung regenerativer Energiequellen in das Netz oder die Umwandlung in chemische Energie wird durch die Zwischenspeicherung von CO als Energieträger und chemischen Grundstoffes ökonomisch nutzbar gemacht.
Erfindungsgemäß wird durch dieses Verfahren die Einspeisung des Stromes aus regenerativen Quellen in das Netz sowie die Bereitstellung des benötigten Stromes und die Erzeugung von chemischer Energie in Form von Methan oder Kohlenwasserstoffen oder die Herstellung von NH3 und anderer Chemikalien gesichert und die regenerative Energie auch unter ökonomischen Gesichtspunkten vorteilhaft.
Auch mit dem sogenannten IGCC Verfahren kann erfindungsgemäß durch Vergasen von Kohle mit Sauerstoff ein Gas mit sehr hohem CO Gehalt erzeugt werden. Dazu wird erfindungsgemäß die Kohle durch verminderte Sauerstoffzufuhr nur partiell verbrannt. Das erzeugte Gas kann so ebenfalls aufgrund des hohen CO Anteiles teilweise verflüssigt und gespeichert werden. Die bei einer solchen Fahrweise fehlende endotherme Reaktion H2O + CO = H2 + CO2 wird dabei durch die ebenfalls endotherme Reaktion CO2 + C = 2CO ersetzt um die Temperatur im Reaktor nicht zu hoch ansteigen zu lassen.
In einem weiteren Entwicklungsschritt des Verfahrens wird erfindungsgemäß die Gasturbine des Kohlekraftwerkes durch eine Hochtemperatur Brennstoffzelle (SOFC [solid oxide fuel cell]) ersetzt.
Siehe und und
Der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Kraftwerkes wird dadurch weiter erhöht, weil die Energieumsetzung in der SOFC im Gegensatz zur Verbrennung in einer Gasturbine nicht dem Carnot Prozess unterliegt.
Der elektrochemische Apparat sollte erfindungsgemäß auch als Hochtemperatur Elektro-Pyrolysezelle geschaltet im sog. (reverse betrieb) gefahren werden können.
Da mit dem Ausbau der regenerativen Energien mit stärkeren Schwankungen des Energieangebotes zu rechnen ist, wird bei einem Überangebot elektrischer Energie in diesem elektrochemischen Aggregat dann CO2 zu CO reduziert. (siehe dazu auch )
Das gebildete CO wird, wie weiter oben beschrieben zum Teil verflüssigt und gespeichert.
Ein anderer Teilstrom wird Verfahren zur Herstellung von synthetischen Treibstoffen, Methanisierung oder der Ammoniaksynthese verwendet.
Der bei der Elektropyrolyse gekoppelt anfallende Sauerstoff wird dem Feuerraum des Kraftwerkes zugeführt, wodurch die Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff kleiner ausgeführt werden kann.
Für den Fall muss dann ein O2 Speicher vorgesehen werden.
Beschreibung Abb. 1
Beispielhaft beschreibt skizzenhaft den Fall, dass keine oder nicht genügend regenerative Energie zur Verfügung steht, die in das Stromnetz zur Deckung der Erfordernisse eingespeist werden kann. Regenerative Energie ist nicht verfügbar. Dieser Fall ist mit RG = 0 dargestellt.
Um dennoch die benötigte Menge elektrischer Energie ins Netz einzuspeisen, wird deshalb ein hier beschriebenes Kohlekraftwerk auf maximale Leistung hochgefahren. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die benötigte elektrische Energie könnte auch durch einen anderen Kraftwerkstyp beispielweise mit der GUD Technologie oder dem IGCC Verfahren erzeugt werden.
Im hier skizzenhaft dargestellten Beispiel wird im Heizkessel Kohle (C) durch partielle Oxidation bevorzugt mit Sauerstoff zu Kohlenmonoxid (CO) verbrannt.
Die entstehende Wärme wird im Wärmetauscher durch zugeführtes Wasser verdampft und der überhitzte Dampf in einer Dampfturbine in mechanische Energie überführt. Die Dampfturbine (DT) ist mit einem Generator gekoppelt welcher Strom erzeugt, der ans Netz abgegeben wird.
Erzeugtes Kohlenmonoxid (CO) wird nach einer Gasreinigungsstufe (GR) in einer Gasturbine (GT) verbrannt. Die Gasturbine erzeugt über einen gekoppelten Generator ebenfalls Strom der ans Netz abgegeben wird.
Um einer zu hohen Temperatur entgegenzuwirken und damit die Turbinenschaufeln zu schützen, wird dem Verbrennungsgas (CO) Kohlendioxid (CO2) zugefügt.
Der Gesamtwirkungsgrad dieser Art der kombinierten Energieerzeugung erreicht so den maximalen Wirkungsgrad der Elektroenergieerzeugung.

RG: = 0 Eintrag regenerativer Energie nicht vorhanden
DT: = Dampfturbine
GR: = Gasreinigung
GT: = Gasturbine

Beschreibung Abb. 2
Bei einem Überangebot an regenerativer Energie, hier mit (RG = +) dargestellt, muss die Leistung des Kohlekraftwerkes zurückgefahren werden um die Einspeisung des Stromes aus den regenerativen Quellen nutzen zu können.
Erfindungsgemäß wird dabei nur die nachgeschaltete Gasturbine (GT) zur Stromerzeugung zurückgefahren. Im Gegensatz zum Zurückfahren des gesamten Kraftwerkes kann dieser Vorgang genügend schnell erfolgen.
Das durch das Zurückfahren der Gasturbine freiwerdende CO Gas wird zum Teil direkt in Anlagen zur Umwandlung in Methan, Kohlenwasserstoffe oder z. B. auch NH3 geführt und dort in chemische Energie umgewandelt. Zum anderen Teil wird das Gas verflüssigt und gespeichert und dient als chemischer Energie Speicher.
Die Verflüssigung des Kohlenstoffmonoxids ist im Gegensatz zur Verflüssigung von Wasserstoff technisch weniger aufwendig. Siehe dazu auch die und .
Bei einem Mangel an regenerativer Energie muss die Gasturbine unter Verbrauch an Kohlenmonoxid Gas wieder mehr elektrische Leistung erbringen um den Bedarf an Elektroenergie zu decken.
Jetzt müssten die nachgeschalteten Chemieanlagen zurückgefahren oder gar abgeschaltet werden.
Das würde einerseits auf große technische Schwierigkeiten stoßen, andererseits könnten die Anlagen nicht ökonomisch betrieben werden.
Erfindungsgemäß wird der kontinuierliche Betrieb durch die Bereitstellung des Basisgrundstoffes und Energieträgers CO [Verdampfung] kurz bis mittelfristig aus dem CO Flüssigspeicher bereitgestellt, jedoch gesichert.

GT: = Gasturbine

Beschreibung Abb. 3
Wenn es durch die Erzeuger erneuerbarer Energie (hier vereinfachend als Windenergie RE = max dargestellt) zu einem „Überschuss” an elektrischer Energie kommt, müsste die Gasturbine eines Kohlekraftwerkes (siehe auch Beschreibung zu ) entsprechend zurückgefahren werden.
Erfindungsgemäß soll die Gasturbine zukünftig durch eine SOFC ersetzt werden die im sog. (reverse Betrieb) auch als SOEP [solid oxide elektro pyrolysis cell] genutzt werden kann.
Mithilfe dieser elektrochemischen Zelle wird CO2 in CO umgewandelt. Dabei wird im Netz nicht benötigter Strom für den Betrieb der Zelle verwendet und bewirkt dadurch eine Senkung der CO2 Emission.
Der bei der Reaktion gekoppelt in der Zelle gleichzeitig erzeugte Sauerstoff wird in einem Kraftwerk anstelle des Luftsauerstoffs verwendet. Für den Fall eines Energiedefizits im Stromnetz wegen verringertem Eintrag an regenerativer Energie muss der Sauerstoff gespeichert werden.
Diese Fahrweise erleichtert die Abtrennung von CO sowie von CO2 aus den Kraftwerksabgasen ohne die Verwendung einer Anlage zur Luftzerlegung.
Der Typ eines elektrochemischen Apparates dieser Art ist derzeit jedoch für einen großtechnischen Einsatz noch nicht ausgereift.
Basierend auf den Erkenntnissen bei der Entwicklung der Hochtemperatur Wasserelektrolyse ist jedoch mittelfristig damit zu rechnen.

REmax: = Regenerative Energie im Überschuss vorhanden
SOFC: = Solid Oxide Fuel Cell
SOEP: = Solid Oxide Elektropyrolysis Cell

Beschreibung Abb. 6
Die beschreibt skizzenhaft die Arbeit einer Hoch Temperatur Brennstoffzelle in der CO zu CO2 unter Generation von elektrischen Strom verbrannt wird.
In der elektrolytischen Zelle sind Kathoden und Anodenraum durch eine Membran aus oxydischem Material getrennt. Die Membran ist bei Temperaturen von 600–800°C leitfähig für Sauerstoff–Ionen. Die beiden Oberflächen der Membran sind mit katalytisch wirkenden Metalloxyden belegt und elektronisch leitfähig. Die katalytischen Metalloxyde bewirken die Umsetzung des Sauerstoffs zu Sauerstoff-Ionen, sowie auf der anderen Seite die Oxydation des CO zu CO2.
Die Aufheizung und Abkühlung der Gasströme erfolgt regenerativ (nicht dargestellt).

SO: = Solid Oxide Membran
K: = Kathode
A: = Anode

Beschreibung Abb. 7
In der wird skizzenhaft die elektrolytische Reduktion von CO2 zu CO dargestellt.
In der elektrolytischen Zelle sind Kathoden und Anodenraum ebenfalls durch eine Membran aus oxydischem Material getrennt. Die Membran ist bei Temperaturen von 600–800°C leitfähig für Sauerstoff-Ionen. Die beiden Oberflächen der Membran sind mit katalytisch wirkenden Metalloxyden belegt und elektronisch leitfähig.
Die sehr geringe Konzentration an Sauerstoff-Ionen auf der Kathodenseite wird durch die von außen angelegte Gleichspannung von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Membran gepumpt.
Der elektronische Pumpprozess erfolgt dabei gegen den Partialdruck des Sauerstoffs im Anodenraum der Zelle.
Die notwendige Pumpspannung kann deshalb durch einen verminderten Druck auf der Anodenseite gesenkt werden. Das ist jedoch technisch schwierig. Erfindungsgemäß ist es besser den Sauerstoff-Partialdruck und damit die Pumpspannung zu senken, indem man den Partialdruck des Sauerstoffs durch Zuspeisung eines anderen Gases vorzugsweise durch CO2 in den Anodenraum senkt.
Die CO2 Zugabe ist in der in Klammern gezeigt.
Beschreibung Abb. 8
Die Abbildung skizziert einen Fall indem die in einem größeren Windpark erzeugte Elektroenergie in chemische Energieumgesetzt wird, weil keine Anbindung an das Stromnetz besteht.
Der „Wind-Strom” wird (RE = max) in eine SOEP eingespeist in welcher CO2 in CO umgesetzt wird. Das gebildete CO wird zum Teil in verflüssigter Form gespeichert. Ein anderer Teil wird in einer kleinen Anlage zur Methanisierung in Methan umgewandelt. Das Methan wird verflüssigt und ebenfalls gespeichert.
Das Flüssig Methan wird dann zu individuellen Verbrauchern verbracht, wo es in einer HTFC (high temperature fuel cell) auch als Hoch Temperatur Brennstoffzelle bezeichnet in Strom und Wärme umgesetzt wird.
Sinnvollerweise geschieht dies in Blockkraftwerken mit Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken und der Speicherung des bei der Reaktion gebildeten CO2.
Das verflüssigte CO2 kann so wieder zurück zu dem Ort des Windparks mit der Methanisierungsanlage verbracht werden.
Erfindungsgemäß wird dadurch die Errichtung von Leitungssystemen zum Transport des Stromes vom Erzeugungsort zum Verbrauchsort vermieden.
Erfindungsgemäß wird durch die Zwischenspeicherung der Energie in Form des CO eine kontinuierliche Fahrweise der Methanisierung ermöglicht und somit die regenerative Energie ökonomisch nutzbar gemacht.
Der Transport der verflüssigten Gase ist in der Abb. durch eine gepunktete Linie gekennzeichnet.

SOEP: = Solid Oxide Elektro Pyrolyse
K: = Schift Reaktor
M: = Methanisierung
HTFC: = High Temperature Fuel Cell

Claims

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen unterschiedlichen Stromerzeuger wie auch nachgeschaltete Anlagen wie Methanisierung oder die Synthese von flüssigen Energieträgern (Benzin, Diesel, Kerosin) oder auch NH3, die bei Variationen des Stromangebotes oder der Stromnachfrage mit einem optimalen Wirkungsgrad weiter betrieben werden können, indem bei einem Überangebot an elektrischer Energie CO generiert wird, welches aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu Wasserstoff leichter verflüssigt und gespeichert werden kann als Wasserstoff und als chemischer Energiespeicher dient um kurz und mittelfristig bei Elektro-Energiemangel wieder in elektrische Energie umgewandelt zu werden, wobei das CO in einer Gasturbine „verstromt” wird, oder zukünftig in einer Hoch Temperatur Brennstoff Zelle direkt in Strom umgewandelt oder mittels der bekannten exothermen Konvertierungsreaktion CO + H2O = H2 + CO2 zu Wasserstoff umgesetzt und danach in einer H2/O2 Brennstoffzelle oder in einer SOFC (solid oxide fuel cell) Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgesetzt zu werden, wobei das bei der Konvertierung oder bei der direkten Verstromung des CO in einer SOFC als Oxydationsprodukt anfallende CO2 gleichfalls verflüssigt und gespeichert wird um bei einem Überangebot an elektrischer Energie wiederum als Rohstoff zur Verfügung zu stehen indem in vorteilhafter Weise in der jetzt durch geeignete Dotierung der Elektroden als HTEP (high temperatur electro pyrolyse) arbeitenden SOFC Zelle mit Hilfe „überschüssigem” Stromes wieder in CO zurück verwandelt zu werden. Erfindungsgemäß wird mit der Speicherung des in einer solchen Zelle aus CO2 gebildeten CO wird auch der Transport von Energie etwa von einem Windpark zu entfernten Verbrauchern ohne die Errichtung von neuen Leitungssystemen ermöglicht. Siehe dazu auch
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1–2. dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrweise eines Kohlekraftwerkes durch Kohleverbrennung mit reinem Sauerstoff jedoch unter partieller Oxydation der Kohle erfolgt, wodurch eine hohe Konzentration an CO erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1–3. dadurch gekennzeichnet, dass die gemahlene, getrocknete Kohle dem Feuerraum in einem CO2 Strom zugeführt wird. Eine erhöhte Temperatur im Feuerraum wird durch die endotherme Reaktion CO2 + C = 2CO vermieden. Mit dem verminderten Wassereintrag verringert sich die Menge an Wasserstoff im Gas wodurch die Verflüssigung des CO erleichtert wird.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1–4. dadurch gekennzeichnet, dass mit der bei der Verbrennung erzeugten Wärme in einem Wärmetauscher Dampf erzeugt wird, der eine Dampfturbine treibt und in einem angekoppelten Generator Strom erzeugt.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1–5. dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des im Feuerraum erzeugten, abgekühlten und gereinigten CO Gases entsprechend dem Bedarf an Elektroenergie in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt wird. Die Verbrennung erfolgt mit reinem Sauerstoff. Zur Temperaturkontrolle und zum Schutz der Turbinenschaufeln wird dem Gasstrom ebenfalls etwas CO2 zugesetzt.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 1–6. dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dem Eintrag aus regenerativer Energie in das Stromnetz ein anderer Teilstrom des CO Gases als chemischer Energieträger und Rohstoff für nachgeschaltete Anlagen der Methanerzeugung, der Benzinsynthese (Fischer Tropsch Verfahren) oder auch beispielsweise der NH3 Synthese zur Verfügung steht und diesen Anlagen zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, dass das in einem Kohlekraftwerk mit verminderter Sauerstoffzufuhr gebildete Kohlenmonoxid in einer SOFC verstromt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Energieumwandlung gegenüber einer nach Stand der Technik verwendeten Gasturbine weiter verbessert wird, weil der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle nicht dem Carnot Kriterien unterliegt.
Erfindungsgemäß kann das CO bei Bedarf in einer SOFC (solid oxide fuel cell) Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgesetzt werden. Das dabei gebildete CO2 wird ebenfalls gespeichert und im Falle eines Überangebotes an elektrischer Energie in der SOFC, die jetzt als SOEPC (solid oxide elektro pyrolysis cell) im sogenannten „reverse” Betrieb arbeitet, mittels Strom wieder in CO umgewandelt wird. Erfindungsgemäß wird die dafür erforderliche elektrische Pumpspannung durch Zuspeisung eines Inertgases, vorzugsweise CO2 in die Anodenkammer der Zelle gesenkt.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration regenerativer Energie in das Energiesystem nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, dass regenerative elektrische Energie die an vom Stromnetz abgelegenen Orten anfällt durch Umwandlung in chemische Energie erfolgt. Dabei wird vor Ort gespeichertes CO2 in einer SOFC die als SOEPC arbeitet, in CO umgewandelt wird. Das CO wird zum Teil in flüssiger Form vor Ort gespeichert. Die Zwischenspeicherung des CO ermöglicht den kontinuierlichen Weiterbetrieb einer nachgeschalteten Anlage zur Methanisierung. Das verflüssigte Methan wird gespeichert und von da mittels mobiler Transporteinrichtungen an die Orte der Verbraucher gebracht.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Integration der regenerativen Energie in das vorhandene Energiesystem nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, dass die Tagesschwankungen elektrischer Energie mittels SOFC Brennstoffzellen die im „Reverse” Betrieb auch als SOEPC Elektropyrolysezellen gefahren werden gelöst. Im Netz nicht benötigter Strom wird in diesen elektrolytischen Apparaten für die Umwandlung von CO2 in CO und O2 eingesetzt. Das CO wird verflüssigt und gespeichert. Die Aufheizung und Abkühlung der Gasströme zu und von den Elektrolytischen Apparaten und den Verflüssigern wie den Verdampfern erfolgt regenerativ. Bei Strommangel im Netz wird das gespeicherte CO unter Erzeugung von elektrischer Energie in den SOFC Zellen zu CO2 verbrannt. Das CO2 dann verflüssigt und für den Pyrolysefall gespeichert.