EP4046254A1 - Verfahren und system zum energiemanagement - Google Patents

Verfahren und system zum energiemanagement

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Publication number
EP4046254A1
EP4046254A1 EP20780618.3A EP20780618A EP4046254A1 EP 4046254 A1 EP4046254 A1 EP 4046254A1 EP 20780618 A EP20780618 A EP 20780618A EP 4046254 A1 EP4046254 A1 EP 4046254A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrical energy
energy
concentrate
storage
power grid
Prior art date
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Pending
Application number
EP20780618.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schelch
Wolfgang Staber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP4046254A1 publication Critical patent/EP4046254A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H02J3/48—Controlling the sharing of the in-phase component
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
    • H02J15/008—Systems for storing electric energy using hydrogen as energy vector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for energy management.
  • control energy which, as a reserve, balances out fluctuations in the electricity grid and thus prevents the grid from collapsing, increases considerably.
  • Control energy intervenes, for example, when electricity consumption increases surprisingly, a conventional power plant fails or a sudden change in the weather significantly affects the forecast electricity production from renewable energy sources.
  • Control energy compensates for fluctuations in the power grid within seconds ("primary reserve"), five minutes (“secondary reserve”) or fifteen minutes (“minute reserve”).
  • Control energy can not only be provided by electricity producers, but also by electricity consumers and electricity storage facilities (for a more precise definition of control energy, see below). Since electricity is often generated by means of renewable energies at a great distance from the electricity consumers, for example by means of offshore wind farms, the need for spatial compensation increases.
  • the importance of systems and technologies for electricity storage is therefore increasing significantly; in particular, it can be assumed that there will be very high storage requirements in the future. Electricity storage systems are already considered to be a “key technology” for a successful energy transition.
  • the invention is therefore based on the object of providing an energy management concept that is significantly more favorable and advantageous with regard to its energy balance.
  • the object set is achieved according to the invention by a method for energy management with the participation of
  • the method being operated in one of the following operating states as a function of the control energy requirement: a) when there is no control energy requirement in normal operation, in which the electrical energy consuming process uses the energy of the electrical energy generating process to produce at least one product, b) if required negative control energy in a storage operation, in which additional electrical energy is fed into the electrical energy-consuming processes from the power grid and an excess of product is produced in comparison to normal operation and this is stored and c) if positive control energy is required in a delivery operation in which the energy-consuming process is shut down or throttled and the electrical energy of the electrical energy-generating process is fed into the power grid.
  • a system for energy management which comprises the following:
  • At least one second system component for manufacturing at least one product using electrical energy from the first system component
  • At least one warehouse for storing excess product and - An electronic control which feeds electrical energy into the second system component in the event of negative control energy from the power grid and, in the case of positive control energy, throttles or switches off the supply of electrical energy from the first system component to the second system component and at least for the electrical energy generated in the first system component Part feeds into the power grid.
  • the method according to the invention and the system according to the invention thus completely dispense with energy storage devices in the conventional sense.
  • at least one electrical energy-consuming process for the production of at least one product (or the corresponding system component), at least one electrical energy-generating process (or the corresponding system component) and a power grid are combined in a special way depending on the control energy requirement. decoupled.
  • negative control energy is used to increase the productivity (performance) of a process that produces one or more products (product (s) surplus).
  • Such a process is characterized in particular by the fact that it is easy to automate, can be switched on and off quickly and is not time-critical in its implementation, and can therefore be carried out at any point in time.
  • the storage of electrical energy is completely dispensed with, products are stored.
  • the electrical energy of the electrical energy generating process is fed into the power grid.
  • the system according to the invention absorbs energy and makes energy available so that it behaves like an energy store to the outside, without being or having one.
  • the system and the method work - in contrast to currently known energy storage systems - at least essentially the same amount (none
  • the product or products which is or are produced with the process that consumes electrical energy is liquid or gaseous.
  • Liquid and gaseous products are easy to handle logistically, so that the relevant process steps can be carried out in a reliable and simple automated manner.
  • the products can be stored in a space-saving manner and easily transported or forwarded using pumps, pipes, valves and the like.
  • the process that consumes electrical energy is or are used to produce a product or products which can be stored in a stable manner without additional energy expenditure, such as cooling, for example.
  • the method advantageously works with the same amount.
  • the process consuming electrical energy is an electrolysis process, in particular an electrochemical membrane process, metal extraction electrolysis, electrochemical cleaning of metals, a process falling under the term electroplating, organic electrosynthesis or water electrolysis.
  • Electrolysis processes are very energy-intensive, they therefore enable extremely high pseudo-energy storage densities (see point 4.2.2, final result 3). They are also characterized by their short start-up times, so that storage operation can be started particularly quickly if negative control energy is required. In addition, electrolysis processes can be shut down or throttled quickly.
  • the process consuming electrical energy is an evaporation, in particular an evaporation of water from starting materials containing water.
  • Evaporation of water is also an energy-intensive process.
  • the concentrate that remains after evaporation therefore has a high pseudo energy storage density (see point 4.2.1, final result 2) and is generally stable in storage. It can therefore be stored at ambient temperature without the use of additional energy, so that the method works in the same amount and the storage costs are low.
  • the evaporation can be quickly shut down or throttled when there is a need for positive control energy and quickly started when there is a need for negative control energy.
  • At least one product is produced by means of the process that consumes electrical energy, which product is at least partially used as a starting material for the process that produces electrical energy.
  • At least one water-containing, biological starting material in particular a biogenic raw material or a biogenic residue, is used for the process that consumes electrical energy.
  • Such starting materials are often inexpensive to procure and store and are usually available in large quantities.
  • biogenic residue furthermore the biogenic fraction arising from mechanical-biological waste treatment, agricultural and forestry by-products, biogenic production residues, liquid manure, fermentation residues from a biogas plant, sewage sludge, slaughterhouse waste, animal meal, residual forest wood , Leftovers out the forest and wood industry production, landscape maintenance material, waste from gardens, parks and cemeteries, biowaste, excrement from animal husbandry and / or greenery along the road is or are used.
  • the biogenic residues mentioned are available inexpensively, with some, for example sewage sludge, sometimes even having a negative purchase price. These residues can also be easily stored, for example in stacking basins.
  • the electricity network involved in the process is preferably an interconnected network.
  • the processes that consume electrical energy include the following successive steps: i. Mixing a biological starting material containing organic compounds and water with an alkaline hydrolysis agent dissolved in water to form a hydrolyzed medium, ii. Heating and evaporation of the hydrolyzed medium to form a vapor and a concentrate, iii. a) in normal operation: use of the concentrate to generate electrical energy by means of the electrical energy generating process, b) in storage mode: use of a portion of the concentrate to generate electrical energy by means of the electrical energy generating process as well as storage of the further concentrate, c) in the dispensing operation: Use of the concentrate stored in the storage operation to generate electrical energy by means of the electrical energy-generating process.
  • hydrolysis agent used is at least one from the group consisting of sodium hydroxide, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, potassium hydroxide, potassium carbonate, potassium phosphate, potassium hydrogen phosphate, potassium dihydrogen phosphate or dipotassium hydrogen phosphate.
  • hydrolysis agents can advantageously be recovered by means of electrolysis processes.
  • step ii. accumulating vapors are condensed and converted into an ammonia solution with the addition of at least one acidic process auxiliary in at least one electrolysis cell.
  • the ammonia solution is a particularly valuable chemical compound.
  • step iii. the concentrate to generate electrical energy is heated in a reactor to up to 700 ° C and the resulting gases are converted in a combined heat and power plant.
  • step iii The residue remaining in the reactor is mixed with water to form an eluate, with at least part of the eluate in an electrolysis cell being used for step i. suitable hydrolysis agent is formed.
  • the processes that consume electrical energy include the following successive steps:
  • step II A) in normal operation: converting the concentrate in a biogas plant, whereby a digestate is formed and this is discharged from the biogas plant, b) in storage mode: feeding in electrical energy in step I, so that an excess of concentrate is formed, which is subsequently stored in the biogas plant, c) in delivery mode: formation of biogas from the concentrate stored in storage mode and generation of electrical energy from the biogas .
  • the system preferably comprises a multiplicity of first system components and / or a multiplicity of second system components. Accordingly, large amounts of electrical energy can be taken from the power grid or fed into it.
  • a first system component is a block-type thermal power station.
  • a combined heat and power plant is preferably operated at the place of heat consumption, it can also feed useful heat into a local heating network and advantageously uses the principle of combined heat and power.
  • one or more second system component (s) is or are provided, which is or are an evaporator, an electrolysis cell and / or a biogas plant.
  • Fig. 1 schematically and exemplarily control energy flows within an Austrian federal state
  • 2 shows a block flow diagram of a system S1 for energy management in normal operation according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a block flow diagram of the system S1 in storage mode
  • FIG. 5 shows a block flow diagram of a system S2 for energy management in normal operation according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a block flow diagram of the system S2 in storage mode
  • FIG. 7 shows a block flow diagram of the system S2 in the delivery mode.
  • the invention relates to a system and a method for energy management.
  • the system comprises at least one system component for generating electrical energy, at least one system component for producing at least one product using electrical energy, at least one power grid, in particular an interconnected grid (electrically connected power grids), and an electronic control that operates or implements the method.
  • At least one electrical energy-generating process, at least one electrical energy-consuming, at least one product-generating process, and a power grid, in particular an interconnected grid, are involved in the method.
  • Control energy refers to the energy that a power grid operator needs to compensate for unforeseen fluctuations in power in the power grid (fluctuations in the power frequency). Deviations between power generation and power consumption are therefore compensated for by using control energy so that the stability of the power grid is not endangered. When using control energy, electrical energy is therefore taken from the power grid or fed into it. Control energy can be provided by electricity producers, electricity consumers and electricity storage systems, for example.
  • the electricity network operator “needs negative control energy” from electricity consumers, who withdraw electrical energy from the electricity network over a certain period of time.
  • the power grid operator needs positive control energy. It is necessary to feed additional electrical energy into the power grid over a certain period of time.
  • Fig. 1 shows a view of the Austrian state of Styria.
  • a power grid operator and a number of power consumers and / or power generators are indicated.
  • a large number of lines symbolize a power grid, through which negative and positive control energy flows to compensate for fluctuations in the power frequency.
  • the flow of negative balancing energy is through a the flow of positive balancing energy is indicated by a "+".
  • the electrical energy generated by a biogas plant can be fed into the power grid to compensate for increased demand (positive control energy).
  • the power grid operator supplies a temporary one that is above current demand Excess electricity (negative control energy) to a power-to-gas system and to an industrial wastewater treatment facility.
  • Fig. 1 five systems S1 to S5 are indicated by way of example. Lines marked with “ ⁇ ” and running between the power grid operator and systems S1 to S5 symbolize the possibility of supplying each of the systems S1 to S5 with a temporary surplus of electricity in the power grid (negative control energy) as well as the option of using each of these systems S1 to S5 insufficient supply of electrical energy to make it available for feeding into the power grid (positive control energy).
  • valuable chemical compounds are obtained from organic and inorganic compounds contained in waste by means of the energy-consuming processes.
  • a valuable chemical compound is understood to be one that is used, for example, in industry and is therefore suitable for sale.
  • Parts of the systems S1 to S5 can in particular correspond to the device disclosed in the patent application AT 520454 A2 in a correspondingly adapted manner.
  • Another suitable system is the device from the as yet unpublished Austrian patent application with the official file number A50630 / 2018.
  • the electrolysis cells used in this case are designed in particular as described in AT 520454 A2 or A50630 / 2018.
  • Liquid manure consists largely of water and inorganic and organic compounds dissolved or suspended in the water.
  • the inorganic compounds contained include, in particular, potassium salts, amines, ammonium, amides, such as urea, nitrates, nitrites and phosphates.
  • the organic compounds contained in water include, in particular, fats, proteins, carbohydrates and lignins.
  • valuable chemical compounds can be obtained from these organic and inorganic compounds.
  • electrical energy can also be obtained from the organic and inorganic compounds to produce the valuable chemical compounds, as will also be described below.
  • Table 1 shows examples of the compounds commonly referred to as nutrients found in manure.
  • liquid manure is fed from a liquid manure store 1 to a mixer 2.
  • a potassium hydroxide solution aqueous potassium hydroxide solution, "KOH"
  • KOH aqueous potassium hydroxide solution
  • eluate and the potassium hydroxide solution are also fed into the mixer 2, wherein the eluate and the potassium hydroxide solution are preferably mixed before entering the mixer 2.
  • the formation (origin) of the potassium hydroxide solution and the eluate will be explained in more detail later.
  • the supplied potassium hydroxide solution or the supplied mixture of potassium hydroxide solution and eluate has a pH of preferably at least 12.0.
  • the liquid manure is mixed with the supplied potassium hydroxide solution or the supplied mixture in the mixer 2, whereby a liquid and at least largely homogeneous medium is formed.
  • the medium formed is passed on from the mixer 2 into an evaporator 4, which is based in particular on the principle of an evaporator with a heating jacket and mechanical vapor compressor.
  • the medium is heated to 70 ° C. to 140 ° C., as a result of which all organic compounds present in the medium are alkaline hydrolyzed, that is to say the molecules of the organic compounds are broken down (split).
  • organic potassium salts form at least from the majority of the organic compounds from the liquid manure (known to have at least one anion of an organic acid, ie a carboxylate group R-COO-) and from the phosphates present, potassium phosphate (e ), the organic potassium salts and the potassium phosphate (s) going into solution, i.e. dissolving in the medium.
  • organic acid ie a carboxylate group R-COO-
  • a vapor forms in the evaporator 4.
  • This consists of water vapor and gaseous nitrogen compounds (ammonia, amines) and is passed from the evaporator 4 into a condensate store 5, in which it condenses and can be temporarily stored if required.
  • the condensate formed from the vapor is fed with phosphoric acid (H3PO4) into at least one electrolysis cell 6, in which phosphoric acid (H3PO4) was generated and is continuously generated.
  • the nitrogen compounds contained in the condensate form ammonium phosphates, which at least for the most part dissociate to form ammonium (NH4 + ) and phosphate ions.
  • phosphoric acid also acidifies the condensate, which shifts the dissociation equilibrium between ammonia and ammonium (NH3 + H3q + NH4 + + H2O) in the direction of ammonium (NH4 + ) in the condensate. In contrast to ammonia, ammonium is accessible to an electrochemical reaction.
  • the phosphoric acid (H3PO4), an aqueous ammonia solution (NH3 - H2O) and hydrogen are then obtained.
  • the ammonia solution, the hydrogen and any excess Phosphoric acid are derived from the electrolytic cell 6, they belong to the valuable chemical compounds.
  • the liquid “hydrolyzed” medium formed in the evaporator 4 and remaining in it contains the organic potassium salts and potassium phosphate (s) already mentioned and dissolved in it.
  • the hydrolyzed medium is derived from the evaporator 4 and, as will be explained, further processed. First, however, the effect of hydrolysis on the pumpability of the medium is explained with reference to FIG. 2a.
  • FIG. 2a shows an exemplary diagram, not to scale, in which the content of organic dry matter in% (oTS content) is plotted on the abscissa and the viscosity is plotted on the ordinate without any dimensions or scaling.
  • the viscosity increases according to the arrow pointing upwards.
  • the organic dry matter (OTS) also called dry matter, is known to be the proportion of organic components (organic compounds) of a substance (here the medium) after complete removal of water and complete removal of all mineral components.
  • the dashed line shows the viscosity for the original liquid manure from the liquid manure store 1 as a function of its ODM content (in Fig. 2a: “Liquid manure untreated”).
  • the solid line shows the viscosity of the hydrolyzed medium as a function of its ODM content (in Fig. 2a: "Liquid manure hydrolyzed”). Furthermore, a horizontal line denoted by shows the viscosity up to which the Liquid manure or the medium can be pumped using conventional means. If the viscosity of the liquid manure or the hydrolyzed medium exceeds that indicated by the line Viscosity value, the liquid manure or the hydrolyzed medium can essentially no longer be pumped.
  • the hydrolysis process therefore enables a pumpable medium with a - compared to the starting product (the original liquid manure) - significantly higher ODM content receive. Due to its significantly higher oTS content, the hydrolyzed medium is therefore referred to below as “concentrate”.
  • the concentrate formed in the evaporator 4 is passed on to a reactor 7 in which the concentrate is heated to up to 700 ° C., in particular up to 400 ° C., as a result of which the organic compounds contained in the concentrate are thermally decomposed and gases are formed.
  • the gases are fed into a block-type thermal power station 8, in which electrical energy and heat are generated from the gases in a known manner.
  • the aforementioned evaporator 4, the at least one electrolytic cell 6 and at least one electrolytic cell 9 are operated with this electrical energy.
  • FIG. 2b shows a further exemplary diagram which illustrates further advantages of the previously carried out hydrolysis.
  • the temperature in the reactor 7 in ° C. is plotted on the abscissa and the amount of organic dry matter which is relatively degraded during heating in the reactor 7 is plotted on the ordinate.
  • the solid line shows the relatively broken down amount of organic dry matter for the concentrate introduced into the reactor 7 ("liquid manure treated" in FIG. 2b) as a function of the temperature in the reactor 7.
  • the dashed line shows the relatively broken down amount of organic dry matter for Original, untreated liquid manure introduced into the reactor 7 (“untreated liquid manure” in FIG. 2b), which, however, is not provided for in the present process and is only used for comparison and explanation.
  • the use of the concentrate is significantly more favorable in terms of energy - compared to untreated liquid manure - since - compared to untreated liquid manure - significantly larger percentages of the amounts contained in each case are present even at lower temperatures organic compounds are broken down. In the reactor 7, therefore, larger percentages of gas are obtained from the concentrate - compared to the untreated liquid manure.
  • a solid, in particular powdery residue of inorganic compounds remains in reactor 7, which includes poorly soluble or insoluble inorganic compounds ("ash") and, due to the use of potassium hydroxide, water-soluble inorganic potassium salts (known to have an anion of an inorganic acid) .
  • the ash mainly includes oxides and (bi) carbonates of various metals.
  • the water-soluble inorganic potassium salts include potassium (hydrogen) carbonate (s) and potassium phosphate (s).
  • the solid residue is discharged from the reactor 7 and mixed with water, whereby an eluate is formed.
  • an eluate is understood to be a mixture of a solvent and substances dissolved in it.
  • the solvent of the eluate in question is therefore water, in which the water-soluble inorganic potassium salts dissolve, so that the eluate is an electrolyte solution.
  • the eluate is passed into an eluate store 10, the ash preferably being separated off, for example filtered off, in a manner not shown before it reaches the eluate store 10.
  • part of the eluate is preferably passed from the eluate store 10 into the mixer 2, the ash that may not yet be separated being separated off. Furthermore, eluate is passed from the eluate store 10 into the already mentioned electrolysis cell 9, the ash that may not yet be separated being also separated off.
  • An eluate freed from ash thus reaches the electrolysis cell 9, in which potassium hydroxide in the form of potassium hydroxide (KOH) and phosphoric acid (H3PO4) are formed from the eluate.
  • the potassium hydroxide (KOH) and the phosphoric acid (H3PO4) are derived from the electrolysis cell 9, they represent further valuable chemical compounds is not required for the hydrolysis of the manure, can be removed.
  • the processes that consume electrical energy and produce products run in a continuous manner, i.e. continuously over time.
  • the fill levels in the potassium hydroxide store 3, in the condensate store 5 and in the eluate store 10 fluctuate to a certain extent, but are essentially constant.
  • the evaporator 4 and the electrolysis cell 9 do not run at maximum power but, for example, at 50% of the maximum power.
  • the output is understood to mean the amount of a product (here, for example, the concentrate) generated in a unit of time.
  • the system component for generating electrical energy is the combined heat and power unit 8.
  • the process that generates electrical energy therefore takes place in the combined heat and power unit 8.
  • Ammonia solution, phosphoric acid and potassium hydroxide are the end products.
  • potassium hydroxide is a basic process aid that can be stored for the hydrolysis of liquid manure.
  • the phosphoric acid generated in the electrolysis cell 6 also represents an acidic processing aid.
  • the concentrate, the condensate and the eluate are intermediate products that can be stored.
  • excess electrical energy present in the power grid during storage operation (the power grid operator needs negative control energy) is fed into the system S 1 by the power grid operator.
  • This electrical energy is fed to the evaporator 4 and the electrolysis cell 9.
  • the liquid manure use is reduced to 60 kg OTS / h and that in the Mixer 2 conducted amount of potassium hydroxide solution doubled to 12 kg / h.
  • the amount of potassium hydroxide solution formed in the electrolytic cell 9 increases to 20 kg / h.
  • the amount of phosphoric acid formed per hour in the electrolysis cell 9 also increases.
  • FIG. 4 shows the system S1 in the dispensing mode.
  • the power grid operator needs positive balancing energy.
  • the mixer 2, the evaporator 4 and the electrolysis cells 6 and 9 are temporarily not operated.
  • the electrical energy obtained in the block-type thermal power station 8 is fed to the electricity network operator.
  • the concentrate collected in this during storage operation is passed into the reactor 7, in which gases are generated from the concentrate, from which electrical energy is obtained in the block-type thermal power station 8.
  • the electric Energy is fed to the power grid operator.
  • the residue remaining in the reactor 7 is mixed with water and passed on to the eluate store 10.
  • system S 1 in the described embodiment, all system components for the production of end products are shut down in the dispensing operation (electrolysis cells 6 and 9).
  • the system component for generating electrical energy (block-type thermal power station 8) supplies the generated electrical energy to the power grid.
  • the supply of electrical energy to the system components for the manufacture of products can be throttled.
  • FIG. 5 shows the system S2 in normal operation.
  • the system S2 represents an extension or a special embodiment of the system S1
  • the system S2 with a second evaporator 4 ', a second condensate store 5', a second Electrolysis cell 6 ', a second combined heat and power unit 8' and a biogas plant 12 is expanded.
  • the concentrate store 11 can advantageously be dispensed with.
  • Liquid manure is introduced from the liquid manure store 1 into the evaporator 4 ', in which the liquid manure is heated and water is evaporated from this.
  • the liquid manure is "evaporated” in such a way that the liquid manure concentrate remaining in the evaporator 4 'has a dry matter content of preferably 15% to 25%.
  • the vapor that forms when the liquid manure is evaporated contains primarily ammonia and is passed into the condensate store 5 'and condenses in it.
  • phosphoric acid H 3 PO 4
  • an aqueous ammonia solution NH 3 - H 2 O
  • the liquid manure concentrate remaining in the evaporator 4 ' is suitable - in contrast to the original liquid manure - due to its lower water content and its lower content of nitrogen compounds - as a starting material for the biogas plant 12 Biogas plant 12 occurring nitrogen inhibition of the bacteria advantageously avoided.
  • a higher "digestion chamber load"("volumeload) can be achieved.
  • the digester load indicates, as is well known, the maximum amount of organic dry matter that can be added to the biogas plant without the underlying biological process "overturning".
  • the liquid manure concentrate is converted into biogas, which is fed into the block-type thermal power station 8 ‘.
  • the combined heat and power unit 8 ‘ provides the electrical energy for the evaporator 4‘.
  • the further processing of the digestate takes place in the same way as the processing of liquid manure already described in System S1.
  • the digestate is passed on to a mixer 2, where it is mixed with a potassium hydroxide solution and optionally with eluate.
  • One advantage of using a biogas plant is that a valuable chemical compound, namely the aqueous ammonia solution (NEE - EbO) discharged from the cell 6, is obtained from part of the ammonia contained in the liquid manure without the use of potassium hydroxide. Depending on the application, this can be advantageous with regard to the energy balance.
  • the amount of potassium hydroxide required for further processing of the fermentation residue is less - compared to direct use of the liquid manure, as provided for in system S1 (FIGS. 2 to 4).
  • the S2 system is particularly beneficial when continuously large amounts of liquid manure accumulate.
  • FIG. 7 shows the system S2 in the delivery mode.
  • the evaporator 4 ‘connected upstream of the biogas plant 12 is shut down.
  • the liquid manure concentrate stored in the biogas plant 12 is converted into gases, from which electrical energy is generated in the combined heat and power unit 8, which is fed into the power grid.
  • the digestate is converted as in normal operation (see point 2.1) and in storage mode (see point 2.2).
  • the biological starting material is in particular a water-containing biogenic raw material or a biogenic residue (biogenic waste).
  • Biogenic residues are, in particular, organic waste / wastewater, the biogenic fraction that occurs during mechanical-biological waste treatment, agricultural and forestry by-products, biogenic production residues, the already mentioned liquid manure, the already mentioned digestate, sewage sludge, slaughterhouse waste, animal meal, residual forest wood, residues the forest and wood industry production and landscape maintenance material, waste from gardens, parks and cemeteries, organic waste, excrement from animal husbandry, greenery along the road, etc.
  • the reactor 7 is a fixed bed reactor.
  • the concentrate introduced is applied to a fixed bed (solid bed or packing) located in the reactor. Subsequently, the fixed bed is heated by a hot gas flows through.
  • the concentrate forms gases which, as already described, are routed to a block-type thermal power station, for example.
  • the solid, in particular powdery, phase remaining in the fixed bed reactor is discharged, for example, via a rotating grate or the like.
  • the reactor 7 is a stirred tank which is operated either continuously or discontinuously and in which there is a heat transfer medium, which can be in the form of a powder, for example, or is a heat transfer oil, in particular a thermal oil.
  • a heat transfer medium which can be in the form of a powder, for example, or is a heat transfer oil, in particular a thermal oil.
  • the concentrate introduced into the stirred tank is heated to, in particular, approximately 350 ° C. under atmospheric pressure and / or to preferably approximately 400 ° C. under slight excess pressures (approx. 1 bar).
  • the solid, in particular powdery phase remaining in the stirred tank, originating from the originally introduced concentrate is separated from the heat transfer medium by elution, sedimentation, filtration or the like and the heat transfer medium is returned to the stirred tank.
  • the heat transfer medium can either be heated in the stirred tank or outside the stirred tank.
  • the potassium hydroxide solution forms a basic processing aid, by means of which the inorganic and organic compounds contained in the starting material are made available for material utilization (hydrolysis of the organic compounds).
  • sodium hydroxide, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, potassium hydroxide, potassium carbonate, potassium phosphate, potassium hydrogen phosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate or a mixture of these substances come into consideration as process auxiliaries.
  • the phosphoric acid which is used to acidify the condensate, also forms a process aid.
  • phosphoric acid another suitable inorganic acid, in particular sulfuric acid, can be used. This will, as for the phosphoric acid described, generated in the electrolytic cell 6.
  • sulfuric acid instead of phosphates, corresponding sulfates are formed when sulfuric acid is used.
  • ammonium (NH4 + ) or dissolving ammonium salts are formed, which are accessible to an electrochemical reaction.
  • the vapor formed in the evaporator 4, 4 ‘and containing nitrogen compounds can be passed from the evaporator 4, 4 in directly into a scrubbing column, where one of the acids mentioned can be added.
  • a corresponding condensate forms, as explained under point 1.1 and point 3.1.3.
  • the condensate is, as described, passed into the condensate store 5, 5 'or it is in particular passed into a receiving water from which it flows on into the electrolytic cell 6, 6'.
  • the vapor formed in the evaporator 4 and containing nitrogen compounds can also be passed over an ion exchanger which is regenerated with one of the acids mentioned, the acid coming from the electrolysis cell 6, 6 ‘. Corresponding sulfates or phosphates are formed in the ion exchanger. Depending on the configuration, the condensate storage 5, 5 ‘can be dispensed with.
  • the process that consumes electrical energy produces, in particular, at least one storable product.
  • Energy-intensive processes that require large amounts of electrical energy and - in relation to the volume of product produced - produce as little product as possible are particularly favorable, because high “pseudo energy storage densities” can be achieved with such processes (see point 4).
  • electrolysis processes in particular electrochemical membrane processes, metal extraction electrolysis, the electrochemical cleaning of metals, the processes falling under the term “electroplating” (for example electrochemical metal deposition or electrochemical metalworking), organic electro-synthesis and water electrolysis.
  • pseudo-energy stores The “products” resulting from these processes that consume electrical energy form “pseudo-energy stores”.
  • pseudo-energy storage is intended to make it clear that no electrical energy is stored per se, but the energy is "objectified” or available as an equivalent after the work has been carried out in the respective product formed (see also point 4).
  • system S1 the concentrate emerging from the evaporator 4 and the potassium hydroxide solution produced in the electrolysis cell 9 and the phosphoric acid produced in this form pseudo-energy stores.
  • the potential energy of a pumped storage power plant can be calculated using the following equation: potential energy m [kg] mass of the pumped water g [m / s 2 ] acceleration due to gravity, g ⁇ 9.81 m / s 2 h [m] height above the ground (height difference between the deep basin and the storage basin)
  • the height difference h is 100 m.
  • the overall efficiency of the pumped storage power plant is 80% or 0.8.
  • the overall efficiency of the pumped storage power plant and the storage requirements of the “educt” (water in the deep basin) and the “product” (water in the storage basin) are taken into account.
  • the storage requirement is 2m 3 , as the water first takes up 1m 3 in the deep basin and then 1m 3 in the storage basin. The following therefore applies:
  • the excess energy (negative control energy) is fed to the evaporator 4 and the electrolysis cell 9.
  • Calculations for the pseudo energy storage density of the concentrate and the phosphoric acid are then carried out.
  • the aspect of the water storage requirement was already taken into account in equation 1 through the water density.
  • the aspect of storage requirements is only taken into account at the end.
  • the pseudo energy storage density of the concentrate can be calculated from the electrical energy (work) which the evaporator 4 needs to form the concentrate.
  • the manure has a dry matter content of 5%. It therefore consists of 95% water and 5% dry matter.
  • the liquid manure is evaporated in an evaporator with a mechanical vapor compressor, whereby the condensation of the steam takes place at a temperature of 90 ° C.
  • the efficiency of the evaporator with vapor compressor is 50% or 0.5.
  • the evaporator with vapor compressor is known to represent a form of a heat pump, the maximum performance coefficient pwp of which can be calculated according to equation 3. maximum coefficient of performance
  • the real performance coefficient pwp real can be calculated from the maximum performance coefficient, taking into account the specified efficiency:
  • Equation 3 is used to calculate the maximum coefficient of performance pwp.
  • the volume required for storage must be taken into account.
  • the starting material namely lm 3 manure
  • the concentrate requires 0.5 m 3 (lm 3 liquid manure - 500 kg evaporated water).
  • the storage requirement is therefore 1.5 m 3 .
  • the electrolysis cell 9 is divided into two half-cells - an anode compartment and a cathode compartment - with a membrane permeable to potassium cations (K +).
  • K + potassium cations
  • H2 hydrogen
  • KOH potassium hydroxide
  • PO 4 3- phosphate anions
  • the pH value of the eluate is 12. At this pH value, the phosphate anions of the potassium phosphates are available as PO 4 3- , so that the following calculations refer to PO 4 3- .
  • the voltage difference during electrolysis is 5V. This voltage is above the decomposition voltage.
  • the present electrolyte solution is a 50% potassium phosphate solution.
  • Such has a density of about 1,500 kg / m 3 .
  • 1m 3 potassium phosphate solution are therefore required.
  • the volume required for storage must be taken into account.
  • the starting material namely the lm 3 electrolyte solution, requires a volume of lm 3 .
  • the potassium hydroxide solution and the phosphoric acid formed together also take up approx. 1 m 3 , so that the storage requirement is around 2.0 m 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Energiemanagement unter Beteiligung von − zumindest einem Stromnetz, − zumindest einem elektrische Energie verbrauchenden Prozess zur Herstellung zumindest eines Produktes und − zumindest einem elektrische Energie erzeugenden Prozess, wobei das Verfahren in Abhängigkeit des Regelenergiebedarfes in einem der folgenden Betriebszustände betrieben wird: a) bei keinem Regelenergiebedarf in einem Normalbetrieb, bei welchem der elektrische Energie verbrauchende Prozess mit der Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses zumindest ein Produkt hergestellt, b) beim Bedarf an negativer Regelenergie in einem Speicherbetrieb, bei welchem aus dem Stromnetz zusätzliche elektrische Energie in den elektrische Energie verbrauchenden Prozesse eingespeist und derart gegenüber dem Normalbetrieb ein Überschuss an Produkt hergestellt und dieser gespeichert wird und c) bei Bedarf an positiver Regelenergie in eine Abgabebetrieb, bei welchem der energieverbrauchende Prozess stillgelegt oder gedrosselt und die elektrische Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses ins Stromnetz eingespeist wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und System zum Energiemanagement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Energiemanagement.
Es ist bekannt, dass der Ausbau erneuerbarer Energien ein erklärtes Ziel von Staaten und Staatenverbunden ist. Im Rahmen der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung hat sich beispielsweise die Österreichische Bundesregierung das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 die Treibhausgasemissionen um 36 % gegenüber 2005 zu reduzieren. Ferner soll bis 2030 der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bei 45% bis 50% liegen. Außerdem soll 2030 der gesamte Stromverbrauch in Österreich aus erneuerbaren Energiequellen stammen.
Durch den Ausbau von emeuerbarer Energie kommt es naturgemäß zu höheren Schwankungen in den Stromnetzen. Die fluktuierende Stromeinspeisung bringt zunehmende Herausforderungen mit sich. Dabei steigen unter anderem die Anforderungen an die Strommärkte, die Stromerzeuger und die Stromnetzbetreiber.
Der Bedarf an sogenannter Regelenergie, welche als Reserve Stromschwankungen im Stromnetz ausgleicht und derart einen Zusammenbruch des Stromnetzes verhindert, nimmt somit erheblich zu. Regelenergie greift beispielsweise dann ein, wenn der Stromverbrauch überraschend ansteigt, ein konventionelles Kraftwerk ausfällt oder ein plötzlich einsetzender Wetterumschwung die prognostizierte Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen deutlich beeinflusst. Regelenergie gleicht Schwankungen im Stromnetz innerhalb von Sekunden ("Primärreserve"), fünf Minuten ("Sekundärreserve") oder Viertelstunden ("Minutenreserve") aus. Regelenergie kann dabei nicht nur von Stromproduzenten, sondern auch von Stromverbrauchern und Stromspeichern erbracht werden (zur genaueren Definition von Regelenergie siehe weiter unten). Da der Strom mittels erneuerbarer Energien zudem häufig in großer Entfernung von den Stromabnehmern erzeugt wird, beispielsweise mittels Offshore -Windparks, steigt der räumliche Ausgleichsbedarf. Die Bedeutung von Anlagen und Technologien zur Stromspeicherung nimmt daher deutlich zu, insbesondere ist davon auszugehen, dass künftig ein sehr hoher Speicherbedarf besteht. Stromspeicher gelten mitunter bereits als „Schlüsseltechnologie“ für eine erfolgreiche Energiewende.
Zur Speicherung von elektrischer Energie stehen aktuell im Wesentlichen vier Speichertypen zur Verfügung. Zu diesen gehören mechanische Speicher (z. B. Pumpspeicherkraftwerke), elektrochemische Speicher (z. B. Batterien), elektrische Speicher (z. B. Kondensatoren) und chemische Speicher (z. B. mittels Elektrolyse erzeugter und in Brennstoffzellen umgesetzter Wasserstoff oder mittels einer Power-to-Gas-Anlage erzeugtes Gas). Die Speicherung elektrischer Energie ist bekannter Weise immer mit Umwandlungsverlusten verbunden. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Energiespeichem ist daher zurzeit nur bedingt möglich. Dies gelingt am ehesten dann, wenn die Energiespeicher in der Lage sind, auch andere Systemdienstleistungen (z. B. Frequenzhaltung durch Regel und Reserveleistung) anzubieten. Zudem ist der Einsatz der exemplarisch genannten Speicher mit an sich bekannten Nachteilen verbunden.
Bei Pumpspeicherkraftwerken kommt es zu einer Reihe von weitreichenden Auswirkungen auf die lokale und regionale Umwelt, sowohl durch die Errichtung als auch den Betrieb.
Die lokale Flora und Fauna werden durch Flächeninanspruchnahme bei der Errichtung von Speicherbecken und den notwendigen technischen Konstruktionen (Gebäude, Rohrleitungen, Netzanschluss usw.) deutlich beeinträchtigt. Dies führt unweigerlich zu unerwünschten Biotopverlust und weiteren Verdrängungsprozessen. Aus geologischen Gründen kann zudem nur eine beschränkte Anzahl an Pumpspeicherkraftwerken errichtet werden. Aus der Studie EU ESTORAGE 2015 - „A new era of smart energy management“ geht hervor, dass in Westeuropa noch Pumpspeicherkraftwerke mit einer Kapazität von voraussichtlich 2,6 TWh errichtet werden können. Bei Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der möglichen Anzahl an Ladezyklen zunehmend Lithium- Ionen-Batterien verwendet, welche neben Lithium noch weitere Rohstoffe, wie Nickel, Kobalt und Mangan enthalten können. In anderen Batterievarianten werden Aluminium, Graphit oder Silizium eingesetzt. Zudem ist aktuell Kupfer für die Verkabelung der Batterien erforderlich. Der Abbau der genannten Rohstoffe ist bekannter Weise problematisch. Lithium wird beispielsweise aus Salzseen gewonnen. In Südamerika ist es dabei üblich, die Salzlauge (Sole, Hauptbestandteil ist Wasser) aus der Erde zu pumpen und das Wasser zu verdunsten. Dieser Vorgang kann zur Senkung des Grundwasserspiegels führen. Dürre und dergleichen können die Lolgen sein. Am Ende der Lebensdauer der Batterien ist es zudem von entscheidender Bedeutung, ob die Batterien wiederverwertet werden können oder entsorgt werden müssen. Eine nicht sachgerechte Entsorgung von Batterien birgt jedenfalls beträchtliche Umweltrisiken (z. B. Brandgefahr, Grundwas serverunreinigung durch auslaufende Elektrolyte). Lemer sind bei Batterien aktuell die Investitionskosten im Vergleich zur Lebensdauer relativ hoch, sodass diese zukünftig nur dann volkswirtschaftlich sinnvolle Energiespeicher sein werden, wenn sich die Produktionskosten verringern und die Lebensdauer verlängert.
Bei Power-to-Gas-Anlagen wird mittels Strom Wasserstoff erzeugt, welcher mit Kohlenstoffdioxid unter Beteiligung eines Katalysators zu einem Gas umgesetzt wird (Methanisierung). Dieses Gas wird üblicherweise nicht direkt rückverstromt, sondern für andere Einsatzzwecke verwendet. Beispielsweise wird das Gas in ein Gasnetz eingespeist oder als Treibstoff verwendet. Aktuell ist ein wirtschaftlicher Betrieb von Power-to-Gas- Anlagen nur bei einer sehr hohen Anlagenauslastung möglich.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es einige Möglichkeiten der Energiespeicherung gibt. Diese sind häufig nicht wirtschaftlich betreibbar und/oder sind mit deutlichen, negativen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden.
Eines der größten Probleme liegt dabei darin, dass bei sämtlichen der bekannten Energiespeicher deutliche Energieverluste auftreten. Die aus den Energiespeichern „entnehmbare“ Energiemenge ist immer kleiner als die in sie „hineingesteckte“ Energiemenge. Im Hinblick auf ihre Energiebilanz sind sie daher nicht betragsgleich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im Hinblick auf seine Energiebilanz deutlich günstigeres und vorteilhafteres Konzept eines Energiemanagements bereitzu stellen.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Energiemanagement unter Beteiligung von
- zumindest einem Stromnetz,
- zumindest einem elektrische Energie verbrauchenden Prozess zur Herstellung zumindest eines Produktes und
- zumindest einem elektrische Energie erzeugenden Prozess,
- wobei das Verfahren in Abhängigkeit des Regelenergiebedarfes in einem der folgenden Betriebszustände betrieben wird: a) bei keinem Regelenergiebedarf in einem Normalbetrieb, bei welchem der elektrische Energie verbrauchende Prozess mit der Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses zumindest ein Produkt hergestellt, b) bei Bedarf an negativer Regelenergie in einem Speicherbetrieb, bei welchem aus dem Stromnetz zusätzliche elektrische Energie in den elektrische Energie verbrauchenden Prozesse eingespeist und derart gegenüber dem Normalbetrieb ein Überschuss an Produkt hergestellt und dieser gespeichert wird und c) bei Bedarf an positiver Regelenergie in einem Abgabebetrieb, bei welchem der energieverbrauchende Prozess stillgelegt oder gedrosselt und die elektrische Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses ins Stromnetz eingespeist wird.
Ferner wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein System zum Energiemanagement gelöst, welches folgendes umfasst:
- zumindest ein Stromnetz,
- zumindest eine erste Systemkomponente zur Erzeugung elektrischer Energie,
- zumindest eine zweite Systemkomponente zur Herstellung zumindest eines Produktes mittels elektrischer Energie von der ersten Systemkomponente,
- zumindest ein Lager zur Speicherung von Produktüberschuss und - eine elektronische Regelung, welche bei negativer Regelenergie aus dem Stromnetz elektrische Energie in die zweite Systemkomponente einspeist und bei positiver Regelenergie die Zuführung von elektrischer Energie aus der ersten Systemkomponente in die zweite Systemkomponente drosselt oder abstellt und die in der ersten Systemkomponente erzeugte elektrische Energie zumindest zum Teil ins Stromnetz einspeist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System verzichten somit komplett auf Energiespeicher im herkömmlichen Sinn. Es werden nämlich zumindest ein elektrische Energie verbrauchender Prozess zur Herstellung zumindest eines Produktes (bzw. die entsprechende Systemkomponente), zumindest ein elektrische Energie erzeugender Prozess (bzw. die entsprechende Systemkomponente) und ein Stromnetz in Abhängigkeit des Regelenergiebedarfs auf spezielle Weise miteinander ge- bzw. entkoppelt. Beim Verfahren wird negative Regelenergie dafür eingesetzt, die Produktivität (Leistung) eines ein Produkt oder mehrere Produkte erzeugenden Prozesses zu erhöhen (Produkt(e)-Überschuss). Ein solcher Prozess zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass er leicht automatisierbar, rasch ein- bzw. ausschaltbar sowie zeitunkritisch in seiner Durchführung ist, daher zu einem beliebigen Zeitpunkt durchführbar ist. Auf die Speicherung elektrischer Energie wird komplett verzichtet, Produkte werden gespeichert. Bei Bedarf an positiver Regelenergie wird die elektrische Energie des elektrische Energie erzeugender Prozesses ins Stromnetz eingespeist. Das erfindungsgemäße System nimmt Energie auf und stellt Energie zur Verfügung, sodass es sich nach außen wie ein Energiespeicher verhält, ohne ein Energiespeicher zu sein oder einen aufzuweisen. Dadurch arbeiten das System und das Verfahren - im Gegensatz zu aktuell bekannten Energiespeichern - zumindest im Wesentlichen betragsgleich (keine
Umwandlungsverluste). Unter der Voraussetzung, dass für die Lagerung der Produkte keine Energie erforderlich ist, beispielsweise durch Kühlen oder Rühren, arbeitet das Verfahren sogar betragsgleich. Ferner lässt sich eine höhere „Pseudo-Energiespeicherdichte“ als mit herkömmlichen Energiespeichern erzielen (genauere Erläuterung siehe Punkt 4). Das Ausmaß, in welchem die „Pseudo-Energiespeicherung“, also die Produktspeicherung, erfolgen kann, ist dabei lediglich von der Größe des Lagers oder der Lager abhängig, welches bzw. welche das zumindest eine in Schritt b) erhaltene Produkt aufnimmt, also speichert. Die Produkte eigenen sich im Allgemeinen für eine Langzeitspeicherung, sodass sich auch saisonale Nachfrageschwankungen nach elektrischer Energie ideal ausgleichen lassen. Beispielsweise kann die in den Sommermonaten vorherrschende stärkere Sonnenstrahlung genutzt werden, um einen Produkt(e)überschuss anzulegen. In den im Hinblick auf die Sonnenstrahlung ertragsschwächeren Wintermonaten wird dann Energie zur Verfügung gestellt. Günstiger Weise lässt sich der zumindest eine elektrische Energie verbrauchende Prozess zur Herstellung zumindest eines Produktes im Normalbetrieb wirtschaftlich betreiben. Bei herkömmlichen Speicherkraftwerken, etwa einem Pumpspeicherkraftwerk, gibt es in diesem Sinne keinen „Normalbetrieb“.
Nachfolgend wird zunächst auf bevorzugte Ausführungen des Verfahrens und anschließend wird auf bevorzugte Ausführungen des Systems näher eingegangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist das Produkt bzw. sind die Produkte, welches bzw. welche mit dem elektrische Energie verbrauchenden Prozess hergestellt wird bzw. werden, flüssig oder gasförmig. Flüssige und gasförmige Produkte lassen sich logistisch einfach handhaben, sodass sich die diesbezüglich relevanten Verfahrensschritte auf zuverlässige und einfache Weise automatisiert durchführen lassen. Insbesondere können die Produkte - im Vergleich zu festen Produkten -platzsparend gelagert und einfach unter Verwendung von Pumpen, Rohren, Ventilen und dergleichen transportiert bzw. weitergeleitet werden.
Bevorzugt ist es, wenn mit dem elektrische Energie verbrauchenden Prozess ein Produkt bzw. Produkte hergestellt wird bzw. werden, welches bzw. welche ohne weiteren Energieaufwand, wie beispielsweise Kühlung, auf stabile Weise lagerbar ist bzw. sind. In diesem Fall arbeitet das Verfahren vorteilhafterweise betragsgleich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist der elektrische Energie verbrauchende Prozess ein Elektrolyseverfahren, insbesondere ein elektrochemisches Membranverfahren, eine Metallgewinnungselektrolyse, eine elektrochemische Reinigung von Metallen, ein unter den Begriff der Galvanotechnik fallendes Verfahren, eine organische Elektrosynthese oder eine Wasserelektrolyse. Elektrolyseverfahren sind sehr energieintensiv, sie ermöglichen daher ausgesprochen hohe Pseudo-Energiespeicherdichten (siehe Punkt 4.2.2, Endergebnis 3). Ferner zeichnen sie sich durch kurze Anlaufzeiten aus, sodass bei Bedarf an negativer Regelenergie der Speicherbetrieb besonders schnell aufgenommen werden kann. Außerdem lassen sich Elektrolyseverfahren schnell stilllegen oder drosseln.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der elektrische Energie verbrauchende Prozess eine Verdampfung, insbesondere eine Verdampfung von Wasser aus Wasser enthaltenden Ausgangmaterialien. Das Verdampfen von Wasser ist ebenfalls ein energieintensiver Prozess. Das beim Verdampfen zurückbleibende Konzentrat weist daher eine hohe Pseudo-Energiespeicherdichte auf (siehe Punkt 4.2.1, Endergebnis 2) und ist im Allgemeinen lagerstabil. Es lässt sich daher bei Umgebungstemperatur ohne weiteren Energieeinsatz lagern, sodass das Verfahren betragsgleich arbeitet und die Lagerkosten gering sind. Die Verdampfung kann bei Bedarf an positiver Regelenergie schnell heruntergefahren oder gedrosselt sowie bei Bedarf an negativer Regelenergie schnell in Gang gebracht werden.
Insbesondere im Hinblick auf die Prozesslogistik ist es günstig, wenn mittels des elektrische Energie verbrauchenden Prozesses zumindest ein Produkt hergesteht wird, welches zumindest teilweise als Ausgangsmaterial für den elektrische Energie erzeugenden Prozess eingesetzt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung wird für den elektrische Energie verbrauchenden Prozess zumindest ein wasserhaltiges, biologisches Ausgangsmaterial, insbesondere ein biogener Rohstoff oder ein biogener Reststoff, eingesetzt. Solche Ausgangsstoffe sind häufig preiswert in der Beschaffung und Lagerung und meistens in großen Mengen vorhanden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn als biogener Reststoff organische Abfälle bzw. Abwässer, ferner der bei einer mechanisch-biologischen Abfallbehandlung anfallende biogene Anteil, land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte, biogene Produktionsreste, Gülle, Gärreste aus einer Biogasanlage, Klärschlamm, Schlachtabfälle, Tiermehl, Waldrestholz, Reste aus der forst- und holzindustriellen Produktion, Landschaftspflegematerial, Abfälle aus Gärten, Parks und Friedhöfen, Bioabfällen, Exkremente aus der Tierhaltung und/oder Straßenbegleitgrün eingesetzt wird bzw. werden. Die genannten biogenen Reststoffe sind preiswert erhältlich, wobei manche, beispielsweise Klärschlamm, mitunter sogar einen negativen Einstandspreis aufweisen. Diese Reststoffe lassen sich auch gut lagern, beispielsweise in Stapelbecken.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens sind mehrere elektrische Energie verbrauchende Prozesse, insbesondere zumindest eine Verdampfung und zumindest ein Elektrolyseverfahren, vorzugsweise ein elektrochemisches Membranverfahren, beteiligt. Durch den Einsatz einer Vielzahl solcher Prozesse lässt sich ein virtuelles Kraftwerk bilden.
Das am Verfahren beteiligte Stromnetz ist vorzugsweise ein Verbundnetz.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der elektrische Energie verbrauchende Prozess im Normalbetrieb kontinuierlich abläuft. Ein solcher Prozess passt sich schnell an den jeweiligen Regelenergiebedarf an.
Bei einer besonders günstigen Variante des Verfahrens umfassen die elektrische Energie verbrauchenden Prozesse folgende nacheinander ablaufende Schritte: i. Vermischen eines organische Verbindungen und Wasser enthaltenden, biologischen Ausgangsmaterials mit einem alkalischen, in Wasser gelöstem Hydrolysemittel zur Bildung eines hydolysierten Mediums, ii. Erhitzen und Eindampfen des hydolysierten Mediums zur Bildung eines Brüdens und eines Konzentrates, iii. a) im Normalbetrieb: Einsatz des Konzentrates zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses, b) im Speicherbetrieb: Einsatz einer Teilmenge des Konzentrates zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses sowie Speicherung des weiteren Konzentrates, c) im Abgabebetrieb: Einsatz des im Speicherbetreib gespeicherten Konzentrates zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses.
Bei dieser Variante ist es vorteilhaft, wenn das in Schritt i. eingesetzte Hydrolysemittel zumindest eines aus der Gruppe Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat, Lithiumhydrogencarbonat, Kaliumhydroxid, Kaliumcarbonat, Kaliumphosphat, Kaliumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat oder Dikaliumhydrogenphosphat ist. Diese Hydrolysemittel lassen sich vorteilhafter Weise mittels Elektrolyseverfahren zurückgewinnen.
Ferner ist es bei dieser Variante günstig, wenn der in Schritt ii. anfallende Brüden kondensiert und unter Zusatz zumindest eines sauren Prozesshilfsstoffes in zumindest einer Elektrolysezelle zu einer Ammoniak-Lösung umgesetzt wird. Die Ammoniak-Lösung stellt eine besonders werthaltige chemische Verbindung dar.
Darüber hinaus ist es bei dieser Variante günstig, wenn in Schritt iii. das Konzentrat zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Reaktor auf bis zu 700°C erhitzt und die entstehenden Gase in einem Blockheizkraftwerk umgesetzt werden.
Außerdem ist es bei dieser Variante günstig, wenn der in Schritt iii. im Reaktor zurückbleibende Rückstand zur Bildung eines Eluates mit Wasser vermischt wird, wobei aus zumindest einem Teil des Eluates in einer Elektrolysezelle ein für Schritt i. geeignetes Hydrolysemittel gebildet wird.
Bei einer weiteren besonders günstigen Variante des Verfahrens umfassen die elektrische Energie verbrauchenden Prozesse folgende nacheinander ablaufende Schritte:
I. Eindampfen eines organische Verbindungen und Wasser enthaltenden, biologischen Ausgangsmaterials unter Bildung eines Brüdens und eines Konzentrates,
II. a) im Normalbetrieb: Umsetzen des Konzentrates in einer Biogasanlage, wobei ein Gärrest gebildet und dieser aus der Biogasanlage ausgetragen wird, b) im Speicherbetrieb: Einspeisen von elektrischer Energie in Schritt I, sodass ein Überschuss an Konzentrat gebildet wird, welcher nachfolgend in der Biogasanlage gespeichert wird, c) im Abgabebetrieb: Bildung von Biogas aus dem im Speicherbetrieb gespeicherten Konzentrat und Erzeugung elektrischer Energie aus dem Biogas.
Die Vorteile dieser Variante sind ausführlich unter Punkt 2 (siehe unten) dargelegt. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die Biogasanlage gleichzeitig als „interner Speicher“ eingesetzt wird. Auf einen „externen Produktspeicher“ kann daher verzichtet werden.
Weitere bevorzugte Ausführungen betreffen das erfindungsgemäße System.
Bevorzugter Weise umfasst das System eine Vielzahl von ersten Systemkomponenten und/oder eine Vielzahl von zweiten Systemkomponenten. Es können dementsprechend große Mengen elektrischer Energie aus dem Stromnetz aufgenommen bzw. in dieses eingespeist werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn eine erste Systemkomponente ein Blockheizkraftwerk ist. Ein Blockheizkraftwerk wird vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben, es kann auch Nutzwärme in ein Nahwärmenetz einspeisen und nutzt vorteilhafterweise das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.
Außerdem ist es bevorzugt, wenn eine oder mehrere zweite Systemkomponente(n) vorgesehen ist bzw. sind, welche ein Verdampfer, eine Elektrolysezelle und/oder eine Biogasanlage ist bzw. sind. Auf die Vorteile dieser Systemkomponenten wurde bereits im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungen des Verfahrens hingewiesen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 schematisch und exemplarisch Regelenergieflüsse innerhalb eines österreichischen Bundeslandes, Fig. 2 ein Blockfließbild eines Systems S1 zum Energiemanagement im Normalbetrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2a und 2b Diagramme zur weiteren Erläuterung des Systems Sl,
Fig. 3 ein Blockfließbild des Systems Sl im Speicherbetrieb,
Fig. 4 ein Blockfließbild des Systems Sl im Abgabebetrieb,
Fig. 5 ein Blockfließbild eines Systems S2 zum Energiemanagement im Normalbetrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 ein Blockfließbild des Systems S2 im Speicherbetrieb und
Fig. 7 ein Blockfließbild des Systems S2 im Abgabebetrieb.
Die Erfindung befasst sich mit einem System und einem Verfahren zum Energiemanagement. Das System umfasst zumindest eine Systemkomponente zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Systemkomponente zur Herstellung zumindest eines Produktes mittels elektrischer Energie, zumindest ein Stromnetz, insbesondere ein Verbundnetz (elektrisch verbundene Stromnetze), und eine das Verfahren betreibende bzw. umsetzende elektronische Regelung. Am Verfahren sind zumindest ein elektrische Energie erzeugender Prozess, zumindest ein elektrische Energie verbrauchender, zumindest ein Produkt erzeugender Prozess und ein Stromnetz, insbesondere ein Verbundnetz, beteiligt.
Zunächst werden in der Beschreibung verwendete, an sich bekannte Definitionen kurz wiedergegeben.
Regelenergie (Regelleistung, Reserveleistung): Regelenergie bezeichnet Energie, die ein Stromnetzbetreiber benötigt, um unvorhergesehene Leistungsschwankungen im Stromnetz (Schwankungen der Stromfrequenz), auszugleichen. Abweichungen zwischen Stromerzeugung und Stromentnahme werden daher durch den Einsatz von Regelenergie ausgeglichen, damit die Stabilität des Stromnetzes nicht gefährdet wird. Bei Regelenergieeinsatz wird daher elektrische Energie dem Stromnetz entnommen oder in dieses eingespeist. Regelenergie kann dabei beispielsweise von Stromproduzenten, Stromverbrauchern und Stromspeichern erbracht werden.
Negative Regelenergie
Wenn die ins Stromnetz eingespeist elektrische Energie die zum selben Zeitpunkt aus dem Stromnetz entnommene elektrische Energie übersteigt, das Angebot elektrischer Energie also größer ist als die Nachfrage, liegt ein Leistungsüberschuss im Stromnetz vor. Der Stromnetzbetreiber „benötigt negative Regelenergie“ durch Stromabnehmer, die dem Stromnetz elektrische Energie über einen gewissen Zeitraum entziehen.
Positive Regelenergie
Zum Ausgleich erhöhter Nachfrage nach elektrischer Energie bei nicht ausreichendem Angebot an elektrischer Energie, benötigt der Stromnetzbetreiber positive Regelenergie. Es ist die Einspeisung zusätzlicher elektrischer Energie ins Stromnetz über einen gewissen Zeitraum erforderlich.
Die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erfolgten Erläuterungen sind als rein exemplarisch zu verstehen. Fig. 1 zeigt eine Ansicht des österreichischen Bundeslandes Steiermark. Ein Stromnetzbetreiber sowie eine Anzahl von Stromabnehmern und/oder Stromerzeugern sind angedeutet. Eine Vielzahl von Linien versinnbildlicht ein Stromnetz, über welches zum Ausgleich von Schwankungen der Stromfrequenz bei Bedarf negative und positive Regelenergie fließt. Der Fluss negativer Regelenergie ist durch ein der Fluss positiver Regelenergie ist durch ein „+“ gekennzeichnet. Beispielsweise kann die mittels einer Biogasanlage erzeugte elektrische Energie zum Ausgleich erhöhter Nachfrage ins Stromnetz eingespeist werden (positive Regelenergie). Exemplarisch liefert der Stromnetzbetreiber einen über dem aktuellen Bedarf liegenden temporären Stromüberschuss (negative Regelenergie) an eine Power-to-Gas-Anlage und an eine industrielle Abwasserreinigung.
In Fig. 1 sind exemplarisch fünf Systeme S1 bis S5 angedeutet. Zwischen dem Stromnetzbetreiber und den Systemen S1 bis S5 verlaufende, mit „±“ gekennzeichnete Linien versinnbildlichen die Möglichkeit, jedem der Systeme S1 bis S5 einen im Stromnetz vorliegenden temporären Stromüberschuss zuzuleiten (negative Regelenergie) sowie die Möglichkeit, mit jedem dieser Systeme S1 bis S5 bei nicht ausreichendem Angebot an elektrischer Energie diese zur Einspeisung ins Stromnetz bereitzu stellen (positive Regelenergie).
Bei den Ausführungsbeispielen werden mittels der energieverbrauchenden Prozesse werthaltige chemische Verbindungen aus in Abfall enthaltenen organischen und anorganischen Verbindungen gewonnen. Unter einer werthaltigen chemischen Verbindung wird dabei eine solche verstanden, welche beispielsweise in der Industrie Einsatz findet und sich daher zum Verkauf eignet. Teile der Systeme S1 bis S5 können insbesondere der in der Patentanmeldung AT 520454 A2 offenbarten Vorrichtung in entsprechend angepasster Weise entsprechen. Ein ebenfalls geeignetes System stellt die Vorrichtung aus der noch nicht veröffentlichten österreichischen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen A50630/2018 dar. Die gegenständlich eingesetzten Elektrolysezellen sind insbesondere wie in der AT 520454 A2 bzw. der A50630/2018 beschrieben ausgeführt.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 bis Fig. 7 zunächst das System Sl, inklusive des zugehörigen Verfahrens, und im Anschluss das System S2, ebenfalls inklusive des zugehörigen Verfahrens, erläutert. Stoffflüsse sind durch durchgehende Linien, der Fluss elektrischer Energie ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Mengenangaben zu den Stoffflüssen in Fig. 2 bis Fig. 4 sind als rein exemplarisch zu verstehen.
1. Beschreibung des Systems Sl (Fig. 2 bis Fig. 4, inklusive Fig. 2a und Fig. 2b)
Ein für den energieverbrauchenden Prozess des Systems S 1 in Frage kommender Abfall ist beispielsweise Gülle. Gülle besteht Großteils aus Wasser und im Wasser gelösten oder suspendierten anorganischen und organischen Verbindungen. Zu den im Wasser enthaltenen anorganischen Verbindungen zählen insbesondere Kaliumsalze, Amine, Ammonium, Amide, wie etwa Harnstoff, Nitrate, Nitrite sowie Phosphate. Zu den im Wasser enthaltenen organischen Verbindungen gehören insbesondere Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate und Lignine. Wie noch genauer erläutert wird, können aus diesen organischen und anorganischen Verbindungen werthaltige chemische Verbindungen gewonnen werden. Ferner kann aus den organischen und anorganischen Verbindungen auch elektrische Energie zur Herstellung der werthaltigen chemischen Verbindungen gewonnen werden, wie ebenfalls noch beschrieben wird.
Tabelle 1 zeigt Beispiele für die in Gülle befindlichen, üblicherweise als Nährstoffe bezeichneten Verbindungen.
Tabelle 1: Zusammensetzung von Gülle
Typische Gülle weist einen Trockensubstanz-Gehalt (=Bestandteil einer Substanz, welcher nach Abzug der Masse des enthaltenen Wassers übrigbleibt) von etwa 3% bis 10% auf.
1.1 System S1 - Normalbetrieb
Wie Fig. 2 zeigt, wird im Normalbetrieb des Systems S1 Gülle aus einem Güllelager 1 einem Mischer 2 zugeführt. In den Mischer 2 wird ferner eine aus einem Kalilaugenlager 3 stammende Kalilauge (wässrige Kaliumhydroxid- Lösung, „KOH“) sowie vorzugsweise zusätzlich ein aus einem Eluatlager 10 stammendes, Kalium(hydrogen)carbonat(e) und Kaliumphosphat(e) enthaltendes Eluat zugeleitet, wobei das Eluat und die Kalilauge bevorzugter Weise vor dem Eintritt in den Mischer 2 vermischt werden. Die Bildung (Entstehung) der Kalilauge und des Eluates werden später noch genauer erläutert. Die zugeleitete Kalilauge bzw. das zugeleitete Gemisch aus Kalilauge und Eluat weist einen pH-Wert von vorzugsweise mindestens 12,0 auf. Die Gülle wird mit der zugeleiteten Kalilauge bzw. dem zugeleiteten Gemisch im Mischer 2 vermischt, wodurch ein flüssiges und zumindest weitgehend homogenes Medium gebildet wird.
Das gebildete Medium wird aus dem Mischer 2 in einen Verdampfer 4 weitergeleitet, welcher insbesondere auf dem Prinzip eines Verdampfers mit Heizmantel und mechanischem Brüdenverdichter beruht. Im Verdampfer 4 wird das Medium auf 70°C bis 140°C erwärmt, wodurch sämtliche im Medium vorhandene organische Verbindungen alkalisch hydrolysiert, die Moleküle der organischen Verbindungen also abgebaut (gespalten), werden. Bedingt durch den Einsatz von Kalilauge bilden sich zumindest aus dem Großteil der aus der Gülle stammenden organischen Verbindungen organische Kaliumsalze (weisen bekannter Weise zumindest ein Anion einer organischen Säure, d.h. eine Carboxylatgruppe R-COO-, auf) und aus den vorhandenen Phosphaten Kaliumphosphat(e), wobei die organischen Kaliumsalze und das bzw. die Kaliumphosphat (e) in Lösung gehen, sich im Medium also auflösen.
Während der Hydrolyse bildet sich im Verdampfer 4 ein Brüden. Dieser besteht aus Wasserdampf und gasförmigen Stickstoffverbindungen (Ammoniak, Amine) und wird aus dem Verdampfer 4 in ein Kondensatlager 5 geleitet, in welchem er kondensiert und bei Bedarf zwischengespeichert werden kann. Das aus dem Brüden gebildete Kondensat wird unter Zuleitung von Phosphorsäure (H3PO4) in zumindest eine Elektrolysezelle 6 geleitet, in welcher Phosphors äure (H3PO4) erzeugt wurde und fortlaufend erzeugt wird. Aus den im Kondensat enthaltenen Stickstoffverbindungen bilden sich Ammoniumphosphate, welche zumindest Großteiles unter Bildung von Ammonium (NH4+) und Phosphat-Ionen dissoziieren. Durch das Zuleiten der Phosphorsäure wird das Kondensat ferner angesäuert, wodurch das im Kondensat vorliegende Dissoziationsgleichgewicht zwischen Ammoniak und Ammonium (NH3 + H3q+ NH4+ + H2O) in Richtung Ammonium (NH4+) verschoben wird. Ammonium ist im Gegensatz zu Ammoniak nämlich einer elektrochemischen Reaktion zugänglich. In der Elektrolysezelle 6 werden nachfolgend die Phosphorsäure (H3PO4), eine wässrige Ammoniaklösung (NH3 - H2O) und Wasserstoff gewonnen. Die Ammoniaklösung, der Wasserstoff sowie ein etwaiger vorhandener Überschuss an Phosphorsäure werden aus der Elektrolysezelle 6 abgeleitet, sie gehören zu den werthaltigen chemischen Verbindungen.
Das im Verdampfer 4 gebildete, in diesem zurückbleibende, flüssige „hydrolysierte“ Medium enthält die bereits erwähnten, in diesem gelösten organischen Kaliumsalze und Kaliumphosphat(e). Das hydrolysierte Medium wird aus dem Verdampfer 4 abgeleitet und, wie noch erläutert wird, weiter aufbereitet. Zunächst wird jedoch der Effekt der Hydrolyse auf die Pumpfähigkeit des Mediums anhand von Fig. 2a erläutert.
Fig. 2a zeigt ein exemplarisches, nicht maßstäbliches Diagramm, bei welchem auf der Abszisse der Gehalt an organischer Trockensubstanz in % (oTS-Gehalt) und auf der Ordinate die Viskosität ohne Dimensionsangabe und Skalierung aufgetragen sind. Die Viskosität nimmt gemäß dem nach oben zeigenden Pfeil zu. Die organische Trockensubstanz (oTS), auch Trockenmasse genannt, ist bekannter Weise der Anteil der organischen Bestandteile (organischen Verbindungen) eines Stoffes (hier des Mediums) nach vollständigem Entzug von Wasser und vollständigem Entzug von sämtlichen mineralischen Bestandteilen. Die gestrichelte Linie zeigt die Viskosität für die ursprüngliche Gülle aus dem Güllelager 1 in Abhängigkeit ihres oTS-Gehaltes (in Fig. 2a: „Gülle unbehandelt“). Die durchgehende Linie zeigt die Viskosität des hydrolysierten Mediums in Abhängigkeit seines oTS-Gehaltes (in Fig. 2a: „Gülle hydrolysiert“). Ferner verdeutlicht eine waagrechte, mit bezeichnet Linie jene Viskosität, bis zu welcher die Gülle bzw. das Medium mit üblichen Mitteln pumpbar ist. Übersteigt die Viskosität der Gülle bzw. des hydrolysierten Mediums den durch die Linie angedeuteten Viskositätswert, ist die Gülle bzw. das hydrolysierte Medium im Wesentlichen nicht mehr pumpbar. Die Temperatur der Gülle bzw. des hydolysierten Mediums betrage exemplarisch je 100°C (in Fig. 2a: T = 100°C). Es ist zu erkennen, dass die ursprüngliche, unbehandelte Gülle ab einem oTS-Gehalt im Bereich zwischen 15% und 20% bereits derart viskos ist, dass diese nicht mehr pumpbar ist. Im Gegensatz dazu, ist das hydrolysierte Medium aus dem Verdampfer 4 bis zu einem oTS -Gehalt von fast 80% pumpbar.
Der Hydrolysevorgang ermöglicht es daher, ein pumpbares Medium mit einem - gegenüber dem Ausgangsprodukt (der ursprünglichen Gülle) - deutlich höheren oTS-Gehalt zu erhalten. Aufgrund seines deutlich höheren oTS -Gehaltes wird das hydrolysierte Medium daher nachfolgend als „Konzentrat“ bezeichnet.
Gemäß Fig. 2 wird das im Verdampfer 4 gebildete Konzentrat in einen Reaktor 7 weitergeleitet, in welchem das Konzentrat auf bis zu 700°C, insbesondere auf bis zu 400°C, erhitzt wird, wodurch die im Konzentrat enthaltenen organischen Verbindungen thermisch zersetzt und Gase gebildet werden. Die Gase werden in ein Blockheizkraftwerk 8 geleitet, in welchem in bekannter Weise aus den Gasen elektrische Energie und Wärme erzeugt wird. Mit dieser elektrischen Energie werden der erwähnte Verdampfer 4, die zumindest eine Elektrolysezelle 6 und zumindest eine Elektrolysezelle 9 betrieben.
Fig. 2b zeigt ein weiteres exemplarisches Diagramm, welches weitere Vorteile der zuvor durchgeführten Hydrolyse verdeutlicht. Auf der Abszisse ist die Temperatur im Reaktor 7 in °C und auf der Ordinate ist die beim Erhitzen im Reaktor 7 relativ abgebaute Menge an organischer Trockensubstanz aufgetragen. Die durchgehende Linie zeigt die relativ abgebaute Menge an organischer Trockensubstanz für das in den Reaktor 7 eingebrachte Konzentrat (in Fig. 2b „Gülle behandelt“) in Abhängigkeit von der Temperatur im Reaktor 7. Die gestrichelte Linie zeigt die relativ abgebaute Menge an organischer Trockensubstanz für in den Reaktor 7 eingebrachte ursprüngliche, unbehandelte Gülle (in Fig. 2b „Gülle unbehandelt“), was beim gegenständlichen Prozess jedoch nicht vorgesehen ist und nur zum Vergleich und zur Erläuterung dient. Es ist zu erkennen, dass im Temperaturbereich von 200°C bis 400°C die im Reaktor 7 relativ abgebaute Menge an organischer Trockensubstanz bei Verwendung des Konzentrates deutlich höher ist als bei der Verwendung von unbehandelter Gülle. Wird unbehandelte Gülle im Reaktor 7 beispielsweise auf 400°C erhitzt, sind lediglich 40% der organischen Trockensubsatz der Gülle zersetzt worden. Bei Verwendung des Konzentrates (= hydrolysierte und eingedampfte Gülle) wird die in diesem enthaltene organische Trockensubsatz bei einer Temperatur von 400°C zumindest im Wesentlichen vollständig zersetzt (durchgehende Linie in Fig. 2b bei 400°C / 100% relativ abgebaute oTS-Menge). Wie Fig. 2b somit verdeutlicht, ist - im Vergleich zur unbehandelten Gülle - der Einsatz des Konzentrates energetisch deutlich günstiger, da - im Vergleich zur unbehandelten Gülle - bereits bei niedrigeren Temperaturen prozentuell deutlich größere Mengen der jeweils enthaltenen organischen Verbindungen abgebaut werden. Im Reaktor 7 werden daher aus dem Konzentrat - im Vergleich zur unbehandelten Gülle - prozentuell größere Gasmengen gewonnen.
Im Reaktor 7 verbleibt ein fester, insbesondere pulverförmiger Rückstand aus anorganischen Verbindungen, zu welchen schwerlösliche oder unlösliche anorganische Verbindungen („Asche“) sowie, bedingt durch den Einsatz von Kalilauge, wasserlösliche anorganische Kaliumsalze (weisen bekannter Weise ein Anion einer anorganischen Säure auf) gehören. Zur Asche gehören vor allem Oxide und (Bi-)Carbonate diverser Metalle. Zu den wasserlöslichen anorganischen Kaliumsalzen zählen beim Ausführungsbeispiel Kalium(hydrogen)carbonat(e) und Kaliumphosphat(e). Der feste Rückstand wird aus dem Reaktor 7 ausgetragen und mit Wasser vermischt, wodurch ein Eluat gebildet wird. Unter einem Eluat wird bekannter Weise ein Gemisch aus einem Lösungsmittel und in diesen gelösten Substanzen verstanden. Das Lösungsmittel des gegenständlichen Eluates ist also Wasser, in welchem sich die wasserlöslichen anorganischen Kaliumsalze lösen, sodass das Eluat eine Elektrolytlösung ist. Das Eluat wird in ein Eluatlager 10 geleitet, wobei die Asche vorzugsweise vor Erreichen des Eluatlagers 10 auf nicht gezeigte Weise abgetrennt, beispielsweise abfiltriert, wird.
Wie bei den Erläuterungen zum Normalbetrieb des Systems S 1 bereits erwähnt wurde, wird vom Eluatlager 10 vorzugsweise ein Teil des Eluates in den Mischer 2 geleitet, wobei die gegebenenfalls noch nicht abgetrennte Asche abgetrennt wird. Ferner wird vom Eluatlager 10 Eluat in die bereits erwähnte Elektrolysezelle 9 geleitet, wobei die gegebenenfalls noch nicht abgetrennte Asche ebenfalls abgetrennt wird.
Es gelangt somit ein von Asche befreites Eluat in die Elektrolysezelle 9, in welcher aus dem Eluat Kaliumhydroxid in Form von Kalilauge (KOH) und Phosphorsäure (H3PO4) gebildet werden. Die Kalilauge (KOH) und die Phosphorsäure (H3PO4) werden aus der Elektrolysezelle 9 abgeleitet, sie stellen weitere werthaltige chemische Verbindungen dar. Die Kalilauge (KOH) wird dabei in das eingangs bereits erwähnte Kalilaugenlager 3 geleitet, aus welchem jener Anteil an Kalilauge, der nicht für die Hydrolyse der Gülle erforderlich ist, entnommen werden kann. Im Normalbetrieb des Verfahrens laufen die elektrische Energie verbrauchenden, Produkte erzeugenden Prozesse auf kontinuierliche Weise, also zeitlich durchgehend, ab. Die Füllstände im Kalilaugenlager 3, im Kondensatlager 5 und im Eluatlager 10 schwanken in einem gewissen Ausmaß, sind jedoch im Wesentlichen konstant. Exemplarisch wird der Normalbetrieb mit einem Gülleeinsatz von 30 kg OTS / h (Masse organsicher Trockensubstanz pro Stunde) und einem Kalilaugeneinsatz von 6 kg / h durchgeführt. Bei diesen Durchsätzen läuft der Verdampfer 4 und die Elektrolysezelle 9 nicht mit maximaler Leistung, sondern beispielsweise mit 50% der maximalen Leistung. Unter der Leistung wird bekannter Weise die in einer Zeiteinheit erzeugte Menge eines Produktes (hier beispielsweise des Konzentrates) verstanden.
Beim System S 1 ist die Systemkomponente zur Erzeugung elektrischer Energie das Blockheizkraftwerk 8. Der elektrische Energie erzeugende Prozess findet also im Blockheizkraftwerk 8 statt. Es gibt vier Systemkomponenten zur Herstellung von Produkten, nämlich den Verdampfer 4 (erzeugt im Normalbetrieb des Verfahrens das Konzentrat und das Kondensat), den Reaktor 7 (erzeugt im Normalbetrieb des Verfahrens das Eluat und Gase), die Elektrolysezelle 6 (erzeugt im Normalbetrieb des Verfahrens Ammoniak-Lösung und Phosphors äure) und die Elektrolysezelle 9 (erzeugt im Normalbetrieb des Verfahrens Kalilauge und Phosphorsäure). Ammoniak-Lösung, Phosphorsäure und Kalilauge stellen Endprodukte dar. Die Kalilauge ist ferner ein speicherfähiges basisches Prozesshilfsmittel zur Hydrolyse der Gülle. Die in der Elektrolysezelle 6 erzeugte Phosphorsäure stellt ferner ein saures Prozesshilfsmittel dar. Das Konzentrat, das Kondensat und das Eluat sind speicherfähige Zwischenprodukte.
1.2 System S1 - Speicherbetrieb
Gemäß Fig. 3 wird im Speicherbetrieb im Stromnetz vorhandene überschüssige elektrische Energie (der Stromnetzbetreiber benötigt negative Regelenergie) vom Stromnetzbetreiber in das System S 1 eingespeist.
Diese elektrische Energie wird dem Verdampfer 4 und der Elektrolysezelle 9 zugeleitet. Im Vergleich zum Normalbetrieb werden der Gülleeinsatz auf 60 kg OTS / h und die in den Mischer 2 geleitete Menge an Kalilauge auf 12 kg/h verdoppelt. Die in der Elektrolysezelle 9 gebildete Menge an Kalilauge erhöht sich auf 20 kg/h. Die in der Elektrolysezelle 9 pro Stunde gebildete Menge an Phosphorsäure erhöht sich ebenfalls.
Im Vergleich zum Normalbetrieb wird im Verdampfer 4 nun die doppelte Menge an flüssigem Medium durchgesetzt. Von dem im Verdampfer 4 gebildeten Konzentrat werden 30 kg OTS / h in den Reaktor 7 und die weiteren 30 kg OTS /h in ein Konzentratlager 11 geleitet. Aus dem Eluatlager 10 wird mehr Eluat entnommen, als in dieses eingeleitet wird (stammt von den im Reaktor 7 verbleibenden, Rückständen, vermischt mit Wasser), wobei das entnommene Eluat zur Elektrolysezelle 9 und gegebenenfalls zum Mischer 2 geleitet wird. Überschüssige Kalilauge kann aus dem Kalilaugenlager 3 abgeleitet werden. Gegebenenfalls fließt das Eluat im Speicherbetrieb auch ausschließlich in die Elektrolysezelle 9.
Sobald der Stromnetzbetreiber keine negative Regelenergie mehr benötigt, geht das System wieder in den Normalbetrieb (Fig. 2) über.
Beim System S1 werden im Speicherbetrieb somit zwei der vier Systemkomponenten zur Herstellung von Produkten (der Verdampfer 4 und die Elektrolysezelle 9) mit zusätzlicher Energie (negativer Regelenergie) versorgt.
1.3 System S1 - Abgabebetrieb
Fig. 4 zeigt das System S1 im Abgabebetrieb. Der Stromnetzbetreiber benötigt positive Regelenergie.
Der Mischer 2, der Verdampfer 4 und die Elektrolysezellen 6 und 9 werden vorübergehend nicht betrieben. Die im Blockheizkraftwerk 8 gewonnene elektrische Energie wird dem Stromnetzbetreiber zugeleitet. Im Ausführungsbeispiel wird zur Energiegewinnung aus dem Konzentratlager 11 das während des Speicherbetriebes in diesem gesammelte Konzentrat in den Reaktor 7 geleitet, in welchem aus dem Konzentrat Gase erzeugt werden, aus welchen im Blockheizkraftwerk 8 elektrische Energie gewonnen wird. Die elektrische Energie wird dem Stromnetzbetreiber zugeleitet. Der im Reaktor 7 verbleibende Rückstand wird mit Wasser vermischt und ins Eluatlager 10 weitergeleitet.
Beim System S 1 werden im beschrienen Ausführungsbeispiel im Abgabebetrieb sämtliche Systemkomponenten zur Herstellung von Endprodukten stillgelegt (Elektrolysezelle 6 und 9). Die Systemkomponente zur Erzeugung elektrischer Energie (Blockheizkraftwerk 8) liefert die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz. Alternativ kann die Zuführung elektrischer Energie in die Systemkomponenten zur Herstellung von Produkten gedrosselt werden.
2. Beschreibung des Systems S2 (Fig. 5 bis Fig. 7)
2.1 System S2 - Normalbetrieb
Fig. 5 zeigt das System S2 im Normalbetrieb. Wie seitlich durch eine mit „analog System Sl“ beschriftete Klammer angedeutet ist, stellt das System S2 eine Erweiterung bzw. eine besondere Ausgestaltung des Systems Sl dar, wobei das System S2 um einen zweiten Verdampfer 4‘, ein zweites Kondensatlager 5‘, eine zweite Elektrolysezelle 6‘, ein zweites Blockheizkraftwerk 8‘ und eine Biogasanlage 12 erweitert ist. Im Vergleich zum System Sl kann, wie auch im Ausführungsbeispiel gezeigt, vorteilhafter Weise auf das Konzentratlager 11 verzichtet werden.
Gülle wird aus dem Güllelager 1 in den Verdampfer 4 ‘ eingebracht, in welchem die Gülle erhitzt und aus dieser Wasser verdampft wird. Dabei wird die Gülle derart „eingedampft“, dass das im Verdampfer 4‘ zurückbleibende Güllekonzentrat einen Trockensubstanz-Gehalt von vorzugsweise 15% bis 25% aufweist. Der sich beim Eindampfen der Gülle bildende Brüden enthält vor allem Ammoniak und wird in das Kondensatlager 5‘ geleitet und in diesem kondensiert. Aus dem Kondensat werden in der Elektrolysezelle 6‘ Phosphorsäure (H3PO4), eine wässrige Ammoniaklösung (NH3 - H2O) und Wasserstoff gewonnen.
Das im Verdampfer 4‘ zurückbleibende Güllekonzentrat eignet sich - im Gegensatz zur ursprünglichen Gülle - bedingt durch seinen geringeren Wassergehalt und durch seinen geringeren Gehalt an Stickstoffverbindungen - als Ausgangsstoff für die Biogasanlage 12. Durch den geringeren Gehalt an Stickstoffverbindungen wird eine anderenfalls in der Biogasanlage 12 auftretende Stickstoffhemmung der Bakterien vorteilhafterweise vermieden. Zusätzlich lässt sich mit dem Güllekonzentrat - im Vergleich zur ursprünglichen Gülle - eine höhere „Faulraumbelastung“ („Raumbelastung“) erreichen. Die Faulraumbelastung gibt bekannter Weise an, welche Mengen organischer Trockensubstanz der Biogasanlage maximal zugeführt werden können, ohne dass der zugrundeliegende biologische Prozess „umkippt“.
In der Biogasanlage 12 wird das Güllekonzentrat zu einem Biogas umgesetzt, welches in das Blockheizkraftwerk 8‘ geleitet wird. Das Blockheizkraftwerk 8‘ stellt die elektrische Energie für den Verdampfer 4‘ bereit.
Der in der Biogasanlage 12 zurückbleibende Gärrest (= zurückbleibender flüssiger und/oder fester Rückstand) enthält unter anderem wieder Ammoniak und/oder Ammonium, welcher bzw. welches durch den Abbau von Proteinen gebildet wurde. Die weitere Aufbereitung des Gärrestes erfolgt anlog zur bereits beschriebenen Aufbereitung von Gülle im System Sl. Der Gärrest wird also im nächsten Schritt in einen Mischer 2 weitergeleitet und in diesem mit einer Kalilauge und optional mit Eluat vermischt.
Ein Vorteil der Verwendung einer Biogasanlage liegt darin, dass bereits aus einem Teil des in der Gülle enthaltenen Ammoniaks ohne den Einsatz von Kalilauge eine werthaltige chemische Verbindung, nämlich in die aus der Zelle 6‘ ausgetragene, wässrige Ammoniaklösung (NEE - EbO) gewonnen wird. Dies kann - je nach Anwendungsfall - im Hinblick auf die Energiebilanz vorteilhaft sein. Die erforderliche Menge an Kalilauge zur weiteren Aufbereitung des Gärrestes ist - im Vergleich zu direktem Einsatz der Gülle, wie beim System Sl vorgesehen (Fig. 2 bis Fig. 4) - geringer. Das System S2 ist vor allem dann günstig, wenn kontinuierlich größere Mengen an Gülle anfallen.
2.2 System S2 - Speicherbetrieb
Fig. 6 zeigt das System S2 im Speicherbetrieb. Vom Stromnetzbetreiber gelieferte, überschüssige elektrische Energie (negativ Regelenergie) wird dem der Biogasanlage 12 vorgeschalteten Verdampfer 4‘ zugeleitet, sodass im Vergleich zum Normalbetrieb mehr Güllekonzentrat, also ein Überschuss an Güllekonzentrat, gebildet wird. Das Güllekonzentrat wird weiterhin in die Biogasanlage 12 gleitet, welche wie im Normalbetrieb (siehe Punkt 2.1) betrieben wird, sodass ein Überschuss an Güllekonzentrat in der Biogasanlage 12 verbleibt und in dieser derart in der Biogasanlage 12 gespeichert wird. Die Biogasanlage 12 übernimmt daher die Speicherfunktion und dient somit vorübergehend als Lager für das Güllekonzentrat.
2.3 System S2 - Abgabebetrieb
Fig. 7 zeigt das System S2 im Abgabebetrieb. Der der Biogasanlage 12 vorgeschaltete Verdampfer 4 ‘ wird stillgelegt. Das in der Biogasanlage 12 gespeicherte Güllekonzentrat wird zu Gasen umgesetzt, aus welchen im Blockheizkraft 8‘ elektrisch Energie erzeugt wird, die ins Stromnetz eingespeist wird. Der Gärrest wird wie im Normalbetrieb (siehe Punkt 2.1) und im Speicherbetrieb (siehe Punkt 2.2) umgesetzt.
3. Weitere Varianten
3.1 Varianten zu den in den Figuren gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispielen
3.1.1 Biologische Ausgangsmaterialen für den elektrische Energie verbrauchenden, zumindest ein Produkt erzeugenden Prozess
Das biologische Ausgangsmaterial ist insbesondere ein wasserhaltiger biogener Rohstoff oder ein biogener Reststoff (biogener Abfallstoff). Biogene Reststoffe sind dabei insbesondere organische Abfälle/ Abwässer, der bei einer mechanisch-biologischen Abfallbehandlung anfallende biogene Anteil, land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte, biogene Produktionsreste, die bereits erwähnte Gülle, der bereits erwähnten Gärrest, Klärschlamm, Schlachtabfälle, Tiermehl, Waldrestholz, Reste aus der forst- und holzindustriellen Produktion und Landschaftspflegematerial, Abfälle aus Gärten, Parks und Friedhöfen, Bioabfällen, Exkremente aus der Tierhaltung, Straßenbegleitgrün usw.
3.1.2 Varianten des Reaktors 7
Gemäß einer ersten bevorzugten Variante ist der Reaktor 7 ein Festbettreaktor. Das eingetragene Konzentrat wird auf ein im Reaktor befindliches Festbett (feste Schüttung oder Packung) aufgebracht. Nachfolgend wird das Festbett von einem heißen Gas durchströmt. Aus dem Konzentrat bilden sich Gase, welche, wie bereits beschrieben, beispielsweise zu einem Blockheizkraftwerk geleitet werden. Die im Festbettreaktor zurückbleibende, feste, insbesondere pulverförmige, Phase wird beispielsweise über einen Drehrost oder dergleichen ausgetragen.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante ist der Reaktor 7 ein Rührkessel, welcher entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird und in welchem sich ein Wärmeübertragungsmedium befindet, welches beispielsweise als Pulver vorliegen kann oder ein Wärmeträgeröl, insbesondere ein Thermalöl, ist. Das in den Rührkessel eingetragene Konzentrat wird unter Atmosphärendruck auf insbesondere zirka 350°C und/oder unter geringen Überdrücken (ca. lbar) auf vorzugsweise etwa 400°C erhitzt. Die im Rührkessel zurückbleibende, vom ursprünglich eingebrachten Konzentrat stammende, feste, insbesondere pulverförmige Phase wird durch Eluieren, Sedimentieren, Filtrieren oder dergleichen vom Wärmeübertragungsmedium abgetrennt und das Wärmeübertragungsmedium wird in den Rührkessel zurückgeführt. Das Wärmeüberträgermedium kann entweder im Rührkessel oder auch außerhalb des Rührkessels erhitzt werden.
3.1.2 Basische Prozesshilfsstoffe
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet die Kalilauge einen basischen Prozesshilfsstoff, mittels welchem die im Ausgangsmaterial enthaltenen anorganischen und organischen Verbindungen einer stofflichen Verwertung zugänglich gemacht werden (Hydrolyse der organischen Verbindungen). Als Prozesshilfsstoff kommen insbesondere jeweils in Wasser gelöstes Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat, Lithiumhydrogencarbonat, Kaliumhydroxid, Kaliumcarbonat, Kaliumphosphat, Kaliumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat, Dikaliumhydrogenphosphat oder ein Gemisch dieser Stoffe in Frage.
3.1.3 Saure Prozesshilfsstoffe
Auch die Phosphorsäure, welche zum Ansäuern des Kondensates verwendet wird, bildet einen Prozesshilfsstoff. Anstelle von Phosphorsäure kann eine andere geeignete anorganische Säure, insbesondere Schwefelsäure, eingesetzt werden. Diese wird, wie für die Phosphorsäure beschrieben, in der Elektrolysezelle 6 erzeugt. Anstelle der Phosphate werden beim Einsatz von Schwefelsäure entsprechende Sulfate gebildet. Wie bereits erläutert, bilden sich Ammonium (NH4+) bzw. sich auflösende Ammoniumsalze, welche einer elektrochemischen Reaktion zugänglich sind.
3.1.4 Einsatz einer Waschkolonne zur Gaswäsche
Der im Verdampfer 4, 4‘ gebildete, Stickstoffverbindungen enthaltende Brüden kann aus dem Verdampfer 4, 4‘ unmittelbar in eine Waschkolonne geleitet und in dieser mit einer der erwähnten Säuren versetzt werden. Es bildet sich ein entsprechendes Kondensat, wie unter Punkt 1.1 und Punkt 3.1.3 erläutert. Das Kondensat wird, wie beschreiben, in das Kondensatlager 5, 5‘ geleitet oder es wird insbesondere in einen Vorfluter geleitet, aus welchem es in die Elektrolysezelle 6, 6‘ weiterfließt.
3.1.5 Einsatz eines Ionentauschers
Der im Verdampfer 4 gebildete, Stickstoffverbindungen enthaltende Brüden kann auch über einen Ionentauscher geleitet werden, welcher mit einer der erwähnten Säuren regeneriert wird, wobei die Säure aus der Elektrolysezelle 6, 6‘ stammt. Im Ionentauscher bilden sich entsprechende Sulfate bzw. Phosphate. Je nach Ausgestaltung kann auf das Kondensatlager 5, 5‘ verzichtet werden.
3.2 Beispiele für mögliche elektrische Energie verbrauchende, zumindest ein Produkt erzeugende Prozesse
Der elektrische Energie verbrauchende Prozess erzeugt insbesondere zumindest ein lagerfähiges Produkt. Besonders günstig sind dabei energieintensive Prozesse, welche große Mengen elektrischer Energie benötigen und - bezogen auf das Volumen an erzeugtem Produkt - möglichst wenig Produkt erzeugen, denn mit solchen Prozessen lassen sich hohe „Pseudo-Energiespeicherdichten“ erzielen (vergleiche Punkt 4).
Besonders geeignete Prozesse sind Elektrolyseverfahren, insbesondere elektrochemische Membranverfahren, Metallgewinnungselektrolysen, die elektrochemische Reinigung von Metallen, die unter den Begriff der „Galvanotechnik“ fallenden Verfahren (beispielsweise elektrochemische Metallabscheidung oder elektrochemische Metallbearbeitung), organische Elektro Synthesen und Wasserelektrolysen.
Die aus diesen elektrische Energie verbrauchenden Prozessen hervorgehenden „Produkte“ bilden „Pseudo-Energiespeicher“. Der Ausdruck Pseudo-Energiespeicher soll verdeutlichen, dass keine elektrische Energie an sich gespeichert wird, die Energie ist jedoch nach erfolgter Arbeit im jeweils gebildeten Produkt „vergegenständlicht“ bzw. als äquivalent vorhanden (siehe auch Punkt 4). Beim gegenständlichen ersten Ausführungsbeispiel (System Sl) bilden das aus dem Verdampfer 4 hervorgehende Konzentrat und die in der Elektrolysezelle 9 erzeugte Kalilauge sowie die in dieser erzeugte Phosphorsäure Pseudo-Energiespeicher.
4. Berechnungen zur „Pseudo-Energiespeicherdichte“
Die nachfolgenden exemplarischen und näherungsweisen Berechnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einem konventionellen Pumpspeicherkraftwerk im Hinblick auf seine „Pseudo-Energiespeicherdichte“ vergleichen.
4.1 Pumpspeicherkraftwerk
Die potentielle Energie eines Pumpspeicherkraftwerks lässt sich gemäß folgender Gleichung berechnen: potentieller Energie m [kg] Masse des hochgepumpten Wassers g [m/s2] Erdbeschleunigung, g ~ 9,81 m/s2 h [m] Höhe über dem Boden (Höhenunterschied zwischen dem Tiefbecken und dem Speicherbecken)
Für die Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:
Der Höhenunterschied h beträgt 100 m. - Der Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes beträgt 80% bzw. 0,8.
Aus Gleichung 1 folgt:
Um zur „realen“ Pseudo-Energiespeicherdichte zu gelangen, wird noch der Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes sowie der Lagerbedarf vom „Edukt“ (Wasser im Tiefbecken) und vom „Produkt“ (Wasser im Speicherbecken) berücksichtigt. Der Lagerbedarf beträgt 2m3, da das Wasser zunächst einen lm3 im Tiefbecken und anschließend lm3 im Speicherbecken einnimmt. Es gilt daher:
Mittels des Pumpspeicherkraftwerkes lassen sich im Beispiel daher pro Kubikmeter Wasser 0,11 kWh „pseudo speichern“. Diese Menge an elektrischem Energieäquivalent ist in jedem Kubikmeter hochgepumpten Wasser vorhanden, welches somit den Pseudo- Energiespeicher bildet.
4.2 Erfindungsgemäßes Verfahren - System S1
Beim System S1 wird die Überschussenergie (negative Regelenergie) dem Verdampfer 4 und der Elektrolysezelle 9 zugeleitet. Wie bereits erwähnt, bilden das im Verdampfer 4 gebildete Konzentrat sowie die in der Elektrolysezelle 9 erzeugte Kalilauge und die in dieser erzeugte Phosphorsäure die Pseudo-Energiespeicher (siehe 3.2). Nachfolgend werden Berechnungen zur Pseudo-Energiespeicherdichte des Konzentrates und der Phosphorsäure durchgeführt. Bei den Berechnungen zum Pumpspeicherkraftwerk wurde der Aspekt des Lagerbedarfs des Wassers bereits in Gleichung 1 durch die Wasserdichte berücksichtigt. Bei den Berechnungen zum gegenständlichen Verfahren wird der Aspekt des Lagerbedarfs erst am Ende berücksichtigt.
4.2.1 Zum Pseudo-Energiespeicher Konzentrat Es werden Berechnungen für lm3 Gülle durchgeführt. Die Pseudo-Energiespeicherdichte des Konzentrates lässt sich dabei aus der elektrischen Energie (Arbeit) berechnen, welche der Verdampfer 4 zur Bildung des Konzentrates benötigt.
Für die Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:
- Die Gülle weist einen Trockensubstanzgehalt von 5% auf. Sie besteht daher zu 95% aus Wasser und zu 5% aus Trockensubstanz.
- Das Eindampfen der Gülle erfolgt in einem Verdampfer mit mechanischem Brüdenverdichter, wobei die Kondensation des Dampfes bei einer Temperatur von 90°C erfolgt.
- Im Verdampfer 4 werden aus lm3 Gülle 500 kg Wasser entfernt.
- Die zugeführte Menge an Prozesshilfsstoff wird vernachlässigt.
- Der Wirkungsgrad des Verdampfers mit Brüdenverdichter beträgt 50% bzw. 0,5.
- Auf das Kondensatlager wird verzichtet.
Der Verdampfer mit Brüdenverdichter stellt bekannter Weise eine Form einer Wärmepumpe dar, deren maximaler Leistungskoeffizienten pwp gemäß Gleichung 3 berechnet werden kann. maximaler Leistungskoeffizient
Q Energie, erforderliche zur Verdampfung
(„zugeführte Wärme“, „ins Wärmereservoir gepumpte Wärme“) w Arbeit, die die Wärmepumpe (=Verdampfer mit Brüdenverdichter) leistet
Die zu berechnende Arbeit, die der Verdampfer 4 zur Bildung des Konzentrates leistet, ergibt sich durch Umformen der Gleichung 3, wobei mit einem realen Leistungskoeffizienten gerechnet wird: realer Leistungskoeffizient Q und r|wp, real sind daher zu berechnen.
Die zur Verdampfung erforderliche Energie (Wärme, Q) lässt sich gemäß folgender Gleichung berechnen (konstanter Druck):
Aus Gleichung 4 folgt für lm3 Gülle zur Verdampfung von 500kg Wasser:
Der reale Leistungskoeffizient pwp, real lässt sich aus dem maximaler Leistungskoeffizienten unter Berücksichtigung des angegebenen Wirkungsgrades berechnen:
Zur Berechnung des maximalen Leistungskoeffizienten pwp wird Gleichung 3 herangezogen. Bei Atmosphärendruck verdampft Wasser bekanntermaßen bei 100°C (=373 Kelvin). Die Kondensation erfolgt bei 90°C (=363 Kelvin), siehe getroffene Annahmen. Es gilt:
Durch Einsetzen von Ergebnis 3 in Gleichung 5 ergibt sich:
Durch Einsetzen von Ergebnis 2 und 4 in Gleichung 3.1 ergibt sich hinter Verwendung des Verdampfers mit Brüdenverdichter sind somit 16,8 kW*h Strom (elektrische Energie) erforderlich, um aus lm3 Gülle das Konzentrat zu gewinnen. Diese Menge an elektrischer Energie (Strom) ist dann im erhaltenen Konzentrat äquivalent vergegenständlicht, welches somit einen Pseudo-Energiespeicher bildet.
Um nun zur Pseudo-Energiespeicherdichte zu gelangen, ist das zur Lagerung erforderliche Volumen zu berücksichtigen. Das Ausgangsmaterial, nämlich lm3Gülle, benötigt ein Volumen von lm3. Das Konzentrat benötigt 0,5 m3 (lm3Gülle - 500kg verdampftes Wasser). Der Lagerbedarf liegt daher bei 1,5 m3.
Aus Ergebnis 5 und dem Lagerbedarf ergibt sich die Pseudo-Energiespeicherdichte:
4.2.2 Zum Pseudo-Energiespeicher Kalilauge und Phosphorsäure Nachfolgend werden Berechnungen zur erforderlichen Strommenge für die in der Elektrolysezelle 9 stattfindende Elektrolyse durchgeführt. Kalilauge und Phosphorsäure werden gebildet.
Die Elektrolysezelle 9 ist mit einer für Kalium- Kationen (K+) durchlässigen Membran in zwei Halbzellen - einen Anodenraum und einen Kathodenraum - geteilt. Durch Anlegen von Gleichstrom/Gleichspannung wandern die Kalium- Kationen (K+) durch die Membran in den Kathodenraum und bilden an der Kathode Wasserstoff (H2) und Kaliumhydroxid (KOH), wodurch Kalilauge gebildet wird. Die Phosphat- Anionen (PO4 3-) wandern in den Anodenraum und bilden an der Anode Phosphorsäure, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid.
Für die Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:
• Der pH Wert des Eluates beträgt 12. Bei diesem pH-Wert liegen die Phosphat- Anionen der Kaliumphosphate als PO4 3- vor, sodass sich die nachfolgenden Berechnungen auf PO4 3- beziehen. • Die Spannungsdifferenz bei der Elektrolyse beträgt 5V. Diese Spannung liegt oberhalb der Zersetzungsspannung.
An den Elektroden der Elektrolysezelle 9 reagieren letztendlich nur Protonen (H+) und Hydroxid- Ionen (OH ), da diese im elektrischen Feld vermeintlich schneller „wandern“ als die anderen Ionen (Grotthuß-Mechanismus).
Pro Mol Kaliumphosphat (K3PO4), also pro Mol Phosphat- Anionen (PO4 3- ), werden drei Mol Elektronen übertragen. Gleichzeitig werden drei Mol Elektronen auf die Protonen (H+) übertragen. Die für die Umsetzung von einem Mol Kaliumphosphat erforderliche Ladungsmenge Q ergibt sich aus: q Ladungsmenge
F Faraday-Konstante (=elektrische Ladung eines Mols eines einfach geladenen Ions), F = 96.485,33 C/mol
Es gilt ferner:
Weiektr = U * q Gleichung 7
Weiektr elektrische Arbeit bei der Verschiebung der Ladung q zwischen zwei Punkten, zwischen welchen die Spannung U besteht U Spannung(sdifferenz) q Ladungsmenge
Durch Einsetzen von Ergebnis 6 in Gleichung 7 ergibt sich:
Zur Umsetzung von einem Mol Kaliumphosphat (K3PO4) werden daher 0,402 kWh benötigt (d.h. 0,402 kWh/mol). Das bedeutet, dass zur Umsetzung von einem Kilogramm Kaliumphosphat (Molmasse = 0,21228 kg/mol) erforderlich sind.
Es wird angenommen, dass die vorliegende Elektrolytlösung (Eluat)eine 50% Kaliumphosphatlösung ist. Eine solche weist eine Dichte von etwa 1.500 kg/m3 auf. Zur Umsetzung von lm3 Kaliumphosphatlösung sind daher erforderlich.
Um nun zur Pseudo-Energiespeicherdichte zu gelangen, ist das zur Lagerung erforderliche Volumen zu berücksichtigen. Das Ausgangsmaterial, nämlich der lm3 Elektrolytlösung, benötigt ein Volumen von lm3. Die gebildete Kalilauge und die gebildete Phosphors äure nehmen gemeinsam auch ca. lm3 ein, sodass der Lagerbedarf bei etwa 2,0 m3 liegt.
Aus Ergebnis 9 und dem Lagerbedarf ergibt sich die Pseudo-Energiespeicherdichte:
Die exemplarischen Berechnungen zeigen deutlich, dass sich mittels des erfindungsgemäßen Systems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich höhere Pseudo-Energiespeicherdichten als mit den bisher bekannten konventionellen Methoden, beispielsweise einem Pumpspeicherkraftwerk, erreichen lassen.
Bezugsziffernliste
1 . Güllelager
2. Mischer
3 . Kalilaugenlager
4, 4‘ Verdampfer
5, 5‘ Kondensatlager
6, 6‘ Elektrolysezelle
7. Reaktor
8, 8‘ B lockheizkraftwerk
9. Elektrolysezelle
10... Eluatlager
11... Konzentratlager
12. Biogasanlage
S1 bis S5 System

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Energiemanagement unter Beteiligung von
- zumindest einem Stromnetz,
- zumindest einem elektrische Energie verbrauchenden Prozess zur Herstellung zumindest eines Produktes und
- zumindest einem elektrische Energie erzeugenden Prozess, wobei das Verfahren in Abhängigkeit des Regelenergiebedarfes in einem der folgenden Betriebszustände betrieben wird: a) bei keinem Regelenergiebedarf in einem Normalbetrieb, bei welchem der elektrische Energie verbrauchende Prozess mit der Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses zumindest ein Produkt herstellt, b) bei Bedarf an negativer Regelenergie in einem Speicherbetrieb, bei welchem aus dem Stromnetz zusätzliche elektrische Energie in den elektrische Energie verbrauchenden Prozesse eingespeist und derart gegenüber dem Normalbetrieb ein Überschuss an Produkt hergestellt und dieser gespeichert wird und c) bei Bedarf an positiver Regelenergie in einem Abgabebetrieb, bei welchem der energieverbrauchende Prozess stillgelegt oder gedrosselt und die elektrische Energie des elektrische Energie erzeugenden Prozesses ins Stromnetz eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt bzw. die
Produkte, welches bzw. welche mit dem elektrische Energie verbrauchenden
Prozess hergestellt wird bzw. werden, flüssig oder gasförmig ist bzw. sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektrische Energie verbrauchenden Prozess ein Produkt bzw. Produkte hergestellt wird bzw. werden, welches bzw. welche ohne weiteren Energieaufwand, wie beispielsweise Kühlung, auf stabile Weise lagerbar ist bzw. sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energie verbrauchende Prozess ein Elektrolyseverfahren, insbesondere ein elektrochemisches Membranverfahren, eine Metallgewinnungselektrolyse, eine elektrochemische Reinigung von Metallen, ein unter den Begriff der Galvanotechnik fallendes Verfahren, eine organische Elektrosynthese oder eine Wasserelektrolyse ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energie verbrauchende Prozess eine Verdampfung von Wasser aus Wasser enthaltenden Ausgangmaterialien ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des elektrische Energie verbrauchenden Prozesses zumindest ein Produkt hergestellt wird, welches zumindest teilweise als Ausgangsmaterial für den elektrische Energie erzeugenden Prozess eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den elektrische Energie verbrauchenden Prozess zumindest ein wasserhaltiges biologisches Ausgangsmaterial, insbesondere ein biogener Rohstoff oder ein biogener Reststoff, eingesetzt wird, wobei vorzugsweise als biogener Reststoff organische Abfälle bzw. Abwässer, der bei einer mechanisch-biologischen Abfallbehandlung anfallende biogene Anteil, land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte, biogene Produktionsreste, Gülle, Gärreste aus einer Biogasanlage, Klärschlamm, Schlachtabfälle, Tiermehl, Waldrestholz, Reste aus der forst- und holzindustriellen Produktion, Landschaftspflegematerial, Abfälle aus Gärten, Parks und Friedhöfen, Bioabfällen, Exkremente aus der Tierhaltung und/oder Straßenbegleitgrün eingesetzt wird bzw. werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Energie verbrauchende Prozesse, insbesondere zumindest eine Verdampfung und zumindest ein Elektrolyseverfahren, vorzugsweise ein elektrochemisches Membranverfahren, beteiligt sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das beteiligte Stromnetz ein Verbundnetz ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energie verbrauchende Prozess im Normalbetrieb kontinuierlich abläuft.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie verbrauchenden Prozesse folgende nacheinander ablaufende Schritte umfassen: i. Vermischen eines organische Verbindungen und Wasser enthaltenden, biologischen Ausgangsmaterials mit einem alkalischen, in Wasser gelöstem Hydrolysemittel zur Bildung eines hydrolysierten Mediums, ii. Erhitzen und Eindampfen des hydrolysierten Mediums zur Bildung eines Brüdens und eines Konzentrates, iii. a) im Normalbetrieb: Einsatz des Konzentrates zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses, b) im Speicherbetrieb: Einsatz einer Teilmenge des Konzentrates zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses sowie Speicherung des weiteren Konzentrates, c) im Abgabebetrieb: Einsatz des im Speicherbetreib gespeicherten Konzentrates zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des elektrische Energie erzeugenden Prozesses.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt i. eingesetzte Hydrolysemittel zumindest eines aus der Gruppe Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Lithiumhydroxid,
Lithiumcarbonat, Lithiumhydrogencarbonat, Kaliumhydroxid, Kaliumcarbonat, Kaliumphosphat, Kaliumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat oder Dikaliumhydrogenphosphat ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt ii. anfallende Brüden kondensiert und unter Zusatz zumindest eines sauren Prozesshilfsstoffes in zumindest einer Elektrolysezelle (6) zu einer Ammoniak-Lösung umgesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt iii. das Konzentrat zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Reaktor (7) auf bis zu 700°C erhitzt und die entstehenden Gase in einem Blockheizkraftwerk umgesetzt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt iii. im Reaktor zurückbleibende Rückstand zur Bildung eines Eluates mit Wasser vermischt wird, wobei aus zumindest einem Teil des Eluates nach Abscheidung der Asche in einer Elektrolysezelle ein für Schritt i. geeignetes Hydrolysemittel gebildet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie verbrauchenden Prozesse folgende nacheinander ablaufende Schritte umfassen:
I. Eindampfen eines organische Verbindungen und Wasser enthaltenden, biologischen Ausgangsmaterials unter Bildung eines Brüdens und eines Konzentrates, II. a) im Normalbetrieb: Umsetzen des Konzentrates in einer
Biogasanlage (12), wobei ein Gärrest gebildet und dieser aus der Biogasanlage (12) ausgetragen wird, b) im Speicherbetrieb: Einspeisen von elektrischer Energie in Schritt I, sodass ein Überschuss an Konzentrat gebildet wird, welcher nachfolgend in der Biogasanlage (12) gespeichert wird, c) im Abgabebetrieb: Bildung von Biogas aus dem im Speicherbetrieb gespeicherten Konzentrat und Erzeugung elektrischer Energie aus dem Biogas.
17. System zum Energiemanagement umfassend
- zumindest ein Stromnetz,
- zumindest eine erste Systemkomponente (8, 8‘) zur Erzeugung elektrischer Energie,
- zumindest eine zweite Systemkomponente (4, 4‘, 6, 6‘, 9) zur Herstellung zumindest eines Produktes mittels elektrischer Energie der ersten Systemkomponente (8, 8‘),
- zumindest ein Lager (3, 5, 10, 11) zur Speicherung von Produktüberschuss und
- eine elektronische Regelung, welche bei negativer Regelenergie aus dem Stromnetz elektrische Energie in die zweite Systemkomponente (4, 4‘, 6, 6‘, 9) einspeist und bei positiver Regelenergie die Zuführung von elektrischer Energie aus der ersten Systemkomponente (8, 8‘) in die zweite Systemkomponente (4, 4‘, 6, 6‘, 9) drosselt oder abstellt und die in der ersten Systemkomponente (8, 8‘) erzeugte elektrische Energie zumindest zum Teil ins Stromnetz einspeist.
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von ersten Systemkomponenten (8, 8’) und/oder eine Vielzahl von zweiten
Systemkomponenten (4, 4‘, 6, 6‘, 9) umfasst.
19. System nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Systemkomponente (8, 8‘) ein Blockheizkraftwerk (8, 8‘) ist.
20. System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere zweite Systemkomponente(n) (4, 4‘, 6, 6‘, 9) vorgesehen ist bzw. sind, welche ein Verdampfer (4, 4‘), eine Elektrolysezelle (6, 6‘, 9) und/oder eine Biogasanlage (12) ist bzw. sind.
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