DE102017204981A1

DE102017204981A1 - Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie, sowie Vorrichtung, die mit einem solchen Verfahren betrieben wird

Info

Publication number: DE102017204981A1
Application number: DE102017204981.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Brandenburger; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) zur elektrochemischen Wandlung von Energie, mit zumindest einer Elektrolyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Wasserstoff (22) und mit zumindest einer Methanisierungseinrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases (26) aus dem erzeugten Wasserstoff (22). Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass thermische Energie (28) von der Methanisierungseinheit (14) unmittelbar der Elektrolyseeinheit (12) zugeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (10) zur elektrochemischen Wandlung von Energie zur elektrochemischen Wandlung von Energie, mit zumindest einer Elektrolyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Wasserstoff (22) und mit zumindest einer Methanisierungseinrichtung (14) zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases (26) aus dem erzeugten Wasserstoff (22). Die Vorrichtung (10) zeichnet sich dadurch aus, die Elektrolyseeinrichtung (12) und die Methanisierungseinrichtung (14) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie, mit zumindest einer Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und mit zumindest einer Methanisierungseinrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases aus dem erzeugten Wasserstoff. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie, die mit einem derartigen Verfahren betrieben wird.
Stand der Technik
Die DE 10 2011 013 922 A1 offenbart ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Überschussenergie aus elektrischen Erzeugungsanlagen, mit einer Wasserstofferzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung von elektrischem Strom, einer Methanisierungseinrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases aus dem erzeugten Wasserstoff und aus zugeführtem Kohlendioxid. Dabei soll das benötigte Kohlendioxid aus einem Rauchgas einer Verbrennung in einer Verstromungseinrichtung abgeschieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Das vorliegende Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass thermische Energie von der Methanisierungseinheit unmittelbar der Elektrolyseeinheit zugeführt wird. So kann freigesetzte thermische Energie effizient genutzt und eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades erreicht werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. So ist es besonders vorteilhaft, wenn die thermische Energie bei einer Methanisierung von Wasserstoff gewonnen wird. So kann eine ausreichend hohe Menge an thermischer Energie erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn zumindest ein Teil eines Elektrolyseprozesses, insbesondere eine Verdampfung von Wasser, mittels der thermischen Energie durchgeführt wird, wodurch die bei einer Methanisierung des Wasserstoffs erzeugte thermische Energie gezielt für zumindest einen Teil des Elektrolyseprozesses eingesetzt werden kann.
So ist es auch von Vorteil, wenn eine Erzeugung von Wasserstoff zumindest teilweise mittels einer SOEC-Einheit (SOEC: Solid Oxid Elektrolyzer Cell) durchgeführt wird, wodurch besonders hohe Mengen an thermischer Energie durch die Elektrolyseeinrichtung aufgenommen werden können.
In einer vorteilhaften Ausführung, weist das Verfahren zumindest einen der folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Gewinnung von thermischer Energie mittels der Methanisierungseinrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases;
b) Übertragung der gewonnenen thermischen Energie von der Methanisierungseinrichtung auf die Elektrolyseeinrichtung;
c) Durchführen zumindest eines Teils eines Elektrolyseprozesses, insbesondere einer Verdampfung von Wasser, mittels der gewonnenen thermischen Energie, vorzugsweise in der Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff.

Dadurch kann das Verfahren besonders effizient unter nachhaltiger Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erfolgen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie. Die Vorrichtung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Elektrolyseeinrichtung und die Methanisierungseinrichtung unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, wodurch eine besonders effiziente Übertragung von thermischer Energie von der Methanisierungseinrichtung auf die Elektrolyseeinrichtung ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Methanisierungseinrichtung und die Elektrolyseeinrichtung als eine Einheit ausgebildet sind, wodurch eine kompakte und einfache Integration in eine Energiegewinnungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung, ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Elektrolyseeinrichtung als eine SOEC-Elektrolyseeinrichtung ausgebildet ist, wodurch besonders hohe Mengen an thermischer Energie von der Elektrolyseeinheit genutzt werden können.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie; und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung zur elektrochemischen Wandlung von Energie.

Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur elektrochemischen Wandlung von Energie. Die Vorrichtung 10 weist eine Elektrolyseeinrichtung 12 zur Erzeugung von Wasserstoff 22 und eine Methanisierungseinrichtung 14 zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases 26 aus dem erzeugten Wasserstoff 22 auf.
Der Elektrolyseeinrichtung 12 wird Kohlenstoffdioxid 16 und Wasser 18 zugeführt. Darüber hinaus wird der Elektrolyseeinrichtung 12 elektrische Energie 20 zugeführt. Mit Hilfe der zugeführten elektrischen Energie 20 wird in der Elektrolyseeinrichtung 12 eine elektrochemische Umwandlung des Kohlenstoffdioxids 16 und des Wassers 18 durchgeführt, wodurch Wasserstoff 22 erzeugt wird. Das dabei entstehende Produktgas enthält neben Wasserstoff 22 und Wasser 18 auch Kohlenstoffmonoxid 24 und Kohlenstoffdioxid 16. Die genannten Komponenten des Produktgases befinden sich dabei in einem chemischen Gleichgewicht.
Das Produktgas wird mit den genannten Komponenten von der Elektrolyseeinrichtung 12 zur Methanisierungseinrichtung 14 geführt. In der Methanisierungseinrichtung 14 wird der Wasserstoff 22 ebenfalls unter Hinzunahme des Kohlenstoffmonoxids 24, des nicht umgesetzten Kohlenstoffdioxid 16 und des nicht umgesetzten Wassers 18 in einer exothermen Reaktion, welche im Weiteren als Methanisierung bezeichnet wird, zu Methan 26 umgewandelt. Die Methanisierung kann auch so verstanden werden, dass sich das chemische Gleichgewicht in Abhängigkeit der Prozesstemperatur so verschiebt, dass als Hauptbestandteile des methanisierten Produktgases im Wesentlichen Methan 26 und Wasser 18 verbleiben.
So wird mittels der Vorrichtung 10 zur elektrochemischen Wandlung von Energie, die eingangs zugeführte elektrische Energie 20 unter Hinzunahme von eingangs zugeführtem Kohlenstoffdioxid 16 und Wasser 18 im Wesentlichen chemisch zu Methan 26 umgewandelt. Das Methan 26 kann anschließen direkt einer Energiegewinnungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung, zugeführt werden oder, beispielsweise durch Komprimierung, gespeichert werden.
Das verbleibende Wasser 18, bzw. eine bei der Wasserverflüssigung freiwerdende Kondensationsenergie, wird in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wieder der Elektrolyseeinrichtung 12 zugeführt. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass das verbleibende Wasser 18 von der Methanisierungseinrichtung 14 abgeführt wird und anderweitig genutzt wird.
Ggf. verbleibendes Kohlenstoffdioxid 16 wird in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von der Methanisierungseinrichtung 14 ebenfalls abgeführt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Zufuhr und/oder Abfuhr von Stoffen durch Leitungen realisiert. Je nach Anwendung können die Stoffe dabei getrennt voneinander oder gemeinsam geführt werden.
Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die bei der Methanisierung freigesetzte thermische Energie 28 von der Methanisierungseinrichtung 14 unmittelbar der Elektrolyseeinrichtung 12 zugeführt wird, wodurch die bei der Methanisierung freigesetzte thermische Energie 28, bzw. Wärme, effektiv genutzt und somit auch der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung 10 gesteigert wird.
Wie schon erläutert wird die thermische Energie 28 bei der Methanisierung des Wasserstoffs 22 gewonnen, wodurch eine ausreichend hohe Menge an thermischer Energie 28 zur Verfügung gestellt wird.
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 10, wird eine Verdampfung von Wasser 18 als Teil eines Elektrolyseprozesses mittels der thermischen Energie 28 durchgeführt, wodurch die bei der Methanisierung freigesetzte thermische Energie 28 gezielt eingesetzt wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Erzeugung von Wasserstoff, bzw. die Elektrolyse mittels einer SOEC-Einheit durchgeführt. Durch den Einsatz der SOEC-Einheit (SOEC: Solid Oxid Elektrolyzer Cell), die bei einer hohen Betriebstemperatur von ca. 600 °C - 850 °C betrieben wird, wird die bei der Methanisierung freigesetzte thermische Energie 28 nahezu vollständig aufgenommen und für die Elektrolyse genutzt.
Ein geringerer Teil 29 der thermischen Energie 28 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von der Methanisierungseinheit 14 abgeführt und kann für anderweitige Zwecke genutzt werden, wie beispielsweise zur Erwärmung von Stoffen Energiegewinnungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung, zu- und/oder abgeführt werden. Jedoch ist es auch denkbar, dass nahezu die gesamte thermische Energie 28, die bei der Methanisierung in der Methanisierungseinrichtung 14, gewonnen wird, der Elektrolyseeinrichtung zugeführt wird, ohne das ein geringer Teil 29 für andere Zwecke von der Methanisierungseinrichtung 14 abgeführt wird.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung 10 zur elektrochemischen Wandlung von Energie gezeigt. Das Verfahren erfolgt durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Gewinnung von thermischer Energie 28 mittels der Methanisierungseinrichtung 14 zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases;
b) Übertragung der gewonnenen thermischen Energie 28 von der Methanisierungseinrichtung 14 auf die Elektrolyseeinrichtung 12;
c) Durchführen zumindest eines Teils eines Elektrolyseprozesses, insbesondere einer Verdampfung von Wasser 18, mittels der gewonnenen thermischen Energie 28 in der Elektrolyseeinrichtung 12 zur Erzeugung von Wasserstoff 22.

So kann das Verfahren besonders effizient unter Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung 10 erfolgen.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 sind die Elektrolyseeinrichtung 12 und die Methanisierungseinrichtung 14 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Dadurch wird ein Großteil der thermischen Energie 28 von der Methanisierungseinrichtung 14 auf die Elektrolyseeinrichtung 12 übertragen.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Methanisierungseinrichtung 14 und die Elektrolyseeinrichtung 12 als eine Einheit 32 ausgebildet sind. Dies wird in 1 durch die gestrichelte Umrandung mit dem Bezugszeichen 32 angedeutet. So kann ein besonders effizienter Übertrag der thermischen Energie 28 von der Methanisierungseinrichtung 14 auf die Elektrolyseeinrichtung 12 erfolgen. Zudem wird eine kompakte und einfache Integration in eine Energiegewinnungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung, ermöglicht.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektrolyseeinrichtung 12 als eine SOEC-Einheit 30 ausgebildet, wodurch eine hohe Menge an thermischer Energie 28 durch die Elektrolyseeinrichtung 12 zur Durchführung der Elektrolyse aufgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011013922 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) zur elektrochemischen Wandlung von Energie, mit zumindest einer Elektrolyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Wasserstoff (22) und mit zumindest einer Methanisierungseinrichtung zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases (26) aus dem erzeugten Wasserstoff (22), dadurch gekennzeichnet, dass thermische Energie (28) von der Methanisierungseinheit (14) unmittelbar der Elektrolyseeinheit (12) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie (28) zumindest im Wesentlichen bei einer Methanisierung von Wasserstoff (22) gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines Elektrolyseprozesses, insbesondere eine Verdampfung von Wasser (18), mittels der thermischen Energie (28) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erzeugung von Wasserstoff (28) zumindest teilweise mittels einer SOEC-Einheit (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen der folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Gewinnung von thermischer Energie (28) mittels der Methanisierungseinrichtung (14) zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases (26); b) Übertragung der gewonnenen thermischen Energie (28) von der Methanisierungseinrichtung (14) auf die Elektrolyseeinrichtung (12); c) Durchführen zumindest eines Teils eines Elektrolyseprozesses, insbesondere einer Verdampfung von Wasser (18), mittels der gewonnenen thermischen Energie (28), vorzugsweise in der Elektrolyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Wasserstoff (22).
Vorrichtung (10) zur elektrochemischen Wandlung von Energie, mit zumindest einer Elektrolyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Wasserstoff (22) und mit zumindest einer Methanisierungseinrichtung (14) zur Erzeugung eines methanhaltigen Gases (26) aus dem erzeugten Wasserstoff (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseeinrichtung (12) und die Methanisierungseinrichtung (14) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanisierungseinrichtung (14) und die Elektrolyseeinrichtung (12) als eine Einheit (32) ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseeinrichtung (12) als eine SOEC-Einheit (30) ausgebildet ist.