DE102021100193A1

DE102021100193A1 - Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts

Info

Publication number: DE102021100193A1
Application number: DE102021100193.5A
Authority: DE
Inventors: Dimitri Zittel; Julia Buchner; Frank Wieczorek; Harald Schick
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-07-14
Also published as: EP4026932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts. Das Verfahren umfasst die Herstellung (10) von Wasserstoff (1) am Industriestandort (100) durch Wasserelektrolyse (11), wobei für die Wasserelektrolyse (11) benötigter Strom (3) zumindest teilweise am Industriestandort (100) aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird; und das Verwenden des hergestellten Wasserstoffs (1) in mindestens einer industriellen Anwendung (30) am Industriestandort (100) und/oder als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (20) am Industriestandort (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts.
Durch den Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase, wie beispielsweise CO2, von Industriestandorten schreitet die Erderwärmung fort. Daher wird zunehmend angestrebt, industrielle Prozesse zu optimieren, um einen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz zu leisten und nachhaltiger zu wirtschaften.
Aus der Praxis sind hierfür bereits Ansätze bekannt, bei denen beispielsweise ein Teil des lokalen Strombedarfs eines Industriestandorts aus erneuerbar erzeugter Energie gedeckt wird, z. B. indem freie und sonst ungenutzte Flächen wie Dächer oder Fassaden mit Photovoltaikanlagen bestückt werden. Die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen ist jedoch oftmals allein nicht ausreichend, um die CO2-Bilanz eines Industriestandorts im gewünschten Maße zu reduzieren.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Ansatz zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Ansätze vermieden werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Dekarbonisierung und/oder zur Reduzierung der CO2-Emissionen eines Industriestandorts bereitgestellt. Hierbei umfasst das Verfahren die Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort durch Wasserelektrolyse, wobei für die Wasserelektrolyse benötigter Strom zumindest teilweise am Industriestandort aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird. Ferner umfasst das Verfahren das Verwenden des hergestellten Wasserstoffs in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort und/oder als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort.
Erfindungsgemäß wird Wasserstoff am Industriestandort sowohl klimafreundlich hergestellt als auch verbraucht. Da Wasserstoff ein vielfältig einsetzbarer Energieträger ist, kann hierdurch ein besonders vorteilhafter Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandorts geleistet werden. Beispielsweise kann eine CO2-Emissionen verursachende externe Anlieferung des für Industrieprozesse benötigten Wasserstoffs vermieden oder zumindest reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der produzierte Wasserstoff als klimafreundliche Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Standort genutzt werden, so dass die CO2-Bilanz des Standorts weiter verbessert werden kann.
Unter dem Begriff Dekarbonisierung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Umstellung der Wirtschaftsweise des Industriestandorts in Richtung eines niedrigeren Umsatzes von Kohlenstoff erfolgt. Hierzu kann sowohl unmittelbar als auch mittelbar vermiedener Kohlenstoff, indem z. B. Lieferverkehr reduziert wird, zählen.
Der Industriestandort kann ein Produktions- und/oder Entwicklungsstandort eines Unternehmens sein. Unter einer industriellen Anwendung kann jedwede Form von industriellen Prozessen und Verfahren verstanden werden, die in einem industriellen Kontext Praxis sind. Eine industrielle Anwendung kann ein Entwicklungsprozess und/oder oder Produktionsprozess eines Industrieunternehmens sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Industriestandort ein Produktions- und/oder Entwicklungsstandort, an dem ein Wasserstoffantrieb für Fahrzeuge, vorzugsweise Kraftfahrzeuge, entwickelt und/oder produziert wird. Die mindestens eine industrielle Anwendung kann die Entwicklung und/oder Produktion eines Wasserstoffantriebs für Fahrzeuge, vorzugsweise Kraftfahrzeuge, umfassen. Wasserstoffantriebe können Wasserstoffbrennstoffzellen und/oder Wasserstoffverbrennungsmotoren umfassen.
Der Wasserstoff kann lediglich beispielhaft zum Testen eines Wasserstoffantriebs im Rahmen eines Entwicklungsprozesses, zur Erstbetankung von produzierten Fahrzeugen und/oder für die Betankung im Rahmen von Testfahrten verwendet werden.
Dies bietet den Vorteil, dass für die Entwicklung und/oder Produktion eines Wasserstoffantriebs benötigter Wasserstoff klimafreundlich lokal hergestellt wird. Ein Bezug von extern hergestelltem Wasserstoff, der angeliefert werden muss, kann vorteilhaft vermieden werden. Wird der klimafreundlich lokal hergestellte Wasserstoff darüber hinaus als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort genutzt, können die CO2-Bilanz und die Dekarbonisierung des Industriestandorts noch weiter verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird für die Wasserelektrolyse zumindest teilweise am Industriestandort anfallendes und aufbereitetes Industriewasser verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass hierdurch auch ein umweltschonender Umgang mit Wasser erfolgt, der die lokale Wasserwirtschaft entlastet, sodass weniger Schmutz- und Abwasser in die Umwelt gelangen. Die Umweltfreundlichkeit des Standorts wird dadurch weiter verbessert.
Unter Industriewasser kann beispielsweise durch einen Produktionsprozess verunreinigtes Wasser verstanden werden. Unter Industriewasser können beispielsweise allgemeiner Formen von Abwasser, Emulsionen und/oder Schmutzwasser verstanden werden, die am Industriestandort anfallen, welche durch zweckmäßige Aufbereitungsprozesse aufbereitet werden und/oder aufbereitbar sind, so dass das aufbereitete Wasser in der Wasserelektrolyse verwendet werden kann.
In Produktionsprozessen werden bei beispielsweise spanenden Verfahren Emulsionen zur Kühlung und zum Spanabtransport bei einem Werkzeugeingriff genutzt, sodass hieraus Industriewasser bzw. Schmutzwasser entsteht, welches mit Feststoffpartikeln, z. B. Aluminium, angereichert ist. Es sind aber auch alle anderen Formen von Abwasser denkbar, wie sie in den verschiedensten Anwendungen, beispielweise Reinigungen von Anlagen, an einem Industriestandort denkbar sind. Auch das Nutzen von Regenwasser, welches am Industriestandort gesammelt werden kann, kann hierunter verstanden werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird für die Wasserelektrolyse am Industriestandort vorhandenes Grundwasser verwendet. Das Nutzen des Grundwassers entlastet unter anderem die Wasserversorgung aus externen Quellen und senkt die Kosten für die Nutzung von Frischwasser aus einer öffentlichen Versorgung. Die Umweltfreundlichkeit des Standorts wird dadurch weiter verbessert. Grundwasser kann insbesondere die Nutzung von Brunnenwasser umfassen, welches am Industriestandort aus lokalen Brunnen geschöpft werden kann. Das Grundwasser kann ebenfalls für die Verwendung in der Wasserelektrolyse aufbereitet werden.
Die Aufbereitung des Industriewassers und/oder des Grundwassers kann folgende Schritte umfassen: eine Reinigung des Wassers in einer Vakuumverdampferanlage, eine Umkehrosmose und eine Vollentsalzung und/oder De-ionisierung mittels einer Vollentsalzungsanlage.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Verwenden von durch die Wasserelektrolyse hergestelltem Sauerstoff in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort, beispielsweise in Schweiß-Anwendungen.
Dies hat den Vorteil, dass Synergieeffekte genutzt werden können, indem Sauerstoff, welcher für eine industrielle Anwendung benötigt wird, vor Ort hergestellt wird und damit gleichzeitig auf eine externe Zulieferung von Wasserstoff verzichtet oder eine externe Zulieferung zumindest reduziert werden kann, die mittelbar auch Verursacher für einen Kohlenstoffdioxid-Ausstoß sind. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden.
Für Schweiß-Anwendungen, wie z. B. das Autogenschweißen, wird Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases, wie beispielweise Methan, Argon, Propan oder Wasserstoff, genutzt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verwenden des hergestellten bzw. überschüssigen Wasserstoffs als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort die Nutzung zumindest eines Teils des hergestellten Wasserstoffs zur umweltfreundlichen Wärme- und/oder Stromerzeugung durch ein am Industriestandort angeordnetes Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, KWK. Das Kraftwerk kann vorzugsweise als Blockheizkraftwerk ausgeführt sein. Die innovative Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage bietet sehr hohe Flexibilität bei der Stromerzeugung und wird individuell bei der Schwankungen im Stromnetz eingesetzt. Vorzugsweise erfolgt eine Stromerzeugung zur Abdeckung der Spitzenlasten im Stromnetz.
Dies hat den Vorteil, dass die Wärme- und/oder Stromerzeugung lokal am Industriestandort nachhaltig durch lokal aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugten Wasserstoff erfolgt. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden. Wasserstoff lässt sich in kompakter Form in Speichertanks speichern und dem Kraftwerk bedarfsgerecht zuführen.
Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung nutzen die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärme. Kraftwerke mit KWK können Gasturbinen, Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellenanlagen umfassen. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass diese eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie im Vergleich zu einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme aufweisen können. Damit sind solche Anlagen besonders umweltfreundlich.
In einer weiteren Ausführungsvariante der vorgenannten Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Vermischen eines Teils des hergestellten Wasserstoffs mit Methan und Zwischenspeichern des resultierenden Wasserstoff-Methan-Gemisches in einem Brennstoff-Zwischenspeicher, z. B. in einem druckfesten Kryotank im flüssigen Aggregatszustand und das Zuführen des zwischengespeicherten Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff zum Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung.
Die Verwendung eines Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff für das Kraftwerk am Industriestandort ermöglicht auch die Verwendung von Kraftwerken, die für Methan als Brennstoff ausgelegt sind. Vorteilhafterweise wird bei einem Vermischen eines Teils des hergestellten Wasserstoffs mit Methan ein Wasserstoffanteil von 30 % nicht überschritten. Alternativ kann der erzeugte Wasserstoff direkt als Brennstoff verwendet werden.
An dieser Stelle ist anzumerken, dass eine Notfallwasserstoffversorgung eingerichtet sein kann, die z. B. im Falle eines Ausfalls einer Wasserstoffversorgung durch Wasserelektrolyse eine Wasserstoffversorgung gewährleisten kann. Eine Versorgung durch einen externen Lieferanten kann z. B. über die Lieferung von Flüssigwasserstoff in Tanks erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Verfahren eine Methanisierung von als Abgas von dem Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugtem Kohlenstoffdioxid unter Verwendung von dem am Industriestandort hergestellten Wasserstoff. Die vom Kraftwerk erzeugten CO2-Emissionen in die Umwelt werden somit gemäß dieser Ausführungsvariante zumindest zum Teil reduziert, indem das erzeugte CO2 mittels Methanisierung zu Methan umgewandelt wird und anschließend das erzeugte Methan wieder dem Kraftwerk als Brennstoff zugeführt wird. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden.
Das Verfahren kann hierbei optional das Verwenden des durch die Methanisierung hergestellten Methans für das Vermischen mit einem Teil des hergestellten Wasserstoffs und/oder Zwischenspeichern von durch die Methanisierung erzeugtem Methan in dem Brennstoff-Zwischenspeicher umfassen. Das Verfahren der Methanisierung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und muss hier nicht näher beschrieben werden. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens können zum Abscheiden des Kohlenstoffdioxids aus dem Abgas des Kraftwerks und zur Methanisierung des Kohlenstoffdioxids aus dem Stand der Technik bekannte Anlagen und Katalysatoren verwendet werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann eine Zuführung des Brennstoffs zum Kraftwerk des Industriestandortes auch ohne eine Zwischenspeicherung des Brennstoffgemisches in einem Brennstoff-Zwischenspeicher erfolgen. Hierfür kann sowohl reiner hergestellter Wasserstoff als auch hergestellter Wasserstoff, welcher beim Zuführen mit Methan vermischt wird, dem Kraftwerk zugeführt werden. Das zum Vermischen genutzte Methan kann sowohl aus der Methanisierung als auch aus einer bestehenden externen Zuführung von Methan bereitgestellt werden. Auch ein gleichzeitiger Bezug aus beiden Methanquellen kann erfolgen. Das Methan, welches aus der externen Zuführung entstammt, ist vorzugsweise Biomethan (synonym Bioerdgas). Als Biomethan wird Methan bezeichnet, das nicht fossilen Ursprungs ist, sondern aus biogenen Stoffen erzeugt wurde und Bestandteil von Biogas ist. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden. Bei einem Vermischen von hergestelltem Wasserstoff und Methan wird vorzugsweise ein Wasserstoffanteil von 30 % nicht überschritten.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ausgeführt sein, dass sowohl bei der Ausführungsvariante mit als auch ohne Brennstoff-Zwischenspeicher eine Zufuhr von Methan zum Kraftwerk, sowohl aus externem Bezug als auch aus der Methanisierung, ohne eine vorherige Vermischung mit hergestelltem Wasserstoff möglich ist. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei Ausfall einer Wasserstoffherstellung oder bei nicht ausreichender Wasserstoffherstellung am Standort ein Betrieb des Kraftwerks sichergestellt werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren ferner das Einspeisen von durch das am Industriestandort angeordnete Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugter und am Industriestandort nicht benötigter Wärme und/oder Strom in ein öffentliches Wärme- und/oder Stromnetz umfassen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann Wärme, die im Abgas des Kraftwerks enthalten ist, zumindest zum Teil rückgewonnen werden, z. B. mittels eines Wärmetauschers, und am Industriestandort genutzt werden. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Auslastung des Kraftwerks mit Kraft-Wärme-Kopplung zur Stabilisierung oder zum Ausgleich von Bedarfsschwankungen des öffentlichen Wärme- und/oder Stromnetzes aktiv gesteuert werden. Bekanntermaßen sind öffentliche Wärme- und/oder Stromnetze zunehmend größeren Bedarfsschwankungen ausgesetzt, resultierend aus den Angebotsschwankungen bei erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Biomasse etc.), deren Anteil an der Strom- und Wärmeerzeugung stetig zunimmt. Durch die erfindungsgemäße Erzeugung von Wasserstoff aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle kann eine vorteilhafte Entkopplung von diesen Angebotsschwankungen erzielt werden, da der erzeugte Wasserstoff zwischengespeichert werden kann. Wenn es nun im öffentlichen Strom- und/oder Wärmenetz ein Unterangebot herrscht, kann die Auslastung des Kraftwerks hochgefahren werden, um den/die in das öffentliche Netz eingespeiste(n) Strom und/oder Wärme zu erhöhen. Bei einem Überangebot im öffentlichen Netz kann die Auslastung des Kraftwerks entsprechend reduziert werden.
Entsprechend kann das Kraftwerk zur Stabilisierung eines öffentlichen Strom- und/oder Wärmenetzes beitragen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine bei der Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse erzeugte Abwärme in ein Nahwärmenetz am Industriestandort eingespeist werden. Die Abwärme kann vorzugsweise mittels eines ersten Wärmetauschers aus dem hergestellten Wasserstoff und/oder mittels eines zweiten Wärmetauschers aus einem durch die Wasserelektrolyse hergestellten Sauerstoff gewonnen werden.
Dies bietet den Vorteil, dass die Abwärme, die im Prozess der Wasserelektrolyse entsteht, nicht dissipiert, sondern auf vorteilhafte Weise einem Nahwärmenetz zugeführt werden kann.
Vorzugsweise kann ferner eine Wärmeauskopplung aus der durch die Wasserelektrolyse gewonnenen Wärme über eine Wärmepumpe, z. B. für Hochtemperaturnetze, erfolgen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann für die Wasserelektrolyse ein Protonen-Austausch (engl. Proton Exchange Membrane, PEM)-Elektrolyseur verwendet werden.
Ein PEM-Elektrolyseur bietet den Vorteil, dass dieser einen relativ hohen Ausgangsdruck der Produkte Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt (bis zu 50 bar), sodass weniger Energie für etwaige folgende Verdichtungsprozesse benötigt wird. Darüber hinaus arbeitet der PEM-Elektrolyseur zwischen Raumtemperatur und 80 °C, sodass keine besonders temperaturbeständigen Materialien benötigt werden und dieser dennoch als Abwärmequelle genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist die modulare Bauweise von PEM Elektrolyseuren, sodass einfache Erweiterungen eines Systems möglich sind und damit ein Aufbau einer Anlage Stück für Stück erfolgen kann. Ein großer Vorteil des PEM-Elektrolyseurs sind ferner die kurzen Anfahrzeiten (5 bis 10 Minuten) und die große Teillastfähigkeit (5 % bis 100 % der möglichen Leistung), die in Kombination mit einer erneuerbaren Energiequelle, wie z. B. einer Photovoltaikanlage, besonders vorteilhaft sind. Daher ist ein PEM-Elektrolyseur besonders vorteilhaft verglichen mit einem Hochtemperatur-Elektrolyseur oder einem alkalischen Elektrolyseur.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine am Industriestandort vorgesehene Stickstoff-Versorgungseinrichtung und/oder Druckluft-Versorgungseinrichtung in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort verwendet werden und zusätzlich zur Reinigung des Protonen-Austausch-Elektrolyseurs, vorzugsweise zur Reinigung von dessen Protonen-Austausch-Membran, verwendet werden.
Auf vorteilhafte Weise kann eine vorhandene Stickstoff-Versorgungseinrichtung, wie diese z. B. zur Bereitstellung von Inertgas bei Schweißprozessen genutzt wird, auch für eine Reinigung des Elektrolyseurs eingesetzt werden. Dies spart Kosten und leistet durch die doppelte Nutzung einer Stickstoff- und/oder Sauerstoff-Anlage mittelbar einen weiteren Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandortes.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird Druckluft aus der Druckluft-Versorgungseinrichtung zusätzlich oder ausschließlich für eine Steuerung des PEM-Elektrolyseurs genutzt. Vorteile ergeben sich gemäß oben genannter Ausführung.
Druckluft ist für die Regelung von pneumatischen Regelventilen des PEM-Elektrolyseurs erforderlich. Die Regelventile werden sowohl wasser- als auch gasseitig eingesetzt. Der Vorteil ist dabei, dass die Infrastruktur bereits vorhanden ist und im Elektrolyseverfahren weiter genutzt werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein am Industriestandort vorgesehener Kühlwasserkreislauf in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort verwendet werden und zusätzlich zur Kühlung des durch die Wasserelektrolyse hergestellten Wasserstoffs und/oder Sauerstoffs verwendet werden. Vorteilhaft kann gemäß dieser Ausführungsform ein Kühlkreislauf am Industriestandort doppelt genutzt werden und somit mittelbar einen weiteren Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandortes leisten.
Vorstehend wurde festgestellt, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der für die Wasserelektrolyse benötigte Strom aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle am Industriestandort erzeugt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieser Strom mittels einer am Standort angeordneten Photovoltaikanlage und/oder Windkraftanlage erzeugt und zumindest zum Teil in einem Speicher für elektrische Energie zwischengespeichert. Alternativ oder zusätzlich können andere regenerative Energiequellen (z. B. Biomasse, Geothermie etc.) zur Stromerzeugung genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann für die Wasserelektrolyse benötigter Strom bei Bedarf zusätzlich von einem öffentlichen Stromnetz bezogen werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine davon gespeiste Wasserelektrolyse auch durchgeführt werden kann, wenn ein Stromzwischenspeicher entladen ist oder lokal nicht ausreichend Strom produziert werden kann.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Prozessskizze zur Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort durch Wasserelektrolyse und eine Verwendung des hergestellten Wasserstoffs in mindestens einer industriellen Anwendung und zur Wärme- und Stromerzeugung; und
2 eine schematische Prozessskizze einer Wasseraufbereitung.

1 zeigt eine schematische Prozessskizze zur Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort durch Wasserelektrolyse und eine Verwendung des hergestellten Wasserstoffs in mindestens einer industriellen Anwendung und zur Wärme- und Stromerzeugung.
Bei dem Industriestandort 100 handelt es sich vorliegend lediglich beispielhaft um einen Produktions- und Entwicklungsstandort, an dem Wasserstoffantriebe für Kraftfahrzeuge entwickelt und produziert werden. Der Industriestandort ist hier schematisch durch die mit dem Bezugszeichen 100 umrandete Fläche gekennzeichnet, innerhalb derer neben industriellen Prozessen 30, wie der Entwicklung 30a und Produktion 30b eines Wasserstoffantriebs, ferner Wasserstoff lokal hergestellt und verwendet wird, was nachfolgend erläutert ist.
Innerhalb des Industriestandorts sind insbesondere die drei Bereiche Herstellung 10 von Wasserstoff 1 am Industriestandort 100 durch Wasserelektrolyse 11, Wärme- und Stromerzeugung 20 sowie die industrielle Anwendung 30 dargestellt.
Wasserelektrolyse beschreibt bekanntermaßen die Spaltung von Wasser (H₂O) durch Stromzufuhr in die Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂), wobei hierbei das Produkt Wasserstoff zu zwei Teilen und das Produkt Sauerstoff zu einem Teil erzeugt wird. Die dazugehörige Reaktionsgleichung lautet wie folgt: 2 * H₂O → 2 * H₂ + O₂
Eine am Industriestandort angeordnete Photovoltaikanlage 7 erzeugt am Industriestandort Strom 3 aus Sonnenergie. Dieser Strom 3 wird für Wasserelektrolyse 11 verwendet. Der regenerativ erzeugte Strom 3 kann hierzu in einem elektrischen Energiespeicher 8 zwischengespeichert werden oder direkt dem Elektrolyseur der Wasserelektrolyse 11 zugeführt werden. Der Elektrolyseur ist ein PEM-Elektrolyseur 11. Alternativ kann auch Strom 3 aus dem öffentlichen Stromnetz 6b dem PEM-Elektrolyseur 11 zugeführt werden.
Zusätzlich zum Strom 3 werden dem PEM-Elektrolyseur 11 Druckluft 16, Stickstoff 17 und Wasser 12 bereitgestellt. Beim dem Wasser 12 handelt es sich zumindest zum Teil um am Industriestandort anfallendes Industriewasser und/oder Grundwasser, das zur Verwendung in der Wasserelektrolyse vorher entsprechend zweckmäßig aufbereitet wird. Dies ist nachfolgend in Zusammenhang mit 2 näher beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Druckluft 16 zur Steuerung des PEM-Elektrolyseurs 11 genutzt und der Stickstoff 17 zur Reinigung des PEM-Elektrolyseurs 11. Insbesondere, wenn der PEM-Elektrolyseur keinen Wasserstoff 1 produziert, können mit dem Stickstoff 17 die Membranen des PEM-Elektrolyseurs 11 gereinigt werden.
Durch eine Zufuhr des Wassers 12 und des Stroms 3 können durch Spaltung des Wassermoleküls Wasserstoff 1 und Sauerstoff 2 hergestellt werden.
Dem PEM-Elektrolyseur 11 und dem hierüber hergestellten Wasserstoff 1 werden über einen ersten Wärmetauscher 15a und dem hergestellten Sauerstoff 2 über einen zweiten Wärmetauscher 15b Wärme 4 entzogen. In 1 ist dies vereinfacht dargestellt. Die Wärme 4 wird dem Wasserstoff 1 sowie dem Sauerstoff 2 in einem Trocknungsprozess entzogen.
Eine beispielhafte Realisierung (nur zum Teil in 1 dargestellt) sieht hierbei vor, dass der hergestellte Wasserstoff aus dem Elektrolyseur kommend einen Wasserstoff-Abscheider (nicht dargestellt) durchläuft, in welchem Wasser aus dem feuchten Wasserstoff abgeschieden wird. In einem nächsten Schritt wird dem noch mit einer Restfeuchte beinhaltenden abgeschiedenen Wasserstoff mittels des ersten Wärmetauschers 15a Wärme entzogen. Der abgekühlte Wasserstoff gelangt danach in einen Wasserstoff-Trockner (nicht dargestellt), der nochmals vorhandene Restfeuchte aus dem Wasserstoff entzieht. Ein sich daraus ergebender Wasserstrom gelangt von dort nochmals in den Wasserstoff-Abscheider. Der getrocknete Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Trockner wird im nächsten Schritt verdichtet, wobei der Verdichter eine beliebige Anzahl Verdichtungsstufen umfassen kann. Durch die im Verdichtungsprozess in den Wasserstoff eingebrachte Arbeit und eine damit einhergehende Erwärmung des Wasserstoffs wird im nächsten Schritt mittels eines Kühlkreislaufes wieder entzogen, bevor der Wasserstoff in dem Wasserstoffspeicher 13 gespeichert wird. Auf den Kühlkreislauf wird in einem späteren Abschnitt erneut eingegangen.
Eine analoge Prozesskette ergibt sich optional für den hergestellten Sauerstoff, wobei der zweite Wärmetauscher 15b eingesetzt wird, um dem Sauerstoff eine Wärme 4 zu entziehen, und kein Verdichter eingesetzt wird, bevor der Sauerstoff 2 in geeigneten Sauerstoffspeichern (nicht dargestellt) gespeichert wird.
Sowohl das Wasser aus dem Wasserstoff-Abscheider als auch der Sauerstoff aus dem Sauerstoff-Abscheider werden in separate Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Ablassbehälter geleitet, aus denen jeweils feuchter Wasserstoff bzw. feuchter Sauerstoff entweichen kann und das entstehende Wasser danach jeweils optional wieder der Wasserelektrolyse zugeführt werden kann. In einer Ausführungsvariante kann das Wasser vorzugsweise vor Zuführung zur Wasserelektrolyse de-ionisiert werden.
Die aus dem PEM-Elektrolyseur 11, dem Wasserstoff 1 und dem Sauerstoff 2 gewonnene Wärme 4 wird einem lokalen Wärmenetz 5a zur Verfügung gestellt.
Nachdem der Sauerstoff 2 getrocknet und gekühlt wurde, wird er gespeichert und in mindestens einer industriellen Anwendung 31 verbraucht, z. B. bei Schweißprozessen.
Der Wasserstoff 1 wird, wie vorstehend erwähnt, nach der Trocknung verdichtet und einem Wasserstoff-Speicher 13 zugeführt, z. B. einem druckfesten Kryospeicher. Auch die im Verdichtungsprozess wieder in den Wasserstoff eingeführte Wärme wird durch den Wärmetauscher 15a dem Wasserstoff entzogen, bevor dieser in den Wasserstoff-Speicher 13 gelangt.
Aus dem Wasserstoff-Speicher 13 kann Wasserstoff 1 für die industrielle Anwendung 30 zur Verfügung gestellt werden. Die industrielle Anwendung im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst, wie vorstehend erwähnt, sowohl die Produktion eines Wasserstoffantriebs 30a als auch die Entwicklung eines Wasserstoffantriebs 30b. Der Wasserstoff kann hierbei lediglich beispielhaft zum Testen eines Wasserstoffantriebs im Rahmen eines Entwicklungsprozesses, zur Erstbetankung von produzierten Fahrzeugen und/oder für die Betankung im Rahmen von Testfahrten verwendet werden.
Der hergestellte und gespeicherte Wasserstoff 1 wird zusätzlich als Energiequelle zur Wärme- und Stromerzeugung 20 am Industriestandort 100 verwendet. Hierzu wird der Wasserstoff 1 aus dem Wasserstoffspeicher 13 entnommen und einem Brennstoffmischer 21 zugeführt. In den Brennstoffmischer 21 gelangt neben Wasserstoff 1 auch Methan 26a, 26b. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Methan 26a, 26b sowohl aus einer externen Quelle als Methan 26b, vorzugsweise Bio-Methan, und/oder als Methan 26a aus einer vorangegangenen Methanisierung 25 bezogen werden.
Der so erzeugte Brennstoff 27 wird als Wasserstoff-Methan-Gemisch in einen Brennstoffspeicher 22 geleitet und dort zwischengespeichert. Der Brennstoff 27 kann aus dem Brennstoffspeicher 22 zur Verbrennung einem Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung 23 zugeführt werden, das sich ebenfalls am Standort befindet, vorzugsweise ausgeführt als Blockheizkraftwerk.
Alternativ und hier nicht dargestellt kann der Brennstoff 27 auch direkt ohne Zwischenspeicher als reiner Wasserstoff 1 dem Kraftwerk 23 zugeführt werden. Außerdem kann eine Zuführung von reinem Methan 26a, 26b ohne eine Vermischung mit Wasserstoff 1 erfolgen.
Das Kraftwerk 23 erzeugt Strom 3 und Wärme 4 sowie Abgase. Das Kohlenstoffdioxid des Abgases 24 wird einer Methanisierung 25 zugeführt, in welcher das Kohlenstoffdioxid des Abgases 24 sowie hergestellter Wasserstoff 1 zu Methan 26a reagieren. Hierzu kann ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter Methanisierungsprozess bzw. eine Methanisierungsanlage verwendet werden.
Der erzeugte Strom 3 aus dem Kraftwerk 23 wird in ein lokales Stromnetz 6a eingespeist und/oder in das öffentliche Stromnetz 6b zur Deckung von Spitzenlasten. Die erzeugte Wärme 4 aus dem Kraftwerk 23 wird in diesem Ausführungsbeispiel dem lokalen Wärmenetz 5a zur Verfügung gestellt. Wenn das lokale Wärmenetz 5a keinen entsprechenden Bedarf hat, kann die Wärme 4 auch über einen Wärmestrom 28 in ein öffentliches Wärmenetz 5b eingespeist werden.
2 zeigt eine vereinfachte Prozessskizze einer Wasseraufbereitung.
Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass für die Wasserelektrolyse zumindest zum Teil am Industriestandort anfallendes Industriewasser und/oder Grundwasser verwendet wird, das zur Verwendung in der Wasserelektrolyse vorher entsprechend zweckmäßig aufbereitet wird.
Industriewasser ist Wasser, dass z. B. im Rahmen von Industrieprozesses anfällt und in der Regel verunreinigt ist.
Zur Aufbereitung von Industriewasser 41 wird dieses einer Vakuumverdampferanlage 42 zugeführt, in welcher eine erste Aufbereitung des Industriewassers 41 erfolgt. Feststoffe werden als abgeschiedene Stoffe 47 dem Industriewasser entnommen. Das nun teilweise aufbereitete Industriewasser 46 und/oder Grundwasser 43, welches vorzugsweise aus lokalen Brunnen gewonnen wird, wird in einer Filteranlage 44 filtriert. Eine anschließende De-ionisierung bzw. Entsalzung 45 des filtrierten Wassers ist optional möglich und erhöht die Lebensdauer der Elektrolysemembran. Das filtrierte Wasser wird als Wasser 12 dem PEM-Elektrolyseur 11 aus 1 zugeführt.
Alternativ ist auch ausschließlich eine Wassergewinnung aus Grundwasser 23 oder Industriewasser 41 möglich. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist eine De-ionisierung bzw. Entsalzung 45 optional möglich.
Zusammengefasst wird mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine vorteilhafte Dekarbonisierung und/oder Reduzierung der CO2-Emissionen des Industriestandorts ermöglicht. Einerseits kann mit dem vor Ort hergestellten sog. grünen Wasserstoff der Wasserstoffbedarf im Rahmen von Entwicklungs- und Produktionsprozessen zumindest zum Teil gedeckt werden und anderseits der Wasserstoff gleichzeitig als Energiequelle zur Strom- und Wärmeerzeugung am Standort eingesetzt werden. Ferner zeichnet sich das dargestellte Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass die einzelnen Prozessschritte im Hinblick auf eine möglichst effektive Dekarbonisierung des Standorts optimiert sind, z. B. durch Wärmerückgewinnungsprozesse im Anschluss an die Wasserelektrolyse oder durch eine weitere Reduzierung der CO2-Emissionen durch Methanisierung etc.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoff
2: Sauerstoff
3: Strom
4: Wärme
5a: Lokales Wärmenetz
5b: Öffentliches Wärmenetz
6a: Lokales Stromnetz
6b: Öffentliches Stromnetz
7: Photovoltaikanlage
8: Elektrischer Energiespeicher
10: Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort durch Wasserelektrolyse
11: Wasserelektrolyse, PEM-Elektrolyseur
12: Wasser
13: Wasserstoff-Speicher
14: Wasserstoff-Notfallversorgung
15a: Erster Wärmetauscher
15b: Zweiter Wärmetauscher
16: Druckluft
17: Stickstoff
20: Wärme und/oder Stromerzeugung
21: Brennstoffmischer
22: Brennstoffspeicher
23: Kraftwerk
24: Kohlenstoffdioxid des Abgases
25: Methanisierung
26a, 26b: Methan
27: Brennstoff
28: Wärmestrom in ein öffentliches Wärmenetz
30: Industrielle Anwendung
30a: Produktion eines Wasserstoffantriebs
30b: Entwicklung eines Wasserstoffantriebs
31: Industrielle Anwendung
40: Wasseraufbereitung
41: Industriewasser
42: Vakuumverdampferanlage
43: Grundwasser
44: Filtrierung
45: Entsalzung/De-ionisierung
46: (Teilweise) aufbereitetes Industriewasser
47: Abgeschiedene Stoffe
100: Industriestandort

Claims

Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts (100), umfassend die Schritte: Herstellung (10) von Wasserstoff (1) am Industriestandort (100) durch Wasserelektrolyse (11), wobei für die Wasserelektrolyse (11) benötigter Strom (3) zumindest teilweise am Industriestandort (100) aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird; und Verwenden des hergestellten Wasserstoffs (1) in mindestens einer industriellen Anwendung (30) am Industriestandort (100) und/oder als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (20) am Industriestandort (100).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei a) der Industriestandort (100) ein Produktions- und/oder Entwicklungsstandort ist, an dem ein Wasserstoffantrieb für Fahrzeuge, vorzugsweise Kraftfahrzeuge, entwickelt und/oder produziert wird, und/oder b) die mindestens eine industrielle Anwendung (30) die Entwicklung und/oder Produktion eines Wasserstoffantriebs (30a, 30b) für Fahrzeuge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Wasserelektrolyse (11) zumindest teilweise a) am Industriestandort (100) anfallendes und aufbereitetes Industriewasser (41), beispielsweise durch einen Produktionsprozess verunreinigtes und durch eine Vakuumverdampferanlage (42) aufbereitetes Wasser, und/oder b) am Industriestandort vorhandenes Grundwasser (43) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Verwenden von durch die Wasserelektrolyse (11) hergestelltem Sauerstoff (2) in mindestens einer industriellen Anwendung (31) am Industriestandort (100), beispielsweise in Schweiß-Anwendungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verwenden des hergestellten Wasserstoffs (1) als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (20) am Industriestandort (100) umfasst: Nutzung eines Teils des hergestellten Wasserstoffs (1) zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (20) durch ein am Industriestandort (100) angeordnetes Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, das vorzugsweise als Blockheizkraftwerk ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend: Vermischen eines Teils des hergestellten Wasserstoffs (1) mit Methan (26) und Zwischenspeichern des resultierenden Wasserstoff-Methan-Gemisches in einem Brennstoff-Zwischenspeicher (22); und Zuführen des zwischengespeicherten Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff (27) zum Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Methanisierung (25) von als Abgas von dem Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugtem Kohlenstoffdioxid (24) unter Verwendung von dem am Industriestandort (100) hergestellten Wasserstoff (1); und Verwenden des durch die Methanisierung (25) hergestellten Methans (26) für das Vermischen mit einem Teil des hergestellten Wasserstoffs (1) und/oder Zwischenspeichern von durch die Methanisierung (25) erzeugtem Methan (26) in dem Brennstoff-Zwischenspeicher (22).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner umfassend das Einspeisen von durch das am Industriestandort angeordnete Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugter und am Industriestandort (100) nicht benötigter Wärme (4) und/oder Strom (3) in ein öffentliches Wärme- und/oder Stromnetz (5b, 6b).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Auslastung des Kraftwerks (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung zur Stabilisierung oder zum Ausgleich von Bedarfsschwankungen des öffentlichen Wärme- und/oder Stromnetzes (5b, 6b) aktiv gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine bei der Herstellung von Wasserstoff (1) durch Wasserelektrolyse (11) erzeugte Abwärme in ein Nahwärmenetz (5a) am Industriestandort (100) eingespeist wird, wobei die Abwärme vorzugsweise mittels eines ersten Wärmetauschers (15a) aus dem hergestellten Wasserstoff (1) und/oder mittels eines zweiten Wärmetauschers (15b) aus einem durch die Wasserelektrolyse (11) hergestellten Sauerstoff (2) gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Wasserelektrolyse (11) ein Protonen-Austausch (engl. Proton Exchange Membrane, PEM)- Elektrolyseur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine am Industriestandort (100) vorgesehene Stickstoff-Versorgungseinrichtung (17) und/oder Druckluft-Versorgungseinrichtung (16) in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort (100) verwendet wird und zusätzlich zur Reinigung des Protonen-Austausch-Elektrolyseurs (11), vorzugsweise zur Reinigung von dessen Protonen-Austausch-Membran, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein am Industriestandort (100) vorgesehener Kühlwasserkreislauf in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort (100) verwendet wird und zusätzlich zur Kühlung des durch die Wasserelektrolyse (11) hergestellten Wasserstoffs (1) und/oder Sauerstoffs (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom (3), der zumindest teilweise am Industriestandort (100) aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird, mittels einer am Standort angeordneten Photovoltaikanlage (7) und/oder Windkraftanlage erzeugt wird und zumindest zum Teil in einem Speicher für elektrische Energie (8) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Wasserelektrolyse (11) benötigter Strom (3) bei Bedarf zusätzlich von einem öffentlichen Stromnetz (6b) bezogen wird.