DE102010034246B4

DE102010034246B4 - Verfahren zum Auf- und Entladen eines Druckgasspeichers

Info

Publication number: DE102010034246B4
Application number: DE102010034246.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Seiler Thomas De
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2030-08-14
Also published as: DE102010034246A1

Abstract

Verfahren zum Auf- und Entladen eines Druckgasspeichers (114, 116) zur Speicherung und Freisetzung elektrischer Energie, wobei das Aufladen durch Erzeugung eines Gases an einer im Druckgasspeicher (114, 116) befindlichen Elektrode (104) einer elektrochemischen Pumpzelle (120) mit Hilfe einer von außen an die Pumpzelle (120) angelegten elektrischen Spannung unter Verbrauch des selben Gases an der zweiten Elektrode (102) geschieht und wobei das Entladen durch Verbrauch eines Gases an einer im Druckgasspeicher (114, 116) befindlichen Elektrode (104) einer elektrochemischen Nernstzelle (120), deren beide Elektroden (102, 104) über einen Verbraucher miteinander leitend verbunden sind, unter Erzeugung des selben Gases an der zweiten Elektrode (102) geschieht.

Description

Stand der Technik
Natürliche regenerative Energiewandler wie beispielsweise Solarzellen oder Windkraftanlagen können große Mengen an nutzbarer elektrischer Energie für Haushalte etc. zur Verfügung stellen. Der Nachteil liegt jedoch darin, dass diese Energie nicht zu jeder Zeit verlässlich zu Verfügung steht sondern z. B. nur bei günstigen Wetterbedingungen erzeugt wird. Die Installation von Batteriesystemen zur Überbrückung der mitunter langen Phasen ohne Stromerzeugung ist teuer und deren Kapazität eingeschränkt. Bekannt ist die Speicherung elektrischer Energie durch Umwandlung in Druckluft-Energie ( US-Patente 7 389 644 B1 und 7 406 828 B1 ), die bei Bedarf einer Verbrennungs-Turbine zugeführt wird und somit wieder als elektrische Energie zur Verfügung steht. Allerdings sind hohe Effizienzen (bis zu 70%) nur mit großem anlagentechnischen Aufwand zu realisieren. Bekannt ist ferner aus DE 100 55 973 A1 , elektrische Energie mittels Wasser-Elektrolyse zu speichern. Dabei wird sowohl der Wasserstoff als auch der Sauerstoff in einem Gasbehälter gespeichert und kann (unter anderem) in einer Brennstoffzelle rückverstromt werden. Hier stellen jedoch Sicherheitsaspekte aufgrund des leicht entzündlichen Wasserstoffs eine Schwierigkeit dar. Es bedarf daher eines einfachen, preiswerten und wartungsarmen Speichersystems für elektrische Energie mit großer Speicherkapazität bzw. mit großer Speicherdichte.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die vorgelegte Erfindung basiert auf folgendem Verfahren bzw. folgender Anordnung: Der z. B. regenerativ erzeugte Strom wird in eine elektrochemische Pumpzelle eingespeist, beispielsweise eine sauerstoffionenleitende, erhitzte Zirkondioxid-Keramik, die sich zwischen zwei katalytisch aktiven Elektroden, z. B. Pt-Elektroden, befindet und diese gasdicht voneinander trennt. Solche Anordnungen bilden beispielsweise das Kernelement einer Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC) oder befinden sich in Lambdasonden. Eine der beiden Pumpelektroden liegt in einem Gasreservoir, das sich bei Normaldruck befindet, z. B. an der Umgebungsluft. Die andere Elektrode liegt in einem gasdicht geschlossenen Volumen, das sehr groß sein kann. In einer vorteilhaften Anwendung wird durch den Pumpstrom Sauerstoff von der Umgebungsluft in den Hohlraum gepumpt, wodurch sich in diesem der Sauerstoff-Partialdruck erhöht. Gemäß der Nernstschen Gleichung verbleibt nach Ausschalten des von außen angelegten Pumpstroms eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden. Diese beträgt ca. 50 mV pro Dekade Partialdruck-Differenz zwischen den beiden Pumpelektroden. Die ursprüngliche elektrische Energie ist auf diese Weise mit geringem ohmschen Verlust während des Pumpens als Druckenergie im Gasvolumen dauerhaft gespeichert und kann jederzeit wieder in Form elektrischer Energie nutzbar gemacht werden, indem ein elektrischer Strom aus einer als Spannungsquelle geschalteten elektrochemischen Zelle gezogen wird. Letztere wid auch als Nernstzelle bezeichnet und kann mit der Pumpzelle, die zum Aufpumpen des Drucktanks verwendet wurde, identisch sein.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt im einfachen und preiswerten Aufbau, der hohen Effizienz und der sehr großen möglichen Speicherkapazität.
Die Nernst- und/oder Pumpzelle kann sich in einem separaten wärme-isolierten Behälter befinden, so dass die im Falle von keramischen Festelektrolyten erforderlichen ca. 800°C Betriebstemperatur mit geringer permanenter Verlustleistung aufrechtzuerhalten sind. Sowohl von der Umgebungsluft als auch vom Druckbehälter kann eine Gasleitung zur separat angeordneten thermisch isolierten elektrochemischen Zelle führen. Mit Hilfe eines Wärmetauschers kann die jeweils abgeführte heiße Gasmenge dazu verwendet werden, die jeweils zugeführte Gasmenge zu erwärmen, so dass auch die Wärme-Verluste durch den Gasaustausch minimiert werden.
Die elektrochemische Zelle kann auch in eine der begrenzenden Außenwände des Druckspeichervolumens eingebaut sein, um somit Platz und Material einzusparen.
Es können für denselben Druckspeicher mehrere Pump- und/oder Nernstzellen verwendet werden, die elektrisch in Reihe geschaltet sein können, so dass Auf- und/oder Entlade-Betriebspunkte mit hohen Gesamtspannungen bei kleinen Strömen möglich sind. Umgekehrt können mehrere Pump- und/oder Nernstzellen elektrisch parallel geschaltet sein, so dass hohe Ströme bei geringen Spannungen möglich sind.
Alternativ können die gewünschten Strom-/Spannungsverhältnisse auch mit Hilfe eines zusätzlichen DC-DC oder eines DC-AC-Wandlers erzeugt werden.
Hinsichtlich der räumlichen Anordnung können zahlreiche separate Pump- und/oder Nernstzellen als Kaskade hintereinandergeschaltet werden, so dass die Gesamtdruckdifferenz zwischen Gasbehälter und Umgebung nicht über eine einzige Elektrolytschicht abfällt, sondern auf jede der einzelnen Zellen verteilt wird. Auf diese Weise wird die Materialbelastung reduziert. Alternativ können mehrere Zellen parallel angeordnet sein, so dass alle die jeweils eine Elektrode im selben Volumen aufweisen. Auf diese Weise können je nach gewünschtem Betriebspunkt oder Lastzustand einzelne Zellen einfach zu- bzw. abgeschaltet werden.
Die Pumpzelle zum Aufpumpen des Druckbehälters kann in all diesen Ausführungsformen mit der Nernstzelle identisch sein und je nach Bedarf die Betriebsweise gewählt werden.
Der hohe Sauerstoffpartialdruck im Gasspeicher kann auch auf andere Weise als mit Hilfe einer elektrochemischen Pumpzelle aufgebaut werden, etwa über einen elektrischen oder mechanischen Kompressor, der die Umgebungsluft oder ein Reservoir aus reinem Sauerstoff komprimiert.
Eine vorteilhafte Anwendung sieht vor, die elektrochemische Zelle zum Laden einer Batterie oder eines Superkondensators bei relativ geringer Leistungsabgabe zu verwenden. Dadurch kann die Auslegung des Nernstzellen-Systems noch kleiner und sparsamer gehalten werden. Bei relativ seltenem Bedarf an großen Leistungsspitzen kann dann die Batterie oder der Kondensator unterstützen. So ergänzt der Druckspeicher durch kontinuierliche Aufladung die geringe Speicherkapazität von Batterie und Kondensator. Dies könnte beispielsweise bei der kontinuierlichen Nachladung der Batterien etwa bei der Elektrotraktion Verwendung finden, insbesondere solchen, bei denen leicht große Speichervolumen mitgeführt werden können, etwa Lastkraftwagen oder Schiffen.
Umgekehrt kann auch das Pumpzellen-System sparsam ausgelegt werden, indem kurzzeitig anfallende große zu speichernde Leistungsspitzen zuerst in einer Batterie oder einem Kondensator zwischengespeichert werden, um diese Energie dann kontinuierlich bei geringerer Leistung in den Druckbehälter überzuführen. Dies könnte beispielsweise bei der Rückgewinnung von Bremsenergie etwa in automobilen Systemen Verwendung finden.
Prinzipiell können auch andere als keramische Elektrolyten für die elektrochemische Pump- und/oder Nernstzelle verwendet werden, etwa solche, die bereits bei niedrigerer Temperatur ionisch leitfähig sind, z. B. auf Basis von Polymeren. Ebenso können auch solche Elektrolyten verwendet werden, die andere Ionen als Sauerstoffionen transportieren, beispielsweise Protonenleiter wie Nafion^®. In diesem Fall muss in der Aufladephase z. B. Wasser an der sich im Hochdruckbereich befindenden Elektrode vorhanden sein. Die Polarität der angelegten Pumpspannung wird dann so gewählt, dass an dieser Elektrode durch Wasserelektrolyse molekularer Sauerstoff entwickelt wird, der zum Druckaufbau führt. Die dabei freiwerdenden Protonen werden durch den Elektrolyten zur beispielsweise atmosphärenseitigen Elektrode gepumpt, wo sie mit dem Umgebungssauerstoff zu Wasser rekombinieren. Die Entladung erfolgt dann umgekehrt. D. h. es muss gewährleistet sein, dass der unter hohem Druck stehende Sauerstoff des Druckbehälters ohne durch Waser behindert zu werden an die innere Elektrode gelangen kann, so dass sich zwischen dieser und der atmosphärenseitigen, äußeren Elektrode eine Nernstspannung aufbaut. Dann kann über eine Last der Arbeitsstrom fließen. Bei diesem Prozess muss nun an der außenliegenden Elektrode hinreichend Wasser vorhanden sein, um durch dessen Elektrolyse Protonen zu erzeugen. Diese werden durch den Elektrolyten zur inneren Elektrode gepumpt, wo sie zu Wasser rekombonieren. Dieses muss abtransportiert werden, um den Sauerstoffzugang zur Elektrode aufrechtzuerhalten.
Aufpumpen und Entleeren des Druckbehälters können generell sowohl mit unterschiedlichen als auch mit derselben elektrochemischen Zelle durchgeführt werden. Es sind auch Kombinationen aus elektrochemischen Zellen mit unterschiedlichem Elektrolyten denkbar. Auch kann anstelle von Sauerstoff ein anderes Gas im Druckbehälter erzeugt werden und anstelle von Umgebungsluft ein anderes Gasvolumen oder auch ein Stoff in der Flüssig- oder Festphase als Stoff-Reservoir für die Gaserzeugung im Druckbehälter dienen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Pump- oder Nernstzelle, die zwei separate Volumen gasdicht voneinander trennt.
2 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Gesamtsystems eines Druckgasspeichers mit elektrochemischer Zelle.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Gaspumpe 120 bzw. eines elektrochemischen Druckgasgenerators 120 dargestellt. Der Festelektrolyt 100, auf dessen beiden Außenflächen die Elektroden 102, 104 angebracht sind, ist in die Außenwände 110 des Zellbehälters eingespannt und trennt auf diese Weise gasdicht ein Niederdruckvolumen 112 von einem Hochdruck-Speichervolumen 114. Von beiden Volumen 112, 114 ist nur ausschnitthaft der an die elektrochemische Zelle 120 angrenzende Teil dargestellt.
2 zeigt das Schema des gesamten Speichersystems bestehend aus der elektrochemischen Zelle 120 und ihres Behälters 110, dessen Hochdruckvolumen 114 über eine Rohrleitung 126 mit einem zusätzlichen größeren Druckspeichervolumen 116 und dessen Niederdruckvolumen 112 über eine zweite Rohrleitung 127 mit einem zusätzlichen größeren Niederdruckvolumen 118, z. B. der Umgebungsluft, verbunden ist. Der Behälter 110 der elektrochemischen Pump- und/oder Nernstzelle 120 ist von einer thermischen Isolation umgeben, um im Falle eines keramischen Elektrolyten 100, der bei ca. 800°C Betriebstemperatur arbeiten muss, möglichst wenig Energie zu verlieren. Die beiden Rohrleitungen 126, 127 werden durch einen Wärmetauscher 124 geführt, mit dessen Hilfe das jeweils zugeführte kalte Gas durch das jeweils abgeführte heiße Gas erwärmt wird, so dass Wärmeverluste minimiert werden.

Claims

Verfahren zum Auf- und Entladen eines Druckgasspeichers (114, 116) zur Speicherung und Freisetzung elektrischer Energie, wobei das Aufladen durch Erzeugung eines Gases an einer im Druckgasspeicher (114, 116) befindlichen Elektrode (104) einer elektrochemischen Pumpzelle (120) mit Hilfe einer von außen an die Pumpzelle (120) angelegten elektrischen Spannung unter Verbrauch des selben Gases an der zweiten Elektrode (102) geschieht und wobei das Entladen durch Verbrauch eines Gases an einer im Druckgasspeicher (114, 116) befindlichen Elektrode (104) einer elektrochemischen Nernstzelle (120), deren beide Elektroden (102, 104) über einen Verbraucher miteinander leitend verbunden sind, unter Erzeugung des selben Gases an der zweiten Elektrode (102) geschieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Pump- und/oder Nernstzelle (120) aus zwei beispielsweise aus Pt aufgebauten Elektroden (102, 104) bestehen, die durch einen sauerstoffionenleitenden Elektolyten (100), beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, gasdicht voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Pump- und/oder Nernstzelle (120) aus zwei beispielsweise aus Pt aufgebauten Elektroden (102, 104) bestehen, die durch einen protonenleitenden Elektrolyten (100), beispielsweise Nafion, gasdicht voneinander getrennt sind und bei denen die Gasentwicklung im Druckspeichervolumen (114, 116) durch Elektrolyse von z. B. Wasser an der im Druckspeicher (114, 116) befindlichen Elektrode (104) geschieht und der Gasverbrauch durch elektrochemische Produktbildung, z. B. Wassererzeugung, an der innerhalb des Druckspeichers (114, 116) befindlichen Elektrode (104) geschieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrochemische Pumpzelle (120) und Nernstzelle (120) durch dasselbe Bauelement verwirklicht werden, das in unterschiedlichen Betriebsphasen entweder durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung als Pumpzelle oder zur Verwendung als Spannungsquelle, d. h. als Nernstzelle betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere elektrochemische Pump- und/oder Nernstzellen (120), die aus je einer Elektrolytschicht (100) und zwei Elektroden (102, 104) bestehen, elektrisch in Reihe geschaltet sind, um mit großen Spannungen und kleinen Strömen betrieben zu werden, oder die elektrisch parallel geschaltet sind, um mit kleinen Spannungen und großen Strömen betrieben zu werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die elektrochemischen Pump- und/oder Nernstzellen (120) geometrisch so kaskadenartig hintereinandergeschaltet sind, dass der Stofftransportweg zwischen dem auf niederem Druckniveau befindlichen Volumen (112, 118) und dem Druckspeichervolumen (114, 116) durch jede einzelne der Pump- und/oder Nernstzellen nacheinander hindurchführt oder wobei die elektrochemischen Pump- und/oder Nernstzellen (120) geometrisch so parallel geschaltet sind, dass jede einzelne der Pump- und/oder Nernstzellen (120) eine Elektrode (102) in dem auf niederem Druckniveau befindlichen Volumen (112, 118) und eine Elektrode (104) im Druckspeichervolumen (114, 116) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zu speichernde elektrische Energie aus regenerativen Quellen wie z. B. Windkraft-, Photovoltaik- oder Wasserkraftanlagen geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durch die Nernstzelle (120) freigesetzte elektrische Energie einen zusätzlichen Energiespeicher auflädt, der hohe Leistungsabgaben liefern kann, wie z. B. eine Batterie oder ein Superkondensator oder wobei die durch die Pumpzelle (120) aufzunehmende elektrische Energie im Falle von kurzzeitigen hohen Leistungsspitzen zuerst in einem zusätzlichen Energiespeicher zwischengespeichert wird, der hohe Leistungsspitzen aufnehmen kann, wie z. B. eine Batterie oder ein Superkondensator, bevor sie kontinuierlich mit geringerer Leistung an die Pumpzelle weitergegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle (120) und das Druckspeichervolumen (114, 116) als integrierter Bestandteil zum Antrieb oder zur Stromversorgung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen beispielsweise Autos, Booten oder Zeppelinen, in Gebäuden zur Energieversorgung von Elektrogeräten und Elektroheizungen, als tragbare oder mobile Stromversorgungsstation oder als integrierter Energielieferant elektrischer Kleingeräte wie z. B. Kameras, Mobiltelefone, Video-, Fernseh-, Computer-, Rundfunk- und Musikgeräte, Lichtquellen, Garten- und Handwerksgeräte verwendet werden und wobei die Druckgaserzeugung auch durch eine motor- oder manuell betriebene Aufpumpmechanik erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Druckspeichervolumen (114, 116) ein Teil oder die Gesamtheit eines Gebäudes, etwa eines Hauses, sein kann oder durch ein unterirdisches natürliches oder künstlich erzeugtes Volumen oder durch tragbare oder stationäre Gasdruckbehälter, etwa Druckflaschen, oder durch aufblasbare ballonartige Volumen, die sich insbesondere in großer Wassertiefe befinden können, realisiert wird.