EP2181491A2 - Unterstuetzung einer nachhaltigen energieversorgung mit einem kohlenstoff-kreislauf unter einsatz von regenerativ erzeugtem wasserstoff - Google Patents

Unterstuetzung einer nachhaltigen energieversorgung mit einem kohlenstoff-kreislauf unter einsatz von regenerativ erzeugtem wasserstoff

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EP2181491A2
EP2181491A2 EP08786507A EP08786507A EP2181491A2 EP 2181491 A2 EP2181491 A2 EP 2181491A2 EP 08786507 A EP08786507 A EP 08786507A EP 08786507 A EP08786507 A EP 08786507A EP 2181491 A2 EP2181491 A2 EP 2181491A2
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power
network
hydrogen
plant
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EP08786507A
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Werner Leonhard
Ruediger Schmitt
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ZIMMER, STEPHAN
Original Assignee
Werner Leonhard
Ruediger Schmitt
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    • Y02P20/10—Process efficiency
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Definitions

  • Figure 1 shows a simplified scheme of today's electrical energy supply with the approximate proportions of the different primary energies.
  • SEA solar energy systems
  • the object of the invention is to solve the problems described above, at least substantially solve and show ways that allow to harmonize the seasonal and meteorological influences of regenerative energy with the human pre-embossed consumption curves from the power grid and this harmonization by cache and Implementation of CO 2 recovery into a long-term, sustainable energy supply that will continue to give stability to the existing networks.
  • (Claim 16) is provided. It is envisaged that regeneratively produced energy (electricity or electrical power), for example from wind power or from solar energy, as electricity at least not completely (not exclusively) is fed into the existing (large area) supply network.
  • the electricity thus generated (the regenerative energy) can also be completely kept away from the supply network, so that at least substantial portions of this regenerative energy are used to produce a secondary energy carrier, for example hydrogen, whereby electricity is utilized in an electrolysis plant, for example to produce hydrogen (Claim 14).
  • This hydrogen as the first storable energy carrier for example in liquid form, is used in a second plant for
  • Reacting CO 2 used in a combustible second energy carrier (claim 16).
  • the hydrogenation results from a supply of carbon dioxide from other power plants (claim 18) or a buffer (claim 18), with supply of hydrogen (claim 1, feature ii) and according to known methods, for example Fischer-Tropsch, in modified form.
  • CO2 is hydrogenated with H 2 under pressure and temperature and preferably with catalysts.
  • At least two other variants can be read at Arno Behr (University of Dortmund). Carbon dioxide is activated using energy.
  • the carbon dioxide is activated 5 and can react with hydrogen to the base material formic acid.
  • Formic acid can then be converted into further products of value.
  • a second example is the reaction of carbon dioxide with a highly active substance, butadiene. This produces lactones, the z. B. can be used as odors or as precursors of plastics.
  • Activation with microwave radiation Similar to a fluorescent tube, carbon dioxide molecules are activated to a plasma. The activated carbon dioxide molecules can then react with natural gas. As a new raw material, the "synthesis gas" is being created, which is already being used for the production of valuable alcohols and gasolines.
  • the regeneratively generated energy is preferably not fed into the network (claim 6).
  • other feed-in parties are not forced to drastically reduce their feed-in power, as is the case for base-load power plants
  • Sources comes used to a fluctuating hydrogen production, which can be cached easier than electricity. Fluctuating operation is then also the hydrogenation, which in turn can feed a buffer, from which the gaseous energy carrier,
  • Power plants can be supplied, for example, a gas power plant (claim 14).
  • This gas-fired power station can provide a contribution to the electrical grid in the sense of a plannable current, which in turn supplies the multitude of loads and is stable and sustainable to operate.
  • the controller assumes a higher-level network control, which controls
  • a network regulator (claim 5) is further provided.
  • the combustible hydrocarbon such as an alkane, such as propane or methane, may be burned in the power plant to produce electrical power. It can also be cached and liquefied prior to it, so that this storage is no more than caching (claim 2).
  • the power distribution method supplies power or loads in a distributing power grid. This we operated stably, and has a variety of consumer sites.
  • the regeneratively generated energy in particular generated by wind power or solar cells, is not essentially exclusively or at least not completely fed into the network, but at least in substantial proportions to
  • Carbon dioxide from other power plants or a repository is hydrogenated together with the hydrogen in at least one hydrogenation plant. At least one gaseous, combustible hydrocarbon is produced. The combustible hydrocarbon is reused in a power plant to generate electric power.
  • the carbon or the
  • CO2 is thereby (or in this way) moved in a cycle, with supply of renewable energy and emission of combustible hydrocarbon.
  • the system For the distribution of electrical power in a large area network, the system has several consumers and several feeders, including at least one regenerative energy feed, in particular environmentally dependent, strongly fluctuating power feed. At least a substantial proportion of the regenerative energy is supplied as a major part of the fluctuating feed not the large-scale network, but a consumer, which generates a first storable energy source, for example hydrogen.
  • the first storable energy source is fed into a plant for the conversion of greenhouse gas - CO 2 - into a combustible second energy source.
  • This system feeds a base load energy generator, preferably from a buffer.
  • the method of distributing electrical power in a large area network of several consumers and multiple feeders including at least one regenerative energy source, in particular an environmentally dependent, strongly fluctuating power supply, carries at least a substantial portion of the regenerative energy - as the main component of the fluctuating feed - not to the large-scale network, but to a consumer.
  • the Consumer generates a storable energy source, in particular hydrogen.
  • the storable energy source is fed to a plant for converting greenhouse gas into a combustible energy source, which system feeds a base load energy generator. This is preferably done from an intermediate memory.
  • the combustible hydrocarbon is first liquefied before being cached. (Claim 2). This caching makes sense to achieve a decoupling of production of the hydrocarbon and the need for the hydrocarbon, ie to increase the supply of combustible hydrocarbon to the gas power plant only if energy from this base load power plant is required for the plannable power in the electrical network.
  • the gas power plant is considered as a possibility of a base load power plant (claim 3).
  • the hydrocarbon may also be supplied to other combustion-based power plants, such as coal-fired power plants and waste-to-energy plants.
  • the stable operation of the network (claim 4) is controlled by a network controller (claim 5), which has an influence on selected ones of the network feeders involved and the load distribution. According to the parent has
  • the (fast) grid controller has hardly any influence on the generation of regenerative energy in the form of electricity from solar thermal and wind energy systems; these can only be consumed via the electrolysis or residues of it can be fed to the grid as a small proportion of a regenerative feed (claim 8th).
  • a regenerative feed (claim 8th).
  • It is slower than the network controller whose response times are in the seconds range (as the primary controller).
  • no or hardly a portion of this energy is supplied to the network, and the majority of the regeneratively generated energy in a separate second network out (claim 6) to obtain the electrolysis.
  • the shares and load distribution in the power grid controls the network controller (claim 5).
  • the superordinate control system causes an increase in the amount of storage in one or the other store for hydrogen or hydrocarbon produced by hydrogenation, if their energy supply is currently not required for the grid.
  • the higher-level controller releases the memory sizes and supplies them from these buffer stores when the energy required by the many consumers in the electrical grid is required (claim 8).
  • latches in terms of real buffers and no repositories helps to reduce the size of these bearings and to use them as a buffer memory, which does not accumulate in the long term, but by supply and discharge within a predetermined maximum limit volume remain (claim 18).
  • the hydrogenation is preferably carried out by a process according to Fischer-Tropsch, modified.
  • the process in its original form is not explained here in detail, but is assumed to be generally known (synthesis gas in liquid hydrocarbons, Mühlheim 1925).
  • the two named energy sources are the first, storable energy source hydrogen, and the second storable energy source is a hydrocarbon (Claims 10.1 1).
  • the management of regenerative energy via the second network does not necessarily have to be a power network, can also be a hydrogen network through pipelines, the term "line" in the sense of the following description to one or the other, depending on the application and the local conditions, is adapted (claim 12).
  • the network controller control the plannable current in such a way that a contribution to the sustainable energy supply is possible (claim 5, 15), whereby the fluctuating current is regulated by the higher-level controller and not additionally burdened with the network controller.
  • network regulators usually work in a centralized manner, but are coupled to all areas of the network via data lines, both with regard to measured variables and with regard to manipulated variables.
  • the mains controller ensures a constant mains frequency, which may vary within a small range of a few hundredths of Hertz (Hz), so that the frequency of the electrical network remains almost constant (claim 5).
  • a network according to Figure 1 is redesigned, in particular supplemented by electrolyzers, which absorb the fluctuating and because of its irregular course the grid operation unbearable electricity from WEA and SEA and convert it into, for example, hydrogen as the first storable energy source.
  • the energy sources used in a power plant can fluctuate in their shares, in particular be specified by the higher-level control. If the available combustible hydrocarbon is insufficient, coal and natural gas can be increased in their share of power generation.
  • the energy used for the hydrogenation is taken from the fluctuating regenerative energy, but also available surpluses of the plannable energy, for example from thermal power plants.
  • available biomass in cogeneration plants can also be converted into electrical energy and supplied to the grid, or after gasification of the combustible gas from the hydrogenation of CO 2 .
  • Nuclear power generation is not the subject of this presentation. It can, as planned in France, by refurbishing work also done in another closed circuit.
  • Exemplary embodiments illustrate the invention with reference to two examples according to FIGS. 3 and 4.
  • Figure 1 shows a schematic representation of today's electrical energy supply in Germany.
  • Figure 2 shows services in the German high-voltage grid during a specified week in January 2007, to illustrate the non-correlated renewable energies with the network load demanded by consumers from the electrical network 20.
  • FIG. 4 shows two examples of the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of the network 20 fed by plannable 19 'and fluctuating 35' current (better: energy or electrical power), the proportion of fluctuating current
  • Performance is currently only between 5% and 6%, but can increase significantly in future (in each case averaged over a year). However, the short-term share can - even today - be much higher (than the annual average). In 2007, for example, the average share was about 7%.
  • the base load providing power plants are coal power plants and nuclear power plants.
  • the gas-fired power plants and hydroelectric power plants can be used as rule power plants due to their easy controllability.
  • the pumped storage power plants are also considered as either supplier or consumer to the electrical grid 20 with about 7% of the installed capacity.
  • a part of the fluctuating power of the regenerative energies can be absorbed, but the size differences with at present approximately 7.000 MW installed pumped storage achievement opposite approx. 20.000 MW installed wind energy show that these two orders of magnitude do not fit together. Also from their possible location in mountainous terrain, they do not fit to compensate for peak power, the
  • Figure 3 shows an energy distribution, as a plant or as an operating procedure, which was very structured and no consideration was given to the local placements and the local conditions, but only the flow of energy is represented symbolically.
  • a high voltage network 20 is powered by plannable power 19 '(energy or electrical power).
  • plannable power 19 energy or electrical power
  • the regenerative energy which comes from photovoltaic or solar thermal systems, is generated at 31 and fed in the line section 13 a separate network 35. Also supplied to this network 35 is the current from wind turbines 30 via the line section 14.
  • An electrical network 20 is to operate so that the power distribution or the
  • Load distribution forms a stable network, and a variety of consumer sites 21, possibly other consumers 61 can be operated.
  • the energy distribution and the network have to be sustainable, which is a technical term in this field of technology.
  • the sustainability of an energy supply includes a multitude of components, which should not be dealt with here individually.
  • the regeneratively generated energy 35 'in the fluctuating network 35 is not or not completely fed into the network 20. Instead, the feed takes place in one or more electrolysis systems 40, which can be placed in suitable local places. Examples are given at the beginning.
  • Electrolysis device 40 generates hydrogen.
  • the hydrogen is in a hydrogenation plant 10 together with supplied carbon dioxide to one or converted to several (of several possible) hydrocarbons, wherein the regenerative energy is used by the formation of hydrogen.
  • the carbon can come either directly from greenhouse gas emitting power plants 81, 82, after a CO 2 separation 84, here the
  • Gas power plants 81 and the coal power plants 82, along a pipeline, for example, liquefied carbon dioxide, and the one or more distributed hydrogenation plants 10 are supplied.
  • Intermediate can be a bearing 85, which either takes up CO2, or gives off CO2 for the hydrogenation system 10, or both.
  • a direct bypass along the route A for the carbon dioxide for hydrogenation is possible.
  • the paths a, b are supply and discharge to and from the bearing 85, the actual paths A, B and C are possible.
  • the line 11 a leads to the hydrogenation system 10, respectively several corresponding lines lead to several distributed hydrogenation plants 10, which are shown here in blocks and schematically.
  • the starting product as a second storable energy source is guided via a line 11 and, where appropriate, gasified biomass is still supplied via one or more gasification devices 50 via line 12.
  • the hydrocarbon may also be provided to vehicles as additional consumers 61.
  • the line 11 leads directly or indirectly to the coal-fired power plants and the gas-fired power plants, where the hydrocarbon is utilized as a combustible energy source for the formation of electrical current. This results in a cycle of carbon along the path 100, which becomes even clearer in the following image.
  • the following image refers to the reference symbols of FIG. 3 and adopts them, wherein the network controller 21 is shown separately, which is also available in the image 3 and its influences corresponding to the reference numbers 21 a to 21 c also in the network structure according to Figure 3 has.
  • the higher-level controller 22 can also be taken from picture 4 in picture 3.
  • Figure 4 illustrates a variant of Figure 3.
  • Power 35 ' is fed as before directly to the electrical network 20.
  • Another portion 35b flows via / from conduit / network 35 to the electrolyzers 40 located at or at the site of the WEA (eg, on an offshore platform) Land are connected via lines to the WEA or SEA.
  • the connection can be made with direct current or three-phase current.
  • an electrolytic rectifier is placed close to the electrolyzer.
  • the power of the electrolyzer can also be transferred to the electrolyzers using portions of the three-phase supply network (not shown).
  • intermediate storage 45 At the output of the electrolyzers are intermediate storage 45, which receive the resulting fluctuating hydrogen flow until further processing. A liquefaction may be provided.
  • the CO 2 separated off in fossil coal or gas power plants 81, 82 (installations 84 according to FIG. 4) is liquefied under pressure and fed to an underground (end) storage 85 or equal to the hydrogenation plant 10. If enough hydrogen is available, CO 2 can also be taken from the (end) storage.
  • These routes A or C are possible as well as the temporary full storage in the
  • the gaseous or liquid hydrocarbons obtained in the hydrogenation plant 10 are temporarily stored in line 15 in memory 15 and fed to fossil power plants 81, 82 as fuel. But you can also do it for others
  • the geographical arrangement of the individual components depends on the local conditions; Above all, the distances and the costs of
  • Lines 35 is fed into the electrical network 20, parallel to the expansion of the separation, electrolysis, and hydrogenation technology increasing proportions the fluctuating power to the electrolyzers, via line or fluctuating network 35 as shown in Figure 4.
  • a portion 35a of the wind power can be fed directly into the electrical network 20, line 35 ", but are off
  • Control 22 influenced via communication channels 22e, 22f, which are not shown in detail, the latch 15 and the latch 45.
  • the grid controller 21 influenced by other communication channels 21 b, 21 c, the power plants, which base load power plants 81 and
  • the electrolysis device 40 which is locally or spatially distributed at several points, can also be influenced by the controller 22
  • the communication channel 22d Hydrogen generated fed from the regenerative, fluctuating current in the network 35.
  • the communication channel 22d is used.
  • the network 35 is no longer independent in Figure 4 and provided solely for the fluctuating current loads, but has a branch 35a, which in the electrical
  • Electrolysis device 40 is used, wherein the / the line / network 35 is shown as a power line, but may also be formed in a direct feed of regenerative energy into a nearby electrolysis device 40 as a conduit for the hydrogen.
  • a fraction of the regenerative energy is supplied directly to the electrical network 20 via the path 35 ", but this fraction is comparatively small, so that the fluctuations of the fluctuating current (energy or electrical power) the network 20 does not have beyond the capabilities and control capabilities of the network controller 21 overuse.
  • the buffers 45 and 15 were not yet provided in FIG. They will be explained in more detail here.
  • the hydrogen from the electrolysis device 40 can be temporarily stored, wherein the control of the intermediate storage can also be taken over by a higher-level controller 22. Likewise, the amount of hydrogen produced by hydrogenation can be buffered in a buffer 15, which can also be controlled by the higher-level control. This does not necessarily mean that the momentarily generated
  • Quantity of hydrogen and / or the externally generated amount of hydrocarbon can be supplied to a further use, but rather gives buffering possibility for example a storm, which allows to store a lot of energy in both memories 45 and 15.
  • these two memories can supply energy to the power stations 81, 82, even if no regenerative energy for generating hydrogen in the electrolysis device 40 is available.
  • FIG. 1 More clearly than in Figure 3 is the schematically drawn cycle 100 for the carbon, which results from this arrangement of a network and operation of a network.
  • the fluctuating stream is essentially introduced into the electrolysis, and the generated first energy carrier, which can be stored, converts the carbon dioxide into hydrocarbons, which are also storable as a second energy carrier, preferably according to the modified Fischer-Tropsch method.
  • the cycle 100 results from the hydrogenation and the recirculation of the combustible hydrocarbons in the form of gases or liquefied gases to the power stations 81, 82, and from there via the CO 2 separations 84 and the CO 2 intermediate bearing in the sense described above back to the hydrogenation 10th
  • the network controller 21 and the higher-level controller 22 are shown with influences that act on the electrical network with 21 a, information about the buffer 15 with channel 22e, with 22f transmission to the latch 45, with channel 22g to the CO 2 storage, and from
  • Mains regulator 21 with channels 21 b, 21 c to the gas power plant 81 and the coal power plant 82nd
  • the higher-level controller 22 is driven, for example, by signals from the WEA 30 or the SEA 31, ie from the area of the fluctuating energy 35 ', as well as, for example, from the power generated therefrom on line / network 35 or
  • the controller 22 can control the electrolysis 40 and / or the hydrogenation 10.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
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  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung soll Wege aufzuzeigen, welche es erlauben, die saisonalen und meteorologischen Einflüsse der regenerativen Energie mit den menschlich vorgeprägten Verbrauchsverläufen aus dem Energienetz zu harmonisieren und diese Harmonisierung durch Zwischenspeicher und Einbeziehung einer CO2-Verwertung in eine langfristig nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, die auch den bestehenden Netzen weiterhin Stabilität verleiht. Vorgeschlagen wird dazu ein Energieverteilungsverfahren, bei dem ein Strom oder Lasten verteilendes Stromnetz (20) eine Vielzahl von Verbraucherstellen (21 ) versorgt. Regenerativ erzeugte Energie (30,31 ) über Windkraft- oder Solarzellen wird nicht vollständig in das Netz (20) eingespeist, sondern zumindest in wesentlichen Anteilen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet (40). Der Wasserstoff wird in zumindest einer Hydrieranlage (10) zusammen mit Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken (81,82) oder einem Endlager (83) hydriert; wobei zumindest ein gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt (11 ) wird. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird erneut in einem Kraftwerk (81,82) zur Bildung von elektrischem Strom verwertet; wobei Kohlenstoff in einem Kreislauf (100) bewegt, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie (30,31,35) und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.

Description

Unterstuetzung einer nachhaltigen Energieversorgung mit einem Kohlenstoff-Kreislauf unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff
Die Klimadiskussion, angeregt insbesondere durch Berichte des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) zeigt die Notwendigkeit, die anthropogenen CO2-Emissionen in den kommenden Jahren drastisch zu reduzieren. Da ein großer Teil der Emissionen in den Industrieländern bei der Energieversorgung und beim Verkehr entsteht, konzentrieren sich die bereits getroffenen und noch zu treffenden Maßnahmen auf diese Sektoren, vgl. Leonhard, Wer eine nachhaltige und zuverlässige Energieversorgung will, braucht Energiespeicher, Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007), derzeit unveröffentlicht, hier einbezogen per expliziter Referenz.
Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schema der heutigen elektrischen Energieversorgung mit den ungefähren Anteilen der verschiedenen Primärenergien.
Etwa die Hälfte der Elektrizität von über 500 TWh/a in Deutschland wird aus fossiler
Primärenergie gewonnen, sie hat damit einen nennenswerten Anteil an den klimaschädlichen CO2 Emissionen. Als Beitrag zu einer aktiven Umweltpolitik hat man in den letzten Jahren mit hohen Kosten die Windenergienutzung mit Windenergieanlagen (WEA) stark ausgebaut. Die Leistung der jetzt installierten WEA beträgt über 20.000 MW. Die ins Netz 20 eingespeiste Energie erreicht derzeit
30 VAIhIa, entsprechend 1.500 Vollaststunden (von den 8760 Stunden des Jahres). Der Energieanteil des Windes entspricht damit über 5% der in Deutschland verbrauchten elektrischen Energie. Allerdings schwankt die ins Netz gespeiste regenerativ erzeugte Leistung sehr stark, da sie wind- statt bedarfsorientiert ist. Sie hat deshalb einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität des elektrischen Netzes und es gibt Hinweise, dass der Netzzusammenbruch vom 4. Nov. 2006 durch übermäßige Windleistungseinspeisung in die norddeutschen Netze ausgelöst wurde, vgl. Leonhard, Wenzel, Flauten, Orkane und eine verfehlte Energiepolitik - wie soll das elektrische Versorgungsnetz das richten?, Zeitschrift für Energiewirtschaft, ew, Jg. 106 (2007), H. 7, S. 52 bis 57.
Mit sog. off-shore-Anlagen in der Nord- und Ostsee soll die installierte WEA-Leistung bis 2020 mehr als verdoppelt werden. Die Leistung aus Solar-Energieanlagen (SEA) ist, verglichen mit dem Wind, derzeit noch unerheblich, sie steigt aber wegen ihrer finanziellen Förderung ebenfalls rasch an.
Die Eigenschaft natürlicher Energiequellen wie Wind und Sonne, dass ihre Leistung von saisonalen und meteorologischen Bedingungen abhängt, nicht steuerbar und nur ungenau prognostizierbar ist, hat zur Folge, dass sie stark von der - vom Arbeits- und Lebensrhythmus der Verbraucher bestimmten - Netzlast abweicht, vgl. Bild 2. Da im elektrischen Netz aus physikalischen Gründen (zur Aufrechthaltung einer konstanten Frequenz und der regionalen Lastflüsse) immer eine ausgeglichene Leistungsbilanz notwendig ist, müssen - bei Einspeisen regenerativer Energie - andere Kraftwerke veränderliche Regelleistung liefern, was zu schnellen Lastwechseln mit höherem spezifischen Brennstoffverbrauch und Emissionen, außerdem höheren Kosten und reduzierter Lebensdauer dieser Kraftwerke führt.
Diese Schwierigkeiten des schlecht prognostizierbaren Stromflusses lassen sich nur durch Energiespeicher beheben, die in der Lage sind, einen Ausgleich herbeizuführen, indem sie Spitzen der Einspeiseleistung aufnehmen und die gespeicherte Energie bei Leistungsmangel dem Netz wieder zuführen, dies bei Lastspitzen. Die im deutschen Netz verfügbaren Pumpspeicher-Kraftwerke von rd. 7.000 MW während einiger Stunden sind für diese Aufgabe schon heute viel zu klein. Beim geplanten Ausbau der WEA werden sie nicht annähernd genügen, den Ausgleich der schwankenden Einspeiseleistung durch Windkraft zu übernehmen. Deshalb werden auch chemische Speicher diskutiert, um mit technisch weiterzuentwickelnden Elektrolyseuren Wasserstoff zu erzeugen, der dann in praktisch unbegrenzten Mengen langfristig, in Rohrleitungen oder auch untertage speicherbar ist. Er soll als Energiequelle für eine spätere Netzeinspeisung oder für mobile Anwendungen dienen. Dabei kommt sowohl gasförmiger als auch flüssiger (kryogener) Wasserstoff in Frage.
Da Kohle, insbesondere Braunkohle, als heimische Energiequelle noch über
Jahrhunderte verfügbar ist, besteht ein starkes Interesse, die Umweltnachteile der hohen spezifischen Schadstoff-Emissionen einzugrenzen, indem man die bei der Verbrennung unvermeidlich entstehenden CO2 Anteile abtrennt, das Gas unter Druck verflüssigt und in unterirdische Endlager verbringt; in Bild 1 ist dies gestrichelt angedeutet. Diese Verfahren, die z. Z. mit Nachdruck untersucht werden, sind eine
Voraussetzung für sog. "CO2-freie Kohlekraftwerke", die ab 2020 verfügbar sein sollen. Die bestehenden Risiken dürfen aber nicht unterschätzt werden, denn die CO2-Emissionsmengen sind gewaltig; bereits ein mittelgroßes Kohlekraftwerk von 700 MW wird im Jahr etwa 4 Mio m3, entsprechend einem Würfel mit einer Kantenlänge von ca. 160m, verflüssigtes CO2 liefern (bei 55 bar; 5,5 MPa Druck). Die Endlager müssen, entsprechend nuklearen Endlagern, ein Entweichen oder gefährliche Reaktionen im Untergrund auf unbegrenzte Zeit ausschließen. Vor einigen Jahrzehnten hat eine vulkanisch bedingte CO2 Eruption in Kamerun zu einer Katastrophe mit mehreren tausend Opfern geführt, da CO2 schwerer als Luft ist und sich in Bodennähe ausbreitete.
Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, zumindest im wesentlichen zu lösen und Wege aufzuzeigen, welche es erlauben, die saisonalen und meteorologischen Einflüsse der regenerativen Energie mit den menschlich vorgeprägten Verbrauchsverläufen aus dem Energienetz zu harmonisieren und diese Harmonisierung durch Zwischenspeicher und Einbeziehung einer CO2-Verwertung in eine langfristig nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, die auch den bestehenden Netzen weiterhin Stabilität verleiht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe damit gelöst, dass ein Energie- Verteilungsverfahren (Anspruch 1 ), oder eine Energieverteilungsanlage (Anspruch 14), sowie Art und Weise des Verfahrens zum Betreiben der Anlage
(Anspruch 16) bereitgestellt wird. Darin ist vorgesehen, dass regenerativ erzeugte Energie (Strom oder elektrische Leistung), beispielsweise aus Windkraft oder aus Solarenergie, als Strom zumindest nicht vollständig (nicht ausschließlich) in das bestehende (großflächige) Versorgungsnetz eingespeist wird. Der so erzeugte Strom (die regenerative Energie) kann auch ganz vom Versorgungsnetz ferngehalten werden, so dass zumindest wesentliche Anteile dieser regenerativen Energie zur Erzeugung eines sekundären Energieträgers, beispielsweise Wasserstoff, verwendet werden, wobei Strom in einer Elektrolyseanlage verwertet wird, um beispielsweise Wasserstoff zu erzeugen (Anspruch 14). Dieser Wasserstoff als erster, speicherbarer Energieträger, beispielsweise in flüssiger Form, wird in einer zweiten Anlage zum
Umsetzen von CO2 in einen brennbaren zweiten Energieträger eingesetzt (Anspruch 16). Die Hydrierung ergibt sich aus einer Zufuhr von Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken (Anspruch 18) oder einem Zwischenspeicher (Anspruch 18), unter Zufuhr von Wasserstoff (Anspruch 1 , Merkmal ii) und gemäß bekannten Verfahren nach beispielsweise Fischer-Tropsch, in modifizierter Form.
Dabei wird CO2 mit H2 unter Druck und Temperatur sowie bevorzugt mit Katalysatoren hydriert. Zumindest zwei andere Varianten dazu sind bei Arno Behr (Universität Dortmund) nachzulesen. Kohlendioxyd wird unter Einsatz von Energie aktiviert.
1. Die Aktivierung durch Übergangsmetallkatalyse. Das Kohlendioxid wird aktiviert 5 und kann mit Wasserstoff zu dem Grundstoff Ameisensäure reagieren. Die
Ameisensäure kann dann in weitere Wertprodukte umgewandelt werden. Ein zweites Beispiel ist die Reaktion des Kohlendioxids mit einer hochaktiven Substanz, dem Butadien. Dabei entstehen Lactone, die z. B. als Geruchsstoffe oder als Vorstufen von Kunststoffen genutzt werden können.
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2. Die Aktivierung mit Mikrowellen-Strahlung: Dabei werden, ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre, Kohlendioxid-Moleküle zu einem Plasma aktiviert. Die so aktivierten Kohlendioxid-Moleküle können dann mit Erdgas reagieren. Es entsteht als neuer Grundstoff das "Synthesegas", das bereits jetzt für die i5 Herstellung von wertvollen Alkoholen und Benzinen genutzt wird.
Damit wird die regenerativ erzeugte Energie bevorzugt gar nicht in das Netz eingespeist (Anspruch 6). So werden andere Einspeiseteilnehmer nicht gezwungen, ihre Einspeiseleistung drastisch zu reduzieren, wie es für Grundlast-Kraftwerke
20 schwer möglich ist, vielmehr wird die fluktuierende Energie, die aus regenerativen
Quellen stammt, zu einer fluktuierenden Wasserstofferzeugung genutzt, welche leichter zwischengespeichert werden kann, als elektrischer Strom. Ebenfalls fluktuierend betrieben wird dann die Hydrierung, die wiederum einen Zwischenspeicher speisen kann, aus dem der gasförmige Energieträger,
25 beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, regulären und vorhandenen Grundlast-
Kraftwerken zugeführt werden kann, beispielsweise einem Gaskraftwerk (Anspruch 14). Dieses Gaskraftwerk kann im Sinne eines planbaren Stroms einen Beitrag zum elektrischen Netz liefern, was seinerseits die Vielzahl von Lasten versorgt und stabil sowie nachhaltig zu betreiben ist. Die Vielzahl von
30 Verbraucherstellen, deren Lastaufkommen kaum mit dem Aufkommen der regenerativen Energie korreliert sind, werden so über die Speicher, über die Elektrolyse und die Hydrierung miteinander harmonisiert und steuerbar sowie planbar.
35 Die Steuerung übernimmt eine übergeordnete Netzsteuerung, welche steuernden
Einfluss auf die wesentlichen Teilnehmer des so beschriebenen Kreislaufs hat (Anspruch 8). Ein Netzregler (Anspruch 5) ist weiterhin vorgesehen. Der brennbare Kohlenwasserstoff, beispielsweise ein Alkan, wie Propan oder Methan, kann in dem Kraftwerk zur Bildung elektrischen Stroms verbrannt werden. Er kann ebenfalls zwischengespeichert werden und davor verflüssigt werden, so dass diese Speicherung nicht mehr als eine Zwischenspeicherung ist (Anspruch 2).
Die Zufuhr von Kohlendioxyd aus Abtrennungsanlagen, welche dem bestehenden Gaskraftwerken oder Kohlekraftwerken nachgeschaltet sind, erfolgt entweder direkt oder ebenfalls über ein Endlager, das damit kein Endlager, sondern nurmehr ein Zwischenlager wird, kurz ein CO2-Lager. Auf diese Weise kann Kohlenstoff in einem Kreislauf bewegt werden, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie (Strom oder elektrische Leistung) und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.
Die Gruppe der so beanspruchten Erfindungen soll stützend erläutert werden. In einer ersten Erfindung (Anspruch 1 ) wird die Energieverteilung vorgeschlagen.
Das Energieverteilungsverfahren versorgt Strom oder Lasten in einem verteilenden Stromnetz. Dieses wir stabil betrieben, und hat eine Vielzahl von Verbraucherstellen. Die regenerativ erzeugte Energie, insbesondere erzeugt über Wind kraft- oder Solarzellen, wird nicht im Wesentlichen ausschließlich oder zumindest nicht vollständig in das Netz eingespeist, sondern zumindest in wesentlichen Anteilen zur
Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken oder einem Endlager wird zusammen mit dem Wasserstoff in zumindest einer Hydrieranlage hydriert. Es wird zumindest ein gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird erneut in einem Kraftwerk zur Bildung von elektrischem Strom verwertet. Der Kohlenstoff (oder das
CO2) wird dadurch (oder auf diese Weise) in einem Kreislauf bewegt, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.
In einer zweiten Erfindung (Anspruch 14) wird elektrische Energie, insbesondere Strom, in einem Netz verteilt (Verbundnetz auf Hochspannungspegel, beispielsweise
110kV, 220 kV oder 390 kV - für Europa).
Zur Verteilung elektrischen Stroms in einem großflächigen Netz hat die Anlage mehrere Verbraucher und mehrere Einspeiser, darunter zumindest einen Einspeiser mit regenerativem Aufkommen an Energie, insbesondere eine von der Umwelt abhängigen, stark fluktuierenden Stromeinspeisung. Zumindest ein wesentlicher Anteil der regenerativen Energie als wird als Hauptanteil der fluktuierenden Einspeisung nicht dem großflächigen Netz, sondern einem Verbraucher zugeführt, der einen ersten speicherbaren Energieträger, beispielsweise Wasserstoff erzeugt. Der erste speicherbare Energieträger wird einer Anlage zum Umsetzen von Treibhausgas - CO2 - in einen brennbaren zweiten Energieträger zugeführt. Diese Anlage speist einen Grundlast-Energieerzeuger, bevorzugt aus einem Zwischenspeicher.
In einer dritten Erfindung (Anspruch 16) wird elektrischer Strom im Verbundnetz (= Netz) verteilt.
Das Verfahren der Verteilung elektrischen Stroms in einem großflächigen Netz aus mehreren Verbrauchern und mehreren Einspeisern, darunter zumindest einen Einspeiser mit regenerativem Aufkommen an Energie, insbesondere einer umweltabhängigen, stark fluktuierenden Stromeinspeisung, führt zumindest einen wesentlichen Anteil der regenerativen Energie - als Hauptanteil der fluktuierenden Einspeisung - nicht dem großflächigen Netz, sondern einem Verbraucher zu. Der
Verbraucher erzeugt einen speicherbaren Energieträger, insbesondere Wasserstoff. Der speicherbare Energieträger wird einer Anlage zum Umsetzen von Treibhausgas in einen brennbaren Energieträger zugeführt, welche Anlage einen Grundlast- Energieerzeuger speist. Bevorzugt geschieht dies aus einem Zwischenspeicher heraus.
Verschiedene Ausgestaltungen dieser Verfahren sind möglich. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird zunächst verflüssigt, bevor er zwischengespeichert wird. (Anspruch 2). Diese Zwischenspeicherung ist sinnvoll, um eine Entkopplung von Erzeugung des Kohlenwasserstoffs und Bedarf des Kohlenwasserstoffs zu erreichen, also die Zufuhr von brennbarem Kohlenwasserstoff zum Gaskraftwerk nur dann zu erhöhen, wenn von diesem Grundlast-Kraftwerk auch Energie für den planbaren Strom im elektrischen Netz benötigt wird. Das Gaskraftwerk wird dabei als eine Möglichkeit eines Grundlast-Kraftwerkes angesehen (Anspruch 3). Ebenso kann der Kohlenwasserstoff aber auch anderen auf Verbrennung basierenden Kraftwerken zugeführt werden, so Kohlekraftwerken und Müllverbrennungs-Kraftwerken.
Die stabile Betriebsweise des Netzes (Anspruch 4) erfolgt gesteuert von einem Netzregler (Anspruch 5), der Einfluss auf ausgewählte der beteiligten Einspeiser des Netzes und die Lastverteilung besitzt. Erfindungsgemäß hat die übergeordnete
Steuerung (Anspruch 19) Einfluss auf die Zufuhr von brennbaren Kohlenwasserstoffen zu den Kraftwerken, insbesondere auch Einfluss auf die Speicherung von Wasserstoff als Ausgangsgröße der Elektrolyse (Anspruch 8), kann also die Menge und den Zeitpunkt der durch Hydrierung entstehenden Kohlenwasserstoffe steuern (Anspruch 20).
Kaum Einfluss hat der (schnelle) Netzregler auf die Erzeugung der regenerativen Energie in Form von Strom aus solarthermischen und Windenergie-Anlagen, diese können vielmehr nur über die Elektrolyse verbraucht werden oder aber Reste davon dem Netz als geringer Anteil einer regenerativen Einspeisung zugeführt werden (Anspruch 8). Hier steuert die übergeordnete Steuerung (Anspruch 20). Sie ist langsamer als der Netzregler, dessen Antwortzeiten im Sekundenbereich liegt (als Primärregler). Bevorzugt wird keiner oder kaum ein Anteil dieser Energie dem Netz zugeführt, und der Hauptanteil der regenerativ erzeugten Energie in einem separaten zweiten Netz geführt (Anspruch 6), um die Elektrolyse zu erhalten. Gleichwohl ist auch eine Einspeisung dieser regenerativen Energie als Strom in das elektrische Netz möglich, und eine Zuspeisung von Energie aus diesem Netz zur Elektrolyse (Anspruch 7). Damit werden Energieverluste reduziert.
Die Anteile und Lastverteilung im Stromnetz steuert der Netzregler (Anspruch 5). Übergeordnet veranlasst die übergeordnete Steuerung ein Erhöhen der Speichermenge in dem einen oder anderen Speicher für Wasserstoff bzw. durch Hydrierung erzeugten Kohlenwasserstoff, wenn deren Energiezulieferung aktuell nicht für das Netz benötigt wird. Die übergeordnete Steuerung gibt die Speichergrößen frei und speist aus diesen Zwischenspeichern zu, wenn die Energien vom Bedarf der vielen Verbraucher am elektrischen Netz benötigt werden (Anspruch 8).
Die Verwendung von Zwischenspeichern im Sinne von wirklichen Zwischenspeichern und keinen Endlagern hilft es, die Größe dieser Lagerstellen zu reduzieren und sie als Pufferspeicher zu verwenden, die langfristig nicht akkumulieren, sondern durch Zufuhr und Abfuhr innerhalb eines vorgegebenen maximalen Grenzvolumens verbleiben (Anspruch 18).
Bevorzugt erfolgt die Hydrierung nach einem Verfahren gemäß Fischer-Tropsch, modifiziert. Das Verfahren in seiner ursprünglichen Form wird hier nicht näher erläutert, sondern wird als allgemein bekannt angenommen (Synthesegas in flüssige Kohlenwasserstoffe, Mühlheim 1925).
Die beiden genannten Energieträger sind als erster, speicherbarer Energieträger Wasserstoff, und als zweiter speicherbarer Energieträger ein Kohlenwasserstoff (Ansprüche 10,1 1 ). Die Führung der regenerativen Energie über das zweite Netz muß nicht zwingend ein Stromnetz sein, kann ebenfalls ein Wasserstoffnetz durch Rohrleitungen sein, wobei der Begriff der "Leitung" im Sinne der folgenden Beschreibung auf das eine oder andere, je nach Anwendungsfall und den örtlichen Gegebenheiten, angepasst wird (Anspruch 12).
Dem Netzregler ist es so möglich, den planbaren Strom so zu steuern, dass ein Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung möglich ist (Anspruch 5,15), wobei der fluktuierende Strom von der übergeordneten Steuerung ausgeregelt, und nicht zusätzlich dem Netzregler aufgebürdet wird. Erwähnt werden sollte, dass Netzregler in der Regel zentralisiert arbeiten, aber über Datenleitungen mit allen Bereichen des Netzes gekoppelt sind, sowohl hinsichtlich Messgrößen, wie auch hinsichtlich Stellgrößen. Der Netzregler sorgt für eine konstante Netzfrequenz, die maximal in einem geringen Bereich von wenigen Hundertsteln von Hertz (Hz) schwanken darf, so dass die Frequenz des elektrischen Netzes nahezu konstant bleibt (Anspruch 5).
Erfindungsgemäß wird ein heutiges Netz nach Bild 1 umgestaltet, insbesondere durch Elektrolyseure ergänzt, die den fluktuierenden und wegen seines irregulären Verlaufs dem Netzbetrieb unzuträglichen Strom aus WEA und SEA aufnehmen und in beispielsweise Wasserstoff als ersten speicherbaren Energieträger umwandeln.
Dieser dient erfindungsgemäß dazu, das abgetrennte CO2 durch Hydrierung mit einem modifizierten Fischer-Tropsch Verfahren zu neuen Kohlenwasserstoffen aufzubereiten, die mittelbar oder unmittelbar den Kohle- und Gaskraftwerken oder anderen Verbrauchern wieder als Brennstoffe zugeführt werden.
Prinzipielle Techniken von Hydrierverfahren sind seit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt; während des Krieges war die Kohleverflüssigung in Hydrierwerken wichtigste Energiebasis, doch wurden diese Verfahren später wegen der niedrigen Preise für fossile Energieträger unrentabel; in Südafrika, USA und China sollen Anlagen noch in Betrieb sein. Wenn aber nun wegen der
Unverträglichkeit der aus WEA erzeugten elektrischen Leistung mit dem Bedarf im Versorgungsnetz ein regenerativ gewonnener erster speicherbarer Energieträger, beispielsweise Wasserstoff als Energiequelle für den Hydriervorgang dient und ohnehin zur Verfügung steht, wird ein integriertes Verfahren wieder wirtschaftlich. Es löst gleichzeitig mehrere Aufgaben. Bereitstellung eines chemischen Energiespeichers, um bei weiterer Steigerung der Windenergieeinspeisung eine direkte und dem elektrischen Netzbetrieb unzuträgliche Einspeisung (von Leistungsspitzen oder -pulsen) zu vermeiden und gleichwohl zu nutzen. Wegen der verschiedenen im System enthaltenen materiellen Speicher können Windleistung und das Stromnetz dynamisch entkoppelt werden, zumindest so weit, dass die Netzkontrolle erhalten bleibt, bevorzugt aber auch im Sinne einer vollständigen Entkopplung (Anspruch 12).
Aufbereitung des bei der Verbrennung von Kohle oder Erdgas unvermeidlichen CO2 zu neuen vielseitig wieder-verwendbaren Energieträgern.
Rückhaltung des Kohlenstoffs in einem Kreislauf.
Wenn die Wasserstoffproduktion für die Hydrierung nur eines Teils des anfallenden CO2 ausreicht, kann das entstehende CO2 deponiert werden. Bei steigender Wasserstoffproduktion erfolgt eine Aufarbeitung aus dem CO2- (End)lager (Deponie). Das Endlager wird zu einem Zwischenlager mit Zu- und Abfluss.
- Die in einem Kraftwerk verwendeten Energieträger können in ihren Anteilen schwanken, insbesondere von der übergeordneten Steuerung vorgegeben werden. Reicht der verfügbare brennbare Kohlenwasserstoff nicht aus, können Kohle und Erdgas in ihren Anteilen bei der Stromerzeugung erhöht werden.
- Die für die Hydrierung eingesetzte Energie wird der fluktuierenden regenerativen Energie, aber auch verfügbarer Überschüsse der planbaren Energie, beispielsweise aus thermischen Kraftwerken entnommen.
Alle Teilanlagen sind modular und könnten an passenden Standorten errichtet werden. Es gibt erprobte Technologien für den Transport der flüssigen und gasförmigen Arbeitsmedien.
Natürlich kann verfügbare Biomasse in Heizkraftwerken auch in elektrische Energie umgewandelt und dem Netz zugeführt werden, oder aber nach Vergasung dem brennbaren Gas aus der Hydrierung von CO2.
Das Ziel einer völligen Nachhaltigkeit der Energieversorgung ist langfristig erst erreichbar, wenn die natürlichen Energiequellen Wasser, Wind und Sonne den gesamten Energiebedarf einschließlich aller Verluste decken. Das umschriebene Verfahren weist einen Weg in diese Richtung. Dabei muß nicht auf Ressourcen in entfernten, zum Teil politisch labilen Regionen zurückgegriffen werden, wie das manchmal durch den Hinweis auf mögliche große Solarfelder in der Sahara geschieht.
Die nukleare Stromerzeugung ist nicht Gegenstand dieser Darstellung. Sie kann, wie z.B. in Frankreich geplant, durch Aufarbeitung der Rückstände ebenfalls in einem anderen geschlossenen Kreislauf erfolgen.
Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung anhand von zwei Beispielen nach Bildern 3 und 4.
Bild 1 zeigt eine heutige elektrische Energieversorgung in Deutschland in schematischer Darstellung.
Bild 2 zeigt Leistungen im deutschen Hochspannungsnetz während einer näher bezeichneten Woche im Januar 2007, zur Verdeutlichung der nicht-korrelierten regenerativen Energien mit der von Verbrauchern geforderten Netzlast aus dem elektrischen Netz 20.
Bild 3 und
Bild 4 zeigen zwei Beispiele der Erfindung.
Die Bilder 1 und 2 waren bereits kurz erläutert worden. Zu Bild 1 soll neben seiner selbsterklärenden schematischen Struktur einer bestehenden Netzstruktur nur Grobes ergänzt werden. Verständlich ist, dass Bild 1 eine schematische Darstellung des Netzes 20 ist, das von planbarem 19' und von fluktuierendem 35' Strom (besser: Energie oder elektrischer Leistung) gespeist wird, wobei der Anteil der fluktuierenden
Leistung derzeit nur zwischen 5% und 6% beträgt, künftig aber wesentlich steigen kann (jeweils gemittelt über ein Jahr). Der kurzzeitige Anteil kann indes - auch heute schon - wesentlich höher sein (als der Jahres-Mittelwert). Im Jahr 2007 beispielsweise betrug der mittlere Anteil ca. 7%.
Die Grundlast bereitstellenden Kraftwerke sind Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke. Die Gaskraftwerke und die Wasserkraftwerke können aufgrund ihrer leichten Regelbarkeit als Regel kraftwerke herangezogen werden. Zusätzlich werden auch die Pumpspeicher-Kraftwerke mit etwa 7% der installierten Leistung als entweder Lieferant oder Verbraucher zum elektrischen Netz 20 angesehen. Hier kann ein Teil der fluktuierenden Leistung der regenerativen Energien aufgefangen werden, aber die Größenunterschiede bei zur Zeit ca. 7.000 MW installierter Pumpspeicherleistung gegenüber ca. 20.000 MW installierter Windenergie zeigen, dass diese beiden Größenordnungen nicht zusammenpassen. Auch von ihrem möglichen Standort in gebirgigem Gelände passen sie nicht zum Ausgleich von Leistungsspitzen, die
Offshore entstehen. Deshalb werden vermehrt auch andere Kraftwerke zu Regel kraftwerken, so auch das Kohlekraftwerk und früher oder später auch die Kernkraftwerke, die eigentlich reine Grundlast-Kraftwerke sind. Die gemäß Beispielen der Erfindung umgestalteten Stromnetze finden sich in Bild 3 und Bild 4.
Bild 3 zeigt eine Energieverteilung, als Anlage oder als Betriebsverfahren, bei dem sehr stark strukturiert vorgegangen wurde und auf die lokalen Platzierungen und die örtlichen Gegebenheiten keine Rücksicht genommen wurde, vielmehr nur der Fluss der Energie symbolisch dargestellt ist. Ein Hochspannungsnetz 20 wird von planbarem Strom 19' (Energie oder elektrische Leistung), gespeist. An diesem Netz sind mehrere Verbraucher beteiligt, die nicht nur Endverbraucher, sondern dezentral verteilt viele Verbraucher 21 sind, Haushalte, Industrie und andere. Zu den
Primärenergien Wasser, Erdgas, Kohle und Uran ergibt sich der planbare Beitrag 19' auf der Leitung 19. Die Zufuhr von "Strom" aus Kernenergie erfolgt auf Leitungsabschnitt 18, die Zufuhr von "Strom" aus Kohlekraftwerken 82 erfolgt auf Leitungsabschnitt 17, die Zufuhr von "Strom" aus Gaskraftwerken 81 erfolgt auf Leitungsabschnitt 16 und die Zufuhr von "Strom" aus Wasserkraftwerken 80 erfolgt auf Leitungsabschnitt 15. Entweder direkt am Netz 20, oder schon im Hochspannungsnetz sind die Pumpspeicherwerke vorgesehen, die Last aufnehmen und Strom abgeben können. "Strom" steht für elektrische Energie/Leistung im Netz.
Die regenerative Energie, welche von Fotovoltaik oder solarthermischen Anlagen stammt, wird bei 31 erzeugt und im Leitungsabschnitt 13 einem eigenständigen Netz 35 zugeführt. Ebenfalls diesem Netz 35 zugeführt wird über den Leitungsabschnitt 14 der Strom aus Windenergieanlagen 30.
Ein elektrisches Netz 20 ist so zu betreiben, dass die Stromverteilung oder die
Lastverteilung ein stabiles Netz bildet, und eine Vielzahl von Verbraucherstellen 21 , ggf. auch andere Verbraucher 61 bedient werden können. Die Energieverteilung und das Netz haben nachhaltig zu erfolgen, was ein Fachbegriff in diesem Gebiet der Technik ist. Die Nachhaltigkeit einer Energieversorgung beinhaltet eine Vielzahl von Komponenten, auf die hier nicht einzeln eingegangen werden soll.
Die regenerativ erzeugte Energie 35' im fluktuierenden Netz 35 wird nicht, respektive nicht vollständig in das Netz 20 eingespeist. Stattdessen erfolgt die Einspeisung in eine oder mehrere Elektrolyseanlagen 40, die an geeigneten örtlichen Stellen platziert werden können. Beispiele sind eingangs angegeben. Die
Elektrolyseeinrichtung 40 erzeugt Wasserstoff. Der Wasserstoff wird in einer Hydrierungsanlage 10 zusammen mit zugeführtem Kohlendioxid zu einem oder mehreren (von mehreren möglichen) Kohlenwasserstoffen umgewandelt, wobei die regenerative Energie durch die Bildung des Wasserstoffes Verwendung findet.
Der Kohlenstoff kann entweder direkt aus Treibhausgase abgebenden Kraftwerken 81 ,82 stammen, nach einer CO2-Abtrennung 84, hier die
Gaskraftwerke 81 und die Kohlekraftwerke 82, entlang einer Rohrleitung, bei beispielsweise verflüssigtem Kohlendioxid, und der einen oder mehreren verteilten Hydrieranlagen 10 zugeführt werden. Zwischengeschaltet werden kann ein Lager 85, welches entweder CO2 aufnimmt, oder CO2 für die Hydrieranlage 10 abgibt, oder beides. Auch eine direkte Vorbeileitung entlang des Weges A für das Kohlendioxid zur Hydrierung ist möglich. Die Wege a, b sind Zufuhr und Abfuhr zum und vom Lager 85, wobei die tatsächlichen Wege A, B und C möglich sind. Die Leitung 11 a führt zur Hydrieranlage 10, respektive mehrere entsprechende Leitungen führen zu mehreren verteilten Hydrieranlagen 10, die hier blockweise und schematisch dargestellt sind.
Das Ausgangsprodukt als zweiter speicherbarer Energieträger ist über eine Leitung 11 geführt und ggf. wird hier vergaste Biomasse über eine oder mehrere Vergasungseinrichtungen 50 per Leitung 12 noch zugeführt. Der Kohlenwasserstoff kann ebenso für Fahrzeuge als weitere Verbraucher 61 vorgesehen werden.
Die Leitung 11 führt mittelbar oder unmittelbar zu den Kohlekraftwerken und den Gaskraftwerken, wo der Kohlenwasserstoff als brennbarer Energieträger zur Bildung von elektrischem Strom verwertet wird. Dadurch ergibt sich ein Kreislauf von Kohlenstoff entlang des Pfades 100, der im folgenden Bild noch deutlicher wird.
Das folgende Bild geht, soweit nichts anderes beschrieben wird, auf die Bezugszeichen von Bild 3 ein und übernimmt sie, wobei der Netzregler 21 gesondert eingezeichnet ist, der auch in dem Bild 3 zur Verfügung steht und seine Einflüsse entsprechend den Referenznummern 21 a bis 21 c auch beim Netzaufbau nach Bild 3 hat. Auch die übergeordnete Steuerung 22 ist aus Bild 4 in Bild 3 zu übernehmen.
Bild 4 veranschaulicht eine Variante von Bild 3.
Ein Anteil 35a der mit WEA 30 oder SEA 31 erzeugten fluktuierenden elektrischen
Leistung 35' wird wie bisher direkt dem elektrischen Netz 20 zugeführt. Ein anderer Anteil 35b fließt über/aus Leitung/Netz 35 den Elektrolyseuren 40 zu, die sich entweder am Ort der WEA (bspw. auf einer Offshore-Plattform) befinden oder an Land über Leitungen mit den WEA oder SEA verbunden sind. Die Verbindung kann mit Gleichstrom oder Drehstrom erfolgen.
Wegen der hohen Ströme im Elektrolyseur 40 wird ein Elektrolysegleichrichter nahe beim Elektrolyseur angeordnet.
Falls leistungsfähige und nicht voll ausgelastete Leitungen des Versorgungsnetzes verfügbar sind, bei denen keine Überlastungsgefahr besteht, kann die Leistung des Elektrolyseurs auch unter Nutzung von Anteilen des Drehstrom-Versorgungsnetzes zu den Elektrolyseuren übertragen werden (nicht dargestellt).
Am Ausgang der Elektrolyseure sind Zwischenspeicher 45 angeordnet, die den entstehenden fluktuierenden Wasserstoffstrom bis zur weiteren Verarbeitung aufnehmen. Eine Verflüssigung kann vorgesehen sein.
Das in fossilen Kohle- oder Gaskraftwerken 81 ,82 abgetrennte CO2 (Anlagen 84 nach Bild 4) wird unter Druck verflüssigt und einem untertage befindlichen (End)lager 85 oder gleich der Hydrieranlage 10 zugeführt. Falls genügend Wasserstoff verfügbar ist, kann CO2 auch dem (End)lager entnommen werden. Diese Wege A oder C sind ebenso möglich, wie die zeitweise vollständige Speicherung im
Weg B, vgl. Bild 3.
Die in der Hydrieranlage 10 gewonnenen gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffe werden über Leitung 11 in Speicher 15 zwischengespeichert und fossilen Kraftwerken 81 ,82 als Brennstoff zugeführt. Sie können aber auch für andere
Zwecke, z.B. bei mobilen Anwendungen 60 dienen, vgl. Bild 3, oder aber Grundstoffe der chemischen Industrie werden.
Die geographische Anordnung der Einzelkomponenten hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab; dabei sind vor allem die Entfernungen und die Kosten der
Verbindungen (elektrisch oder Rohrleitung) von Bedeutung.
Alle Teile sind modular ausführbar. Beim schrittweisen Ausbau der verschiedenen Komponenten wird sich die Betriebsweise ändern. Ausgehend vom gegenwärtigen Zustand, wo die gesamte fluktuierende WEA- und SEA-Leistung 35' über
Leitungen 35" in das elektrische Netz 20 eingespeist wird, können parallel zum Ausbau der Abtrennungs-, Elektrolyse-, und Hydriertechnologie zunehmende Anteile der fluktuierenden Leistung den Elektrolyseuren zufließen, über Leitung oder fluktuierendes Netz 35 nach Bild 4.
Um Verluste zu reduzieren, kann ein Anteil 35a der Windleistung direkt in das elektrische Netz 20 eingespeist werden, Leitung 35", doch sind aus
Stabilitätsgründen starke Schwankungen vom Stromnetz 20 fernzuhalten.
Dies gilt vor allem bei einem wachsenden Ausbau der WEA und steigenden Einspeiseleistungen.
In Bild 4 wird der Einfluss der übergeordneten Steuerung 22 und des Netzreglers 21 deutlicher. Steuerung 22 beeinflusst über Kommunikationskanäle 22e,22f, die nicht im einzelnen dargestellt sind, den Zwischenspeicher 15 und den Zwischenspeicher 45. Der Netzregler 21 beeinflusst über andere Kommunikationskanäle 21 b,21 c die Kraftwerke, welche Grundlast-Kraftwerke 81 und
82 hier nur dargestellt sind, aber auch die übrigen aus Bild 3 einsetzbaren Kraftwerke.
Ebenfalls beeinflusst werden kann von der Steuerung 22 die Elektrolyseeinrichtung 40, die lokal oder räumlich verteilt an mehreren Stellen
Wasserstoff erzeugt, gespeist aus dem regenerativ gewonnenen, fluktuierenden Strom im Netz 35. Hierfür dient der Kommunikationskanal 22d.
Das Netz 35 ist in Bild 4 nicht mehr eigenständig und alleinig für die fluktuierenden Stromlasten vorgesehen, sondern hat einen Ableger 35a, der in das elektrische
Netz 20 einspeist. Nach Bild 1 war die Einspeisung entlang des Pfades 35" ausschließlicher Natur, der gesamte fluktuierende Strom 35' (Energie oder elektrische Leistung) führte in das elektrische Netz 20. Nach Bild 3 war der gesamte fluktuierende Strom der Elektrolyse 40 zugeführt. Nach Bild 4 ist ein wesentlicher Anteil des fluktuierenden Stromes zur Erzeugung von Wasserstoff in der
Elektrolyseeinrichtung 40 verwendet, wobei die/das Leitung/Netz 35 als Stromleitung dargestellt ist, aber ebenso bei einer direkten Speisung der regenerativ gewonnenen Energie in ein naheliegendes Elektrolysegerät 40 als Rohrleitung für den Wasserstoff ausgebildet sein kann. Ein Anteil der regenerativen Energie wird direkt dem elektrischen Netz 20 über den Pfad 35" zugeführt, aber dieser Anteil ist vergleichsweise gering, so dass die Schwankungen des fluktuierenden Stroms (Energie oder elektrische Leistung) das Netz 20 nicht über die Leistungsfähigkeiten und Regelfähigkeiten des Netzreglers 21 überbeanspruchen. Die Zwischenspeicher 45 und 15 waren in Bild 3 noch nicht vorgesehen. Sie sollen hier eingehender erläutert werden.
Der Wasserstoff aus der Elektrolyseeinrichtung 40 kann zwischengespeichert werden, wobei die Steuerung der Zwischenspeicherung auch von einer übergeordneten Steuerung 22 übernommen werden kann. Ebenso kann die Menge des durch Hydrierung erzeugten Kohlenwasserstoffs in einem Zwischenspeicher 15 zwischengepuffert werden, der ebenfalls von der übergeordneten Steuerung gesteuert werden kann. Damit muß nicht zwingend die augenblicklich erzeugte
Menge von Wasserstoff und/oder die augeblicklicht erzeugte Menge von Kohlenwasserstoff einer weiteren Verwendung zugeführt werden, vielmehr ergibt sich Puffermöglichkeit für beispielsweise einen Sturm, der viel Energie in beiden Speichern 45 und 15 zwischenzuspeichern erlaubt. Andererseits können diese beiden Speicher Energie den Kraftwerken 81 ,82 zuführen, auch wenn keine regenerative Energie zur Erzeugung von Wasserstoff in der Elektrolyseeinrichtung 40 verfügbar ist.
Sowohl die Lastschwankungen der Verbraucher 21 , wie auch die Windkraftschwankungen und die Solarkraftschwankungen können durch die Puffer und die übergeordnete Steuerung 22 ausgeglichen werden.
Deutlicher als in Bild 3 wird der schematisch eingezeichnete Kreislauf 100 für den Kohlenstoff, der sich aus dieser Anordnung eines Netzes und Betriebsweise eines Netzes ergibt. Der fluktuierende Strom wird im Wesentlichen in die Elektrolyse eingeleitet, und der erzeugte erste Energieträger, der speicherbar ist, wandelt nach bevorzugt dem modifizierten Fischer-Tropsch Verfahren das Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe um, der oder die als zweiter Energieträger ebenfalls speicherbar sind.
Erläutert werden kann auch das CO2-Endlager, das entsprechend der Erklärung zum Lager 85 von Bild 3 kein Endlager mehr ist, sondern ebenfalls ein Zwischenlager, so dass auf die Ausführungen zu Bild 3 hier verwiesen werden soll.
Der Kreislauf 100 ergibt sich über die Hydrierung und die Rückführung der brennbaren Kohlenwasserstoffe in Form von Gasen oder Flüssiggasen zu den Kraftwerken 81 ,82, und von dort über die CO2-Abtrennungen 84 und das CO2-Zwischenlager im zuvor beschriebenen Sinn zurück zur Hydrierung 10. Der Netzregler 21 und die übergeordnete Steuerung 22 sind mit Einflüssen eingezeichnet, die auf das elektrische Netz mit 21 a wirken, über Informationsübermittlung auf den Zwischenspeicher 15 mit Kanal 22e, mit Übermittlung 22f zum Zwischenspeicher 45, mit Kanal 22g zum CO2-Lager, und vom
Netzregler 21 mit Kanälen 21 b, 21 c zum Gaskraftwerk 81 und zum Kohlekraftwerk 82.
Dieses sind nur herausgegriffen einige der Kommunikationskanäle des Netzreglers und der übergeordneten Steuerung 22, deren Eingangsgrößen nicht gesondert dargestellt sind, die aber beim Netzregler aus konventionellen Netzen bekannt sind. Auch andere Einflüsse am Ausgang des Netzreglers 21 können vorgesehen werden, wie auch weniger der dargestellten Einflüsse, insbesondere ist aber ein Einfluss der übergeordneten Steuerung 22 auf den Elektrolyseur über den Kanal 22d ebenso sinnvoll, wie eine Rückmeldung aus der Elektrolyse 40 und der Hydrieranlage 10 zur
Steuerung 22, so dass die Stabilität des Netzes weiter verbessert wird.
Die übergeordnete Steuerung 22 wird beispielsweise angesteuert von Signalen aus der WEA 30 oder der SEA 31 , also aus dem Bereich der fluktuierenden Energie 35', wie auch beispielsweise aus dem daraus generierten Strom auf Leitung/Netz 35 oder
Leitung 35". Die übergeordnete Steuerung spricht dabei auf das Anwachsen der fluktuierenden Energie 35' an, also starke Sonneneinstrahlung, plötzliche Windböen oder unerwarteter Sturm. Naturgemäß kann diese Messgröße des Entstehens eines solchen Energieschubs an vielen Stellen angekoppelt werden, zurück bis zur Messung des Windes, oder vor bis zum Anwachsen der Stromstärke des
Einspeisestroms.
Wird dieses Ansteigen erfasst, kann von der Steuerung 22 die Elektrolyse 40 und/oder die Hydrierung 10 aufgesteuert werden.
* * V ♦

Claims

Ansprüche.
1. Energieverteilungsverfahren, bei dem ein Strom oder Lasten verteilendes
Stromnetz (20) stabil betrieben wird, und eine Vielzahl von 5 Verbraucherstellen (21 ) versorgt,
(i) wobei regenerativ erzeugte Energie (30,31 ), insbesondere über
Windkraft- oder Solarzellen, nicht im Wesentlichen ausschließlich oder zumindest nicht vollständig in das Stromnetz (20) eingespeist wird, sondern zumindest in lo wesentlichen Anteilen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird (40);
(ii) Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken (81 ,82) oder einem Endlager (83) zusammen mit dem Wasserstoff in zumindest einer Hydrieranlage (10) hydriert wird, wobei zumindest ein i5 gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt wird (1 1 );
(iii) der brennbare Kohlenwasserstoff erneut in einem
Kraftwerk (81 ,82) zur Bildung von elektrischem Strom verwertet wird; wobei Kohlenstoff in einem Kreislauf (100) bewegt wird, unter Zufuhr 20 regenerativ erzeugter Energie (30,31 ,35) und Abgabe von brennbarem
Kohlenwasserstoff.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der brennbare Kohlenwasserstoff in 25 Schritt (iii) verflüssigt wird, um ihn zumindest eine Zeitlang zwischenzuspeichern (15), bevor er in einem Kraftwerk (81 ,82) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kraftwerk ein Gaskraftwerk ist.
30
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die stabile Betriebsweise des Netzes nachhaltig erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Netzregler (21 ) die Frequenz des 35 elektrischen Netzes durch Lastverteilung steuert, insbesondere nahezu konstant hält.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die regenerativ erzeugte Energie (30,31 ) zumindest in wesentlichen Anteilen in ein separates zweites Netz oder Leitung (35) eingespeist wird, welche eine Elektrolysestation (40) speist, die Wasserstoff erzeugt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei ein Anteil der regenerativ erzeugten Energie in das elektrische Netz (20) eingespeist wird (35a), insbesondere aus diesem Netz (20) nach Maßgabe einer übergeordneten Steuerung (22;22d) die Intensität der Elektrolyse gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, Anspruch 1 oder Anspruch 5, wobei die übergeordnete Steuerung (22;22e,22f) die Speichermenge erhöht oder reduziert, oder solches veranlasst, welche in einem der Speicher (15,45) für Wasserstoff oder brennbarem Kohlenwasserstoff zwischengespeichert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Hydrieren (10) in der Hydrieranlage mit dem Verfahren nach Fischer-Tropsch, modifiziert, erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der mit regenerativer Energie gewonnene Strom (30,31 ) zu regenerativ gewonnenem (40) Wasserstoff, als Beispiel eines ersten speicherbaren Energieträgers, umgesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der regenerativ erzeugte Wasserstoff zur Aufrechterhaltung eines Hydriervorgangs (10) dient, mit dem ein zweiter, speicherbarer Energieträger, beispielsweise ein flüssiger oder verflüssigbarer
Kohlenwasserstoff entsteht (11 ).
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei die regenerative Energie als Strom oder als elektrische Leistung vollständig dem ersten Netz (20) vorenthalten und dem zweiten Netz zugeführt wird (35).
13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren nach Fischer-Tropsch so modifiziert ist, dass CO2 durch zugeführte Energie aktiviert wird.
14. Anlage zur Verteilung elektrischen Stroms in einem großflächigen Netz (20) aus mehreren Einspeisern (81 ), mehreren Verbrauchern (21 ) und zumindest einem Einspeiser (31 ,30) mit regenerativem Aufkommen an Energie, insbesondere einer umweltabhängigen, stark fluktuierenden Stromeinspeisung, wobei zumindest ein wesentlicher Anteil der regenerativen Energie als Hauptanteil der fluktuierenden Einspeisung nicht dem großflächigen Netz, sondern einem Verbraucher (40) zugeführt wird, der einen ersten, speicherbaren Energieträger, beispielsweise Wasserstoff erzeugt, und der erste speicherbare
Energieträger einer Anlage (10) zum Umsetzen von Treibhausgas (CO2) in einen brennbaren zweiten Energieträger (CxHy) zugeführt wird, welche Anlage (10) einen Grundlast-Energieerzeuger (81 ) speist (11 ,15), bevorzugt aus einem Zwischenspeicher (15).
15. Verfahren oder Anlage nach Anspruch 14, wobei ein Netzregler (21 ) die Erzeugung von Strom oder Leistung aus dem Grundlast-Energieerzeuger steuert (21 c), abhängig vom Bedarf im Netz, zur Schaffung eines Beitrags zum planbaren Strom im Netz (20).
16. Verfahren zur Verteilung elektrischen Stroms in einem großflächigen Netz
(20) aus mehreren Einspeisern (81 ), mehreren Verbrauchern (21 ) und zumindest einem Einspeiser (31 ,30) mit regenerativem Aufkommen an
Energie, insbesondere einer umweltabhängigen, stark fluktuierenden Stromeinspeisung, wobei zumindest ein wesentlicher Anteil der regenerativen Energie als Hauptanteil der fluktuierenden Einspeisung nicht dem großflächigen Netz, sondern einem Verbraucher (40) zugeführt wird, der einen ersten, speicherbaren Energieträger, insbesondere Wasserstoff erzeugt, und der erste speicherbare Energieträger einer Anlage (10) zum Umsetzen von Treibhausgas (CO2) in einen brennbaren zweiten Energieträger (CxHy) zugeführt wird, welche Anlage (10) einen
Grundlast-Energieerzeuger (81 ) speist, bevorzugt aus einem Zwischenspeicher (15).
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der zweite Energieträger ein Alkan, insbesondere Butangas oder Propangas ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Treibhausgas als Kohlendioxid von anderen Kraftwerken stammt, insbesondere nach einer CO2-Abtrennung und/oder über eine Zwischenspeicherung in einem Lager (85) mit begrenztem Lagervolumen.
19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die übergeordnete Steuerung (22) Einfluss auf die Zufuhr eines Kohlenwasserstoffs zu einem Kraftwerk (81 ) hat.
20. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 , wobei die übergeordnete Steuerung (22) die Erzeugung des Wasserstoffs in dem Elektrolyseur (40) vom erzeugten Volumen her steuert (22d).
21. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der brennbare Kohlenwasserstoff in dem Kraftwerk (81 ,82) zur Bildung von Strom oder elektrischer Leistung als Energie für das Netz (20) verwendet wird.
•(• •(• •(• •(•
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