DE102014218123A1

DE102014218123A1 - Anlage zur Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102014218123A1
Application number: DE102014218123.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Eypasch; Torsten Frank
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Eine Anlage zur Energiespeicherung weist eine Wasserstofferzeugungseinrichtung, einen Tank (7) mit einem flüssigen organischen Wasserstoffträger, der durch Hydrierung einer ungesättigten Verbindung gebildet wird, eine Hydriereinheit (5), mit der die ungesättigte Verbindung hydriert wird, und eine Dehydriereinheit (9) auf, mit der die ungesättigte Verbindung durch Erwärmung der hydrierten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff zurückgebildet wird. Dabei wird die Wärme zur Erwärmung der hydrierten Verbindung zur Rückbildung der ungesättigten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff durch eine Wärmepumpe (15) und/oder durch eine Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung (12) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energiespeicherung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Anlage ist aus DE 10 2011 121 704 A1 , DE 10 2011 111 565 A1 , DE 10 2012 005 023 A1 bekannt.
In flüssigen organischen Wasserstoffträgern (englisch: Liquid Organic Hydrogen Carrier oder LOHC) wird durch Hydrolyse Wasserstoff an eine ungesättigte Verbindung gebunden.
Als hydrierbare ungesättigte Verbindung kann dabei N-Alkyl-, insbesondere N-Ethyl-Carbazol verwendet werden, das durch Hydrierung in N-Alkyl-perhydro-carbazol übergeführt wird oder das ebenfalls reversibel hydrierbare Dibenzyltoluol.
Da die Dehydrierung der gesättigten Verbindung eine endotherme Reaktion darstellt, muss zur Freisetzung des Wasserstoffs der Dehydriereinheit Wärme zugeführt werden, die zumeist durch Verbrennung fossiler Brennstoffe mit einem Heizsystem erzeugt wird. Dies führt zu einer deutlichen Absetzung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage. Die Hydrierung selbst ist eine exotherme Reaktion und setzt Wärme frei.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Gesamtwirkungsgrad der bekannten Anlage zu verbessern.
Dies wird empfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Wärme zur Erwärmung der hydrierten Verbindung zur Rückbildung der ungesättigten Verbindung und der Freisetzung von Wasserstoff durch Verwendung der Hydrierabwärme, Erhöhung des Temperaturniveaus mittels einer Wärmepumpe und anschließender Wärmespeicherung und/oder durch eine Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung und Nutzung der Abwärme bereitgestellt wird.
Das heißt, erfindungsgemäß ist entweder eine Wärmepumpe vorgesehen, oder eine Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung, um die zur Freisetzung des Wasserstoffs aus der hydrierten Verbindung erforderliche Wärme zu erzeugen oder sowohl eine Wärmepumpe sowie eine Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung.
Die Hydrierung der ungesättigten Verbindung stellt eine exotherme Reaktion dar, durch die die gesättigte Verbindung in der Hydriereinheit auch eine Temperatur von beispielsweise 100–200 Grad Celsius aufgeheizt wird.
Demgegenüber wird zur Dehydrierung der hydrierten gesättigten Verbindung, die eine endotherme Reaktion darstellt, eine hohe Temperatur von beispielsweise mindestens 300 Grad Celsius benötigt.
Die Wärmepumpe nimmt die thermische Energie mit niedriger Temperatur von z. B. 100–200 Grad Celsius, die bei der Hydrierung bei der ungesättigten Verbindung in der Hydriereinheit entsteht, auf und wandelt sie unter Aufwendung von Arbeit, beispielsweise mit einem Kompressor, in thermische Energie mit hoher Temperatur (von z. B. mindestens 300 Grad Celsius) zur Erwärmung der hydrierten Verbindung um, um die hydrierte Verbindung zur Rückbildung der ungesättigten Verbindung und zur Freisetzung von Wasserstoff auf die erforderliche hohe Temperatur zu erwärmen.
Zur Speicherung der thermischen Energie, also Wärmemenge mit niedriger Temperatur, die bei der Hydrierung der ungesättigten Verbindung in der Hydriereinheit anfällt, kann ein Wärmespeicher vorgesehen sein. Sinnvollere Lösung ist jedoch die Speicherung der Wärme auf höherem Temperaturniveau, damit keine elektrische Leistung zum Zeitpunkt der H2-Freisetzung erforderlich ist.
Das Fluid der Wärmepumpe kann damit aus dem Wärmespeicher die thermische Energie mit niedriger Temperatur aufnehmen, wobei mit dem Kompressor die Temperatur des Fluides auf die für die Dehydrierung der gesättigten Verbindung erforderliche hohe Temperatur von z. B. mindestens 300 Grad Celsius erhöht wird.
Die thermische Energie des Fluids mit dieser hohen Temperatur kann über einen Wärmetauscher gegebenenfalls einem Wärmespeicher oder direkt der Dehydriereinheit zur Freisetzung des Wasserstoffs durch Dehydrierung der gesättigten Verbindung unter Rückbildung der ungesättigten Verbindung zugeführt werden.
Durch die Speicherung der Hydrierabwärme, also der thermischen Energie mit niedriger Temperatur, die bei der Hydrierung der ungesättigten Verbindung in der Hydriereinheit anfällt und Erhöhung der Temperatur der thermischen Energie mit der Wärmepumpe zur Dehydrierung der gesättigten Verbindung braucht damit zur Dehydrierung lediglich die mechanische Energie für die Wärmepumpe, also keine zusätzliche Wärmeenergie aufgewendet zu werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert wird.
Die Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung wird vorzugsweise durch eine Stromerzeugungseinrichtung gebildet, die z. B. mit dem in der Dehydriereinheit freigesetzten Wasserstoff angetrieben wird, wobei die Abwärme der Stromerzeugungseinrichtung, die eine hohe Temperatur von beispielsweise mindestens 300 Grad Celsius aufweist, der Dehydriereinrichtung zugeführt wird, um aus der hydrierten, gesättigten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff die dehydrierte, ungesättigte Verbindung zu bilden. Dabei kann die Abwärme der Stromerzeugungseinrichtung in einem Speicher auch zwischengespeichert werden.
Durch die direkte Nutzung der Abwärme einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Einrichtung zur Freisetzung von Wasserstoff unter Rückbildung der ungesättigten Verbindung innerhalb der Dehydriereinheit wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage zusätzlich verbessert.
Der Tank mit dem flüssigen, organischen, durch Hydrierung einer ungesättigten Verbindung gebildeten Wasserstoffträger, weist vorzugsweise einen ersten Abschnitt zur Aufnahme der ungesättigten Verbindungen und einen zweiten Abschnitt zur Aufnahme der hydrierten Verbindung auf, welcher von dem ersten Abschnitt getrennt ist. Jeder der beiden Abschnitte ist dabei mit der Hydriereinheit und der Dehydriereinheit verbindbar.
Dabei können die beiden Abschnitte durch eine bewegliche Trennwand in dem Tank voneinander getrennt sein. Durch die bewegliche Trennung der beiden Abschnitte können die (Volumina), die die dehydrierte, ungesättigte Verbindung und die hydrierte, gesättigte Verbindung indem Tank einnehmen, jeweils dem Anfall der gebildeten hydrierten Verbindung und dem Verbrauch der hydrierten Verbindung angepasst werden.
Die bewegliche Trennwand kann beispielsweise durch eine flexible Membran gebildet sein oder durch eine in dem Tank verschiebbar geführte Trennwand.
Da die hydrierte, gesättigte Verbindung eine geringere Dichte aufweist, als die dehydrierte, ungesättigte Verbindung können die beiden Abschnitte in dem Tank auch durch Schichtung der hydrierten Verbindung auf der dehydrierten Verbindung gebildet sein, also durch einen Grenzbereich zwischen der oberen Schicht aus der hydrierten, gesättigten Verbindung und der unteren Schicht der dehydrierten, ungesättigten Verbindung voneinander getrennt sein, jedenfalls dann, wenn Maßnahmen getroffen werden, um Strömungsturbulenzen in dem Tank zu verhindern.
Die Wasserstofferzeugungseinrichtung, mit der der Wasserstoff zur Hydrierung der ungesättigten Verbindung erzeugt wird, kann beispielsweise, durch Elektrolyse von Wasser mit einem Elektrolyseur gebildet sein.
Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage kann jedoch ein Dampfreformer zur Wasserstofferzeugung verwendet werden, insbesondere wenn Deponiegas oder Biogas zur Dampfreformierung zur Verfügung steht, da diese Gase im Wesentlichen aus Methan (CH₄) und Kohlendioxyd bestehen.
Die Dampfreformierung stellt einen Prozess dar, der nach der folgenden Gleichung abläuft: CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO;
Dabei kann in einer weiteren Reaktion nach der folgenden Gleichung das entstehende Kohlenmonoxyd (CO) zu weiteren Wasserstoff und Kohlendioxyd umgesetzt werden: CO + H₂O → H₂ + CO₂
Nachstehend ist der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert:
Darin zeigen jeweils schematisch:
1 ein Fließschema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage;
2 eine Wärmepumpe, die die in der Hydriereinheit entstehende thermische Energie aufnimmt und in thermische Energie mit hoher Temperatur zur Freisetzung von Wasserstoff umwandelt;
3 den Tank mit LOHC.
Gemäß 1 wird Deponiegas 1 einem Dampfreformer 2 entsprechend dem Pfeil 3 zugeführt, um Wasserstoff (H₂) zu bilden, welcher entsprechend dem Pfeil 4 einer Hydriereinheit 5 zugeführt wird, in der LOHC als ungesättigte Verbindung hydriert wird. Die hydrierte, gesättigte Verbindung wird entsprechend dem Pfeil 6 dem Tank 7 zugeführt.
Im Wasserstoff-Bedarfsfall, z. B. wenn mit der Anlage Energie erzeugt werden soll, wird die hydrierte Verbindung entsprechend dem Pfeil 8 der Dehydriereinheit 9 zugeführt und der mit der Dehydriereinheit 9 freigesetzte Wasserstoff (H₂) wird entsprechend dem Pfeil 11 der Kraft-Wärme-Kopplungs-Einrichtung 12 oder einem anderen Verbraucher zugeführt, um diese durch Verbrennung des Wasserstoffs (H₂) anzutreiben, wodurch die Kraft-Wärme-Kopplungs-Einrichtung 12 gemäß dem Pfeil 13 Strom erzeugt.
Zur Freisetzung des Wasserstoffs in der Dehydriereinheit 9 muss die hydrierte, gesättigte Verbindung auf eine hohe Temperatur von beispielsweise mindestens 300 Grad Celsius erwärmt werden.
Die bei der Hydrierung der ungestättigten Verbindung in der Hydriereinheit 5 erzeugte thermische Energie, die eine niedrigere Temperatur als die Dehydriertemperatur aufweist, wird dazu gemäß dem Pfeil 14 einer Wärmepumpe 15 zugeführt, um die für die Freisetzung des Wasserstoffs in der Dehydriereinheit 9 notwendige hohe Temperatur zu erhalten.
Die Wärmepumpe 15 ist in 2 näher dargestellt. Die zum Beispiel auf circa 150 Grad Celsius in der Hydriereinheit 5 erwärmte hydrierte, gesättigte Verbindung wird entsprechend dem Pfeil 17 einem Wärmetauscher 18 zugeführt, um die thermische Energie, also Wärmemenge, an das Fluid abzugeben, das die Wärmepumpe 15 entsprechend dem Pfeil 19 durchströmt. Das Fluid, das aus dem Wärmetauscher 18 als Dampf austritt, wird mit einem Kompressor 21 verdichtet und damit auf eine hohe Temperatur von beispielsweise mindestens 300 Grad Celsius erwärmt. Die thermische Energie des Fluids mit der hohen Temperatur wird mit dem Wärmetauscher 22 an einen Wärmeträger abgegeben, der entsprechend dem Pfeil 23 einem Wärmespeicher 16 zugeführt wird, um bei Bedarf durch Wärmezufuhr aus dem Wärmespeicher 16 die hydrierte, gesättigte Verbindung in der Hydriereinheit 16 auf eine hohe Temperatur von beispielsweise mindestens 300 Grad Celsius unter Freisetzung von Wasserstoff zur ungesättigten Verbindung zu dehydrieren. Das mit dem Kompressor 21 verflüssigte Fluid wird anschließend beispielsweise mit der Drossel 20 und dem Wärmetauscher 18 wieder in Dampfform übergeführt. Dabei kann die Wärmepumpe 15, wie dargestellt, vor aber auch hinter dem Speicher 16 angeordnet sein.
Gemäß 3 weist der Tank 7 zwei Abschnitte 7-1 und 7-2 auf, die durch eine Trennwand 24 voneinander getrennt sind.
Dabei ist im Abschnitt 7-1 die ungesättigte Verbindung und im Abschnitt 7-2 die hydrierte, gesättigte Verbindung enthalten.
Um die ungesättigte Verbindung mit der Hydriereinheit 5 zu hydrieren, wird sie entsprechend dem Pfeil 25 aus dem Abschnitt 7-1 der Hydriereinrichtung 5 zugeführt und entsprechend dem Pfeil 6 nach der Hydrierung dem Abschnitt 7-2. Entsprechend wird die hydrierte Verbindung aus der Dehydriereinheit 9 entsprechend dem Pfeil 8 dem Abschnitt 7-2 entnommen und nach Dehydrierung entsprechend dem Pfeil 28 dem Abschnitt 7-1 zugeführt.
Dabei ist die Trennwand 24 entsprechend dem Doppelpfeil 29 auf- und abbewegbar, um das Volumen in den beiden Abschnitten 7-1 und 7-2 der jeweiligen Erzeugung und dem jeweiligen Bedarf/Stand von hydrierter, gesättigter Verbindung anzupassen.
Wie durch den Pfeil 30 in 1 gezeigt, kann die thermische Energie hoher Temperatur zur Dehydrierung der gesättigten Verbindung in der Dehydriereinheit 9 auch durch die Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplungs-Einrichtung 12 erhalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011121704 A1 [0002]
DE 102011111565 A1 [0002]
DE 102012005023 A1 [0002]

Claims

Anlage zur Energiespeicherung mit einer Wasserstofferzeugungseinrichtung, einem Tank (7) mit einem flüssigen organischen Wasserstoffträger, welcher durch Hydrierung einer ungesättigten Verbindung gebildet wird, und einer Hydriereinheit (5), mit der die ungesättigte Verbindung hydriert wird, einer Dehydriereinheit (9), mit der die ungesättigte Verbindung durch Erwärmung der hydrierten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff zurückgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zur Erwärmung der hydrierten Verbindung zur Rückbildung der ungesättigten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff durch eine Wärmepumpe (15) und/oder durch eine Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung (12) erzeugt wird.
Anlage in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (15) die thermische Energie mit niedriger Temperatur aufnimmt, die bei der Hydrierung der ungesättigten Verbindung in der Hydriereinheit (5) entsteht und unter Aufwendung von Arbeit in thermische Energie mit hoher Temperatur zur Erwärmung der hydrierten Verbindung zur Rückbildung der ungesättigten Verbindung unter Freisetzung von Wasserstoff in der Dehydriereinheit (9) umwandelt.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Einrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung (12) durch eine durch Verbrennung des in der Dehydriereinheit (9) freigesetzten Wasserstoffs angetriebene Einrichtung zur Stromerzeugung gebildet wird, deren Abwärme (30) den Wasserstoff in der Dehydriereinheit (9) aus der hydrierten Verbindung unter Rückbildung der dehydrierten Verbindung freisetzt.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wärmespeicher (16) zur Speicherung der mit der Wärmepumpe (15) umgewandelten thermischen Energie mit hoher Temperatur, wobei die Wärmepumpe (15) auch hinter dem Wärmespeicher (16) positioniert sein kann.
Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Wärmespeicher zur Speicherung der thermischen Energie mit niedriger Temperatur, die bei der Hydrierung der ungesättigten Verbindung in der Hydriereinheit (5) entsteht.
Anlage nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch einen Wärmespeicher (16) zur Speicherung der Abwärme der Einrichtung (12) der Kraft-Wärme-Kopplung.
Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (7) einen ersten Abschnitt (7-1) zur Aufnahme der ungesättigten Verbindung und einen zweiten Abschnitt (7-2) zur Aufnahme der hydrierten Verbindung aufweist, welcher von dem ersten Abschnitt (7-1) getrennt ist, wobei jeder Abschnitt (7-1, 7-2) mit der Hydriereinheit (5) und der Dehydriereinheit (9) verbindbar ist.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung des ersten Abschnitts (7-1) von dem zweiten Abschnitt (7-2) eine bewegliche Trennwand (24) in dem Tank (7) vorgesehen ist.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung der beiden Abschnitte (7-1, 7-2) in dem Tank (7) die gesättigte Verbindung mit geringerer Dichte in dem Tank (7) über der ungesättigten Verbindung mit der höheren Dichte geschichtet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff durch einen Dampfreformer (2) gebildet wird, der mit Deponie- oder Biogas betrieben wird.