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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese eines Wertstoffes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Synthesevorrichtung zur Synthese eines Wertstoffes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
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Im Rahmen der Energiewende sind zwei Zielrichtungen besonders im Fokus. Zum einen soll möglichst viel elektrische Energie durch erneuerbare Energiequellen bereitgestellt werden, was beispielsweise durch Windkraft oder durch Solarenergie erfolgt. Andererseits ist es das Hauptziel, Kohlendioxidausstoß auf ein Minimum zu reduzieren. Der Kohlendioxidausstoß, der insbesondere durch fossile Kraftwerke hervorgerufen wird, wird zwar grundsätzlich durch den Einsatz von regenerativen Energiequellen reduziert, da diese jedoch nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen, und die konventionellen, fossilen Kraftwerke nicht beliebig schnell in ihrer Energieerzeugung herauf- und heruntergefahren werden können, kommt es stets zu einem Zielkonflikt und zu Schwankungen im Energienetz.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die einerseits zu einer Reduktion des ausgestoßenen Kohlendioxids und zu einer Stabilisierung des Stromnetzes beiträgt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Synthese eines Wertstoffes mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie in einer Synthesevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Synthese eines Wertstoffes umfasst dabei folgende Schritte. Zum einen werden einem Vergaser eine kohlenstoffhaltige Substanz, wie beispielsweise Braunkohle aber auch Öle oder biologische Materialien, sowie Wasserdampf und Sauerstoff zugeführt. In dem Vergaser werden aus diesen Substanzen ein Synthesegas gebildet, das beispielsweise Kohlenmonoxid und Wasserstoff molekularer Form enthält. Dieses Synthesegas wird in einer weiteren Synthese umgesetzt und dabei wird, gegebenenfalls über mehrere Schritte, der Wertstoff synthetisiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schwellwert für ein Überangebot an elektrischer Energie im Stromnetz vorgesehen ist und der im Vergaser stattfindende Prozess mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz beheizt wird, wenn der Schwellwert überschritten wird. Das Überangebot an elektrischer Energie im Stromnetz äußert sich in der Regel durch einen Abfall des Strompreises an einer Strombörse, so dass das Überschreiten des genannten Schwellwertes typischerweise mit einem Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes des Strompreises korreliert. Eine weitere Größe zur Feststellung des Schwellwertes des Überangebotes liegt in der Messung der Netzfrequenz. Bei steigender elektrischer Energie im Netz steigt auch die Netzfrequenz, so dass auch die Netzfrequenz für ein Maß des Überangebotes an elektrischer Energie im Netz herangezogen werden kann. Daneben gibt es weitere Möglichkeiten, ein Überangebot an elektrischer Energie innerhalb eines Netzes festzustellen, zum Beispiel anhand einer erhöhten Spannung in einem Gleichstromnetz.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Ausbeute bei der Vergasung der Ausgangsstoffe und somit die Syntheseausbeute an Wertstoffen zu erhöhen, indem man günstigen und überschüssigen elektrischen Strom nützt, um den Wertstoff, der beispielsweise später wieder zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann, zu erzeugen. Ferner wird durch die Zuheizung durch elektrischen Strom der CO2-Ausstoß aus dem Vergaser bei der Herstellung des Synthesegases erniedrigt, da die an sich endotherme Reaktion zur Erzeugung des Synthesegases nicht durch Verbrennung von Kohlenstoff zu CO2 beheizt werden muss.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist zudem eine Elektrolysevorrichtung vorgesehen, wobei in der Elektrolysevorrichtung Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff jeweils in elementarer Form zerlegt wird. Der hieraus gewonnene Sauerstoff kann dabei dem Vergaser zugeführt werden, was eine deutliche Effizienzsteigerung in der Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Substanz und des Wasserdampfes zu dem Synthesegas führt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der in der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff dem Synthesegas bzw. der Synthese an sich zugeführt werden. Bei der Vergasung der kohlenstoffhaltigen Substanz mit Wasserdampf und Sauerstoff entsteht bei geeigneter Reaktionsführung Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wobei häufig für bestimmte Synthesezwecke der Wasserstoffanteil etwas zu gering ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, den durch das Elektrolyseverfahren gewonnenen molekularen Wasserstoff dem Synthesegas bzw. der Synthese zuzufügen.
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Dies geschieht wiederum bevorzugt dann, wenn ein zweiter Schwellwert des Überangebotes an elektrischer Energie im Stromnetz überschritten ist. Dieser zweite Schwellwert liegt zweckmäßigerweise aber nicht notwendigerweise niedriger als der erste Schwellwert. Beide Schwellwerte können auch gleichgroß sein. In diesem Fall würden die elektrische Beheizung des Vergasers und der Betrieb der Elektrolysevorrichtung gleichzeitig beginnen.
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Für die thermische Vergasung von Festbrennstoffen sowie von kohlenstoffhaltigen Substanzen sind mehrere Arten von Vergasern geeignet. Hierbei kann z.B. ein Flugstromvergaser, ein Wirbelschichtvergaser oder ein Festbettvergaser zweckmäßig sein. Daneben existieren auch Plasmavergaser, die insbesondere von Abfällen organischer Art, wie z.B. Kunststoffteile oder von Biomasse, zweckmäßig sind. Für die Beheizung des Vergasers durch elektrische Energie gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. Hier ist zum einen die konventionelle Widerstandsbeheizung zu nennen, die insbesondere beim Wirbelschichtvergaser Einsatz finden kann. Zudem sind auch sogenannte Plasmavergaser zweckmäßig, bei denen über ein Plasma elektrische Energie in den Vergasungsprozess eingebracht wird und hierdurch sehr hohe Temperaturen von über 2000 °C realisiert werden können. Die hohen Temperaturen führen zur Aufschmelzung von mineralischen Bestandteilen und zur Vergasung der organischen Bestandteile. Hierbei können auch sehr hohe Überschussleistungen aus dem Netz von mehreren Megawatt abgegriffen werden.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung besteht in einer Synthesevorrichtung zur Synthese eines Wertstoffes nach Patentanspruch 9. Diese Synthesevorrichtung umfasst einen Vergaser zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei diese Vergasung gemeinsam mit Wasserdampf und Sauerstoff erfolgt. Ferner ist eine Synthesevorrichtung vorgesehen, die zur Synthese eines Synthesegases dient, das als Resultat aus der Vergasung der genannten Stoffe im Vergaser entsteht. Diese Synthesevorrichtung dient zur Synthese des Wertstoffes. Diese Synthesevorrichtung kann mehrere Synthesestufen enthalten, wobei der entstehende Wertstoff auch über mehrere Zwischenproduktstufen zu seiner endgültigen Form gelangen kann. Die Syntheseanlage zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die in der Art ausgestaltet ist, dass sie bei Überschreiten eines Schwellwertes bezogen auf ein Angebot an elektrischer Energie im Stromnetz eine elektrische Beheizung des Vergasers einschaltet.
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Die Vorteile der beschriebenen Syntheseanlage sind identisch mit den Vorteilen, die auch das bereits beschriebene erfindungsgemäße Verfahren aufweisen. Es erfolgt eine Reduzierung des Kohlendioxidanteils bei der Herstellung des Wertstoffes und eine gleichzeitige Stabilisierung des Stromnetzes durch gezielte Abnahme überschüssiger elektrischer Energie zu einem wirtschaftlich günstigen Preis. Auf diese Weise kann der beschriebene Wertstoff einerseits ökologisch vertretbar und ökonomisch kostengünstig hergestellt werden. Der beschriebene Wertstoff dient gegebenenfalls auch als Energiespeicher, der bei Bedarf an elektrischer Energie beispielsweise durch Verbrennung zur Zurückverstromung eingesetzt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Elektrolysevorrichtung zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff vorgesehen, bei der eine Zuleitung des Sauerstoffes in den Vergaser und/oder eine Zuleitung des Wasserstoffes in die Synthesevorrichtung besteht. Auch hierbei ist es zweckmäßig, dass ein zweiter Schwellwert vorgesehen ist, bei dessen Überschreitung eine Zuschaltung der Elektrolysevorrichtung durch die Steuereinrichtung erfolgt.
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Weitere Merkmale und weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Syntheseanlage bzw. des Syntheseverfahrens,
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2 ein Zeit-/Durchsatzdiagramm, das die Veränderung des Durchsatzes verschiedener Komponenten in Abhängigkeit von der Zuschaltung elektrischen Stroms und in Abhängigkeit der Zeit darstellt,
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3 ein Diagramm, das die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes in Abhängigkeit der zugefügten elektrischen Leistung darstellt,
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4 eine Syntheseanlage bzw. eine schematische Darstellung des Syntheseverfahrens analog zu 1 mit einer zusätzlich eingefügten Elektrolysevorrichtung und
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5 eine analoge Darstellung zu 3, in der die zusätzliche Wirkungsweise der Elektrolysevorrichtung aufgezeigt wird.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Syntheseanlage 1 gegeben, die auf einen Vergaser 2 und einer daran angeschlossenen Synthesevorrichtung 6‘ basiert. In dem Vergaser 2 wird eine kohlenstoffhaltige Substanz, bevorzugt gemahlene Braunkohle, hier gekennzeichnet durch C, zusammen mit gasförmigem Wasser bzw. Wasserdampf, hier gekennzeichnet durch H2Og und Sauerstoff, dargestellt als O2, vergast.
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Bei der hier dargestellten Syntheseanlage 1 handelt es sich exemplarisch um einen Wirbelschichtvergaser, der durch eine elektrische Widerstandsbeheizung 9 beheizbar ist. Grundsätzlich können auch Flugstromvergaser und Festbettvergaser zum Einsatz kommen, die wiederum in vorteilhafter Weise aber nicht ausschließlich mit einer Plasmabeheizung 9‘ beheizbar sind.
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Der eingebrachte Kohlenstoff C und der Wasserdampf H2Og sowie der Sauerstoff O2 werden im Vergaser 2 zu einem Synthesegas 4 umgewandelt. Das Synthesegas 4 umfasst Wasserstoff und Kohlenmonoxid, ferner umfasst es auch Kohlendioxid CO2, das jedoch für die Weiterverarbeitung weniger vorteilhaft ist. Die Reaktion von Kohlenstoff C und Wasserdampf H2Og sowie Sauerstoff O2 ist eine endotherme Reaktion, die im Vergaser 2 nur dann abläuft, wenn im Vergaser 2 eine entsprechende Aktivierungsenergie eingebracht wird. Die Aktivierungsenergie kann beispielsweise dadurch eingebracht werden, dass der ohnehin vorliegende Kohlenstoff C mit Sauerstoff O2 verbrennt, wobei Kohlendioxid entsteht. Bei dieser Verbrennung wird chemische Energie frei, die im Weiteren die Reaktion zu dem Synthesegas H2 und CO unter Verwendung der bereits genannten Edukte bewirkt. Hinter dem Vergaser 2 kann eine Gasreinigungsvorrichtung 15 vorgesehen sein, in der das Synthesegas 4 gereinigt wird. Bei diesem Reinigungsprozess können auf der einen Seite Partikel abgetrennt werden, die unerwünscht sind, und es kann das Synthesegas 4 von Kohlendioxid CO2 befreit werden. Welche Mengen an Kohlendioxid CO2 zweckmäßig bzw. vertretbar sind, hängt im Wesentlichen von dem weiteren Syntheseverfahren 6 ab. Das gereinigte Synthesegas 4‘ wird in die Synthesevorrichtung 6‘ geleitet und dort synthetisiert. Bei der Synthesevorrichtung 6‘ kann es sich beispielsweise um eine Methanisierungsvorrichtung, eine Methanolsyntheseanlage oder eine sogenannte Fischer-Tropsch-Syntheseanlage handeln. Das Fischer-Tropsch-Verfahren bietet die Möglichkeit, aus dem Synthesegas 4 synthetische Kraftstoffe sowie Motoröle oder Kohlenwasserstoffe darzustellen. Beispielsweise können als Produkte Alkane, Alkene oder Alkohole entstehen. Ferner fallen je nach Reaktionsführung als Nebenprodukte Ethanol, Aceton, Ethen, Propen oder höhere Olefine an. Wertstoffe 20‘, die während der Synthese 6 dargestellt werden, können gegebenenfalls in einer Wertstoffaufbereitungsvorrichtung 7 aufbereitet werden, so dass reine Wertstoffe 20 gewonnen werden.
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Durch das beschriebene Verfahren wird aus den Edukten Kohlenstoff C, Wasserdampf H2Og und Sauerstoff O2 ein organischer Wertstoff 20 erzeugt, der entweder als chemisches Produkt bzw. Halbprodukt für weitere chemische Synthesen verwendet werden kann oder der gespeichert werden kann und bei Bedarf unter Gewinnung von elektrischer Energie verbrannt werden kann. Bei der Umsetzung der Edukte zu einem organischen Gas wie Methan kann dieses auch alternativ in die Ferngasleitung eingespeist werden. Es handelt sich hierbei demnach um ein zweckmäßiges Syntheseverfahren, das je nach äußeren Parametern gegebenenfalls von sich aus ökonomisch rentabel durchgeführt werden kann.
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Das beschriebene Syntheseverfahren mit der beschriebenen Syntheseanlage bietet aber dann einen ganz besonderen Vorteil, wenn dem Vergaser 2 elektrische Energie 8 durch eine Heizvorrichtung 9 bzw. 9‘ (vgl. 4) zugefügt wird. Die Wirkung, die die Zufuhr von elektrischer Energie 8 auf den Gesamtprozess hat, wird in 2 veranschaulicht. In der 2 ist auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen, an der Y-Achse sind zum einen die elektrische Leistung mit dem Bezugszeichen 16 aufgetragen und ein Durchsatz an verschiedenen Stoffen aufgetragen, der mit dem Bezugszeichen 18 veranschaulicht ist. Der Durchsatz 18 bezieht sich insbesondere auf die Edukte Kohlenstoff C und Sauerstoff O2 sowie auf das Produkt, also den Wertstoff 20, der hier beispielsweise in Form von Methan dargestellt ist. Im linken Bereich der Graphik nach 2 ist eine Vergasung und Synthese mit konventionellen Mitteln dargestellt, wie sie bereits beschrieben ist. Hierbei wird Kohlenstoff C und Sauerstoff O2 dem Vergaser 2 zugefügt, es entsteht am Ende der Syntheseanlage 1 der Wertstoff 20. In dieser Phase wird der Vergaser 2 nicht mit elektrischer Energie beheizt, dies ist erkenntlich an der Kurve 8, die für die elektrische Energie 8 steht und die in diesem Bereich konstant 0 ist. Im nächsten Bereich wird die Kurve 8 steil nach oben gefahren, das bedeutet, dass in kurzer Zeit elektrische Energie 8 zugeführt wird. Gleichzeitig ist zu erkennen, wie die Sauerstoffkurve O2 steil nach unten abfällt und der Durchsatz an Wertstoff 20 stark erhöht wird. Der Durchsatz an Kohlenstoff C wird nur geringfügig erhöht.
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Der Anstieg der Kurve 8 erfolgt dann, wenn ein Schwellwert für einen Strompreis unterschritten ist, d.h. also einerseits elektrischer Strom günstig an der Strombörse erhältlich ist, was wiederum bedeutet, dass das Stromnetz mit sehr viel überschüssigem Strom belastet ist. Dieser Stromüberschuss entsteht insbesondere dann, wenn wenig Energie aus dem Netz abgenommen wird aber durch Wetterbedingungen beispielsweise bei starkem Wind oder bei viel Sonne sehr viel Energie durch regenerative Energiequellen eingespeist wird. Wird der Schwellwert durch den Strompreis wieder überschritten, so wird die Energiezufuhr elektrischer Energie 8 beendet, so dass die Energiekurve 8 in der 2 steil wieder auf 0 abgesenkt wird. Im gleichen Zug sinkt auch wieder der Output an Wertstoff 20 und es steigt im selben Maße der Bedarf an Sauerstoff O2.
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Als Maß für den Schwellwert der elektrischen Energie, die im Netz verfügbar ist, kann neben dem Strompreis auch die Netzfrequenz herangezogen werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn es sich um abgeschlossene, ggf. lokal begrenzte Stromnetze handelt, dessen Energie nicht an einer Strombörse gehandelt wird. Bei steigender bzw. überschüssiger Energie im Stromnetz steigt auch die Netzfrequenz an.
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Während der Zufuhr von elektrischer Energie 8 erfolgt die Beheizung des Vergasers 2 und somit die Einbringung der Aktivierungsenergie zum größten Teil elektrisch. Das bedeutet, dass die Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zur Beheizung des Vergasers stark reduziert wird. Dies begründet den starken Abfall der Sauerstoffkurve O2. Gleichzeitig wird aber insgesamt die Bildung des Synthesegases 4 deutlich beschleunigt, was dazu führt, dass auch in der Synthesevorrichtung 6‘ die Synthese 6 zum Wertstoff 20 beschleunigt wird. Dabei ist zu sagen, dass es sich hierbei sowohl beim Vergasen als auch bei der Gasreinigung 15 und der Synthese 6 um kontinuierliche Prozesse handelt, die bevorzugt ohne Unterbrechung ablaufen. Die Steigerung der Produktion von Synthesegas 4 führt somit direkt auch zu einer Erhöhung der Produktion des Wertstoffes 20. Der leichte Anstieg des Kohlenstoffdurchsatzes in 2 während der Zuheizung durch elektrische Energie 8 ist dadurch zu erklären, dass zwar weniger Kohlenstoff zu Heizzwecken verbrannt wird, aber dieser in der Produktion des Synthesegases 4 bzw. in der Synthese 6 des Wertstoffes 20 genutzt wird.
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In 3 ist eine quantitative Darstellung von verschiedenen Werten gegeben, die in 2 lediglich qualitativ dargestellt sind. Die Werte, die in 3 dargestellt sind, ergeben sich aus einer thermodynamischen Simulation. Hierbei ist auf der X-Achse die elektrische Leistung 16 angegeben, die in Megawatt dargestellt ist. An der linken Y-Achse ist mit dem Bezugszeichen 22 der Kohlendioxid CO2- und Sauerstoff O2-Ausstoß bzw. -Bedarf in kg/s dargestellt. An der rechten Y-Achse ist ein Brennwert des Wertstoffes 20, hier exemplarisch an dem Wertstoff Methan, in Megawatt dargestellt.
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Die 3 zeigt, dass bei einer kontinuierlichen Zufuhr von elektrischer Leistung 16 von 0 bis nahe 6 MW der Sauerstoff-Bedarf O2 von etwa 0,6 kg/s auf 0 absinkt. Der CO2-Ausstoß CO2 sinkt von etwa 1,3 kg/s auf etwa 0,8 kg/s ab. Im Gegenzug dazu steigt die Wertstoffproduktion 20 an. Diese ist angegeben in Form der im produzierten Wertstoff 20 enthaltenden chemischen Energie, die an der rechten Y-Achse in Form von Megawatt dargestellt ist. Der Anstieg der Produktion des Wertstoffes 20, hier Methan, steigt von 12 MW chemischer Energie auf etwa 16 MW chemischer Energie an.
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In 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform der Syntheseanlage 1, hier als 1‘ bezeichnet, dargestellt, die zusätzlich zu der in 1 dargestellten Syntheseanlage 1 eine Elektrolysevorrichtung 10 umfasst. In der Elektrolysevorrichtung 10 wird das zugeführte Wasser H2O zu molekularem Sauerstoff O2 und molekularem Wasserstoff H2 zerlegt.
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Es ist eine Sauerstoffzuleitung 14 vorgesehen, über die der Sauerstoff O2 direkt in den Vergaser 2 eingebracht wird. Durch Einbringen von reinem Sauerstoff O2 in den Vergaser 2 wird dessen Effektivität gegenüber Luft, die ansonsten die Sauerstoff O2-Zufuhr darstellt, grundsätzlich erhöht. Zudem bzw. alternativ dazu kann der durch die Elektrolyse gewonnene Wasserstoff H2 der Synthese 6 zugefügt werden, um das Synthesegas 4 bzw. das gereinigte Synthesegas 4‘ entsprechend anzureichern bzw. dieses für gewisse Syntheseverfahren genau einzustellen. Die Zuschaltung der Elektrolysevorrichtung erfolgt durch eine Steuereinrichtung und zwar dann, wenn ein zweiter definierter Schwellwert für den Strompreis unterschritten ist.
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In 5 ist eine analoge Darstellung wie die in 3 gegeben. Die Aufteilung an den Achsen X, Y1 und Y2 ist dabei gleich, lediglich ist an der Y2-Achse, also an der rechten Y-Achse, nicht der Brennwert des Produktes, sondern des erzeugten Synthesegases 4 dargestellt, dieser ist jedoch proportional zum Brennwert eines daraus synthetisierten Wertstoffes 20. Die 5 unterscheidet sich von der 3 insbesondere darin, dass entlang der X-Achse zwei Bereiche zu unterscheiden sind, wobei ein Bereich 24, gekennzeichnet durch den Pfeil 24, die analoge Darstellung zu 3 wiedergibt, in der lediglich eine elektrische Beheizung des Vergasers 2 erfolgt. Der Pfeil 26 rechts von der gestrichelten Linie der veranschaulicht die zusätzliche Einbringung von Wasserstoffdurch die Elektrolyse. Es ist zu erkennen, dass in diesem Fall der Einsatz der Elektrolysevorrichtung 10 erst erfolgt, wenn der Sauerstoff-Bedarf O2 bereits durch elektrisches Zuheizen auf 0 abgesenkt wurde. Der Kohlendioxid CO2-Ausstoß sinkt ebenfalls mit zunehmender Einbringung von elektrischer Energie schließlich bis auf 0 ab. Gleichzeitig steigt der Output an Synthesegas deutlich an und erreicht bei 35 MW eingebrachte elektrische Energie ebenfalls 35 MW. Dies bedeutet, dass es hierbei sich um eine sehr wirtschaftliche Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie handelt, die nur geringe Verluste aufweist. Somit kann das Synthesegas 4 grundsätzlich als chemischer Energiespeicher bei überschüssiger elektrischer Energie angesehen werden, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
