EP4553192A1 - Energiesystem zur bereitstellung von elektrischer leistung - Google Patents

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EP4553192A1
EP4553192A1 EP23209081.1A EP23209081A EP4553192A1 EP 4553192 A1 EP4553192 A1 EP 4553192A1 EP 23209081 A EP23209081 A EP 23209081A EP 4553192 A1 EP4553192 A1 EP 4553192A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
energy system
combustion engine
energy
carbon dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23209081.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Kiener
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP23209081.1A priority Critical patent/EP4553192A1/de
Publication of EP4553192A1 publication Critical patent/EP4553192A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • 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
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen

Definitions

  • the present invention relates to an energy system for providing electrical power to at least one consumer, wherein the energy system comprises an electrolyzer, an oxygen storage device, and an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for providing electrical power.
  • Energy systems are known from the prior art in which water is electrolytically decomposed into oxygen and hydrogen, with the electrolysis products subsequently being used to generate electrical energy, thermal energy, and/or chemical synthesis products.
  • Such energy systems can capture the electrical energy available from renewable energy sources and store it in another form (particularly chemically) in order to be made available in the desired form at a later time when needed, especially in the form of electrical energy.
  • Such energy systems are therefore particularly useful for balancing fluctuations in the electrical power provided in a power grid due to the fluctuating availability of renewable energies or for adapting it to the demand profile for the electrical power to be consumed by consumers.
  • Such decentralized energy systems are also referred to in the technical world as microgrid systems when they serve to supply locally defined or at least locally definable power grids – the so-called microgrids.
  • the decentralized intermediate storage described can, however, be used not only in true island grids (i.e., microgrids in so-called "island mode," without a direct connection to a higher-level interconnected grid), but also in local subgrids within larger interconnected grids (i.e., microgrids operated in so-called "grid-connected mode,” with an electrical connection to the interconnected grid).
  • a difficulty with such energy systems is generally to achieve both high efficiency in the conversion of the individual energy forms and to enable the intermediate storage of sufficiently large amounts of energy to compensate for fluctuations that occur.
  • the object of the invention is therefore to provide an energy system that simultaneously meets these two requirements.
  • This energy system should, in particular, be implementable in the smallest possible space, enabling storage within small, local subgrids or island grids.
  • a further object is to provide a corresponding method for providing electrical power.
  • the electrolyzer can advantageously be operated when electrical energy is particularly inexpensive and/or when it is available in surplus, e.g. when a lot of electrical energy is available from renewable energy sources such as photovoltaics or wind power or when consumption is particularly low.
  • the oxygen should be temporarily stored to enable use at a later time. According to the invention, this takes place in liquefied form at a cryogenic temperature.
  • a cryogenic temperature is generally understood here to mean a temperature of -182 °C or less. At such a temperature, oxygen is in liquefied form at atmospheric pressure.
  • the internal combustion engine is coupled to the generator in order to produce energy by burning a fuel to provide electrical power.
  • the combustion of the fuel is to take place in a so-called oxyfuel process.
  • an oxyfuel process is to be understood as a combustion process in which a fuel is combusted together with an oxidizing gas, wherein the oxidizing gas has an oxygen content of at least 15% and a nitrogen content of at most 5%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.1%.
  • the oxidizing gas can be substantially free of nitrogen.
  • the oxygen content can advantageously be considerably higher, e.g. at least 21% or even at least 25% or even over 30%.
  • one or more other substances are also present in the oxidizing gas, in particular carbon dioxide.
  • Other inert gases, such as noble gases, may in principle also be present in small proportions, for example in the range of up to 1% each.
  • the oxidizing gas can essentially be a mixture of oxygen and carbon dioxide. Due to the absence of nitrogen (apart from minimal impurities), this type of combustion process ensures that the flue gas formed during combustion also has a low nitrogen content or is even essentially free of nitrogen (at least if the fuel used is also essentially free of nitrogen). This makes it possible, for example, to dispense with the use of a catalyst for flue gas aftertreatment, since essentially no nitrogen oxides are formed during combustion. Due to the comparatively high oxygen content in the oxyfuel process, high flame temperatures can be achieved compared to combustion with air.
  • the oxyfuel process is particularly suitable for recovering the carbon dioxide contained in the flue gas after combustion, since in this case If the flue gas is essentially a mixture of carbon dioxide and water vapor (possibly with an excess of unreacted oxygen during combustion to ensure complete combustion).
  • the flue gas contains only small amounts of other gases (so-called extraneous gases) such as nitrogen or argon. This facilitates the recovery and recirculation of the carbon dioxide contained in the flue gas into the energy system's processes, since in this case, in particular, no separation of carbon dioxide and nitrogen is required.
  • the generator coupled to the internal combustion engine can provide electrical power for one or more consumers.
  • the internal combustion engine and generator can be operated advantageously, especially when comparatively little electrical energy is available.
  • the oxyfuel process uses oxygen that was previously electrolytically generated when there was a surplus of electrical energy and temporarily stored in liquid form.
  • the heat exchanger serves to either heat or cool the electrolytically generated oxygen and, in the process, to cool or heat another process medium of the energy system.
  • it is a heat exchanger designed for indirect heat transfer between two spatially separated material flows.
  • the heat exchanger is intended to be operated at a cryogenic temperature, at least in one partial area.
  • the oxygen to be heated is heated from a cryogenic temperature to a higher temperature, or the oxygen to be cooled is cooled to a cryogenic temperature.
  • a cryogenic temperature is generally understood to mean a temperature of -35 °C or less.
  • the temperature in the relevant partial area of the heat exchanger can even be below -50 °C, and in particular, it can even be a cryogenic temperature.
  • oxygen in which oxygen is present in liquefied form.
  • the use of such a heat exchanger for heating and/or cooling the temporarily stored oxygen ensures that storage in liquefied form can be achieved with comparatively high overall energy efficiency. If oxygen is liquefied primarily through adiabatic compression with a compressor, a great deal of energy is required to operate the compressor. Liquefaction is much more energy-efficient if a process medium already present in cryogenic form during operation of the energy system can be used to cool the oxygen and thereby at least support the liquefaction. Alternatively or additionally, the oxygen present in liquid form during intermediate storage can be used to cool another process medium and, in particular, at least support its liquefaction. In this way, the "cold" of the oxygen or the other process medium can be further utilized as a resource in the energy system.
  • a key advantage of the energy system according to the invention is that the electrolytically produced oxygen can be cryogenically stored in an energy-efficient manner. Storing oxygen in liquefied form is advantageous primarily because of the significantly smaller space required for the storage device, as liquid oxygen requires a much smaller storage volume than a pressure storage device at ambient temperature. Furthermore, significantly less material is needed to manufacture the storage device than a pressure storage device. Due to the risk of explosion, the pressure of such a warm oxygen storage device is typically limited to 300 bar, which further increases the required storage volume compared to other gases. The advantage of the smaller storage volume is particularly important in smaller, decentralized energy systems, where space is typically limited. A further advantage of cryogenic intermediate storage of oxygen can also be seen in the reduction of the risk of explosion.
  • thermal energy is transferred between the electrolytically generated oxygen and at least one other process medium using a heat exchanger, with the heat exchanger being operated at a cryogenic temperature of -35°C or less, at least in a partial region.
  • the energy system can generally advantageously comprise a plurality of heat exchangers, wherein in particular at least one heat exchanger is designed to cool the electrolytically produced oxygen to a cryogenic temperature and at least one further heat exchanger is designed to heat the electrolytically produced oxygen from a cryogenic temperature to a higher temperature.
  • This design achieves particularly high energy efficiency, as the cold available from another process medium can be used both to cool the oxygen and to heat the oxygen prior to use in the oxyfuel process, allowing the cold present in the oxygen to be used to cool another process medium.
  • multiple heat exchangers can be provided for heating and/or cooling the oxygen.
  • a multi-stage heat exchanger can also be provided in the respective path.
  • At least one of the present heat exchangers can be designed to have a cryogenic liquid flowing through it, at least in a partial region, in particular the electrolytically generated liquid oxygen.
  • the heat exchanger is configured to be operated at a cryogenic temperature, at least in the said partial region.
  • gaseous oxygen can condense within a heat exchanger as it cools, wherein in particular the respective other process medium can evaporate as it heats up.
  • another process medium can condense within a heat exchanger as it cools, wherein in particular the liquid oxygen can evaporate as it heats up. In this way, the liquefaction of oxygen or the other process medium can be carried out in a particularly energy-efficient manner.
  • At least one of the present heat exchangers is designed to cool the electrolytically produced oxygen to a cryogenic temperature.
  • the process medium to be heated is, in particular, either liquid nitrogen or liquid carbon dioxide.
  • Liquid nitrogen is a particularly easy-to-handle and relatively inexpensive cryogen, the cold of which can be used to liquefy oxygen. can.
  • the nitrogen evaporated during the heat exchange can optionally be used for other purposes within the energy system, for example for the synthesis of ammonia together with the electrolytically produced hydrogen.
  • Carbon dioxide is also comparatively easy to handle and is present in liquid form at a pressure slightly above 5.2 bar, for example at a temperature in the range between -56 °C and -20 °C.
  • Such a cold temperature level can at least be used to pre-cool oxygen during liquefaction.
  • Carbon dioxide can be present in the energy system anyway as a process gas and can be recovered from the combustion process in particular. It can be stored at least partially in liquefied form before further use in a space-saving manner.
  • At least one of the heat exchangers can be designed to heat the electrolytically generated oxygen from a cryogenic temperature.
  • the process medium to be cooled can be, in particular, carbon dioxide.
  • the carbon dioxide can advantageously be liquefied.
  • it can be, in particular, carbon dioxide recovered from combustion, which is stored in a space-saving liquefied form before further use, with the cold of the cryogenic oxygen being used to assist the liquefaction process.
  • At least one of the heat exchangers present can be manufactured using an additive manufacturing process.
  • additive manufacturing process is generally understood here, according to the industry standard ASTM F2792, to be a process in which material is sequentially applied and bonded to previous material regions in such a way that a three-dimensional shaped body can be created according to a predefined three-dimensional geometric model. This is in contrast to conventional subtractive manufacturing processes, in which a three-dimensional shaped body is created by removing of material from a blank (for example, by milling, grinding, and/or drilling).
  • One advantage of such an additively manufactured heat exchanger is that it also enables fine and complex structures in the thermal interaction area of the two material flows. This allows for particularly effective heat transfer.
  • at least one of the heat exchangers present can be a counterflow heat exchanger.
  • the energy system can be a multimodal energy system.
  • This is to be understood as an energy system which, in addition to providing electrical power, also serves to provide chemical substances and/or heat and/or cooling power.
  • it comprises at least one synthesis reactor for generating at least one synthesis product from the electrolytically generated hydrogen and at least one further reactant.
  • the synthesis product can, for example, be a hydrogen-containing product.
  • Such an optionally present synthesis reactor can also preferably be manufactured using an additive manufacturing process, which in turn brings advantages with regard to fine and complex internal structures for guiding the material flows involved.
  • Such a synthetic fuel can, for example, be used (in whole or in part) in step c) as fuel for the internal combustion engine in the oxyfuel process.
  • a comparatively high-quality synthesis product can be produced in the synthesis reactor (e.g., as a raw material for the chemical industry), so that combustion would be uneconomical and a different fuel is used instead in step c).
  • Combinations of these two variants can also be used, e.g., if the availability of fuels from other sources fluctuates and/or the quantity of synthesis product produced temporarily exceeds other demand.
  • the energy system can comprise a synthesis reactor designed to produce ammonia by reacting hydrogen with nitrogen as a further reactant.
  • a synthesis reactor designed to produce ammonia by reacting hydrogen with nitrogen as a further reactant.
  • This variant is particularly advantageous in combination with the use of liquid nitrogen as a cryogenic coolant, because the nitrogen used for cooling can then be used as a reactant for the synthesis after its evaporation.
  • the synthesis product ammonia can be used in the chemical industry as a raw material for the production of other nitrogen compounds or as fertilizer in agriculture.
  • ammonia can also be used as a synthetic fuel.
  • the synthesis product ammonia can also be stored in liquefied form, whereby an additional heat exchanger can be used for the liquefaction of the ammonia and/or for the cooling of its reactants.
  • this additional heat exchanger can be designed to cool ammonia and/or its reactants while simultaneously heating pure nitrogen and/or carbon dioxide.
  • the gaseous nitrogen formed from the evaporation of the liquid nitrogen used in the heat exchanger can also be recycled as a refrigerant and liquefied accordingly using a high-pressure compressor and returned to the cycle.
  • a combination of both variants is also conceivable, whereby the proportion of each use can be adjusted depending on the available resources.
  • the internal combustion engine can be a combined heat and power (CHP) machine, which, in addition to driving the generator, can provide heat output to a consumer.
  • CHP combined heat and power
  • the thermal energy from combustion is utilized similarly to a combined heat and power plant and made available to a consumer as heat output. This can optionally be done in addition to the provision of one or more synthesis products, so that the energy system then generates a total of three different types of output: electrical power, heat output, and one or more synthesis products.
  • different fuels can be used for combustion in the internal combustion engine: This can be either the synthetic fuel already mentioned or another fuel such as a fossil fuel such as natural gas or butane-propane liquefied petroleum gas (LPG) or diesel or heating oil or another renewable fuel such as a combustible biogas from a biogas plant.
  • the fuel can also be a synthesis gas with the main components hydrogen H 2 , carbon monoxide CO and carbon dioxide CO 2 from the thermochemical conversion (in particular a gasification reaction) of a calorific value carbonaceous feedstock with a summary composition C X H y O z N u Si v with pure oxygen O 2 and water vapor H 2 O.
  • fuels with a low energy content can also be used advantageously, e.g. a so-called lean gas with a calorific value of 7100 kJ/Nm 3 or less.
  • the process can involve the recovery of carbon dioxide, whereby this recovered carbon dioxide can be temporarily stored in liquefied form, particularly after heat exchange with cryogenic oxygen.
  • the liquefied carbon dioxide can be fed to a synthesis reactor as a reactant for carbon-based synthesis, particularly after heating (again advantageously with heat exchange with oxygen and/or another process medium).
  • the recovered carbon dioxide can also be returned to the internal combustion engine, although cryogenic storage for this portion is generally not necessary. This is because this type of reuse can take place in the same operating mode as the recovery of the carbon dioxide, namely during the combustion process. In general, and regardless of the type of reuse, the carbon dioxide can be almost be completely recovered from the flue gas produced.
  • the internal combustion engine can be designed to burn the fuel with a mixture of electrolytically generated oxygen and carbon dioxide recovered from the flue gas.
  • an oxidizing gas is used for combustion which consists predominantly or even essentially of oxygen and carbon dioxide.
  • the proportions of oxygen and carbon dioxide in such a mixture can advantageously be adapted to the current boundary conditions of the combustion process.
  • the combustion temperature can be regulated by changing the mixing ratio. Even if the composition of the fuel used changes, the composition of the oxidizing gas can be adjusted accordingly, e.g., to maintain a predetermined combustion temperature even in the event of fluctuations in the fuel composition.
  • an exhaust gas turbocharger can also be dispensed with, since instead of (or in addition to) increasing the pressure, an increase in the oxygen content in the mixture can occur. If an exhaust gas turbocharger is dispensed with, the flue gas is available at a comparatively higher pressure. This can have a positive effect on the recovery of carbon dioxide, especially because less compression is then required to liquefy the recovered carbon dioxide.
  • the internal combustion engine can also operate without an exhaust gas turbocharger at a comparatively high boost pressure, since the oxygen evaporated from the liquid form is available at a relatively high pressure and the exhaust gas stream containing carbon dioxide also has a high residual pressure.
  • the oxidizing gas is preferably essentially free of nitrogen.
  • the internal combustion engine can be designed for nitrogen-free combustion of the fuel.
  • the fuel used can also be essentially free of nitrogen. Then, no nitrogen oxides are formed during combustion, and a catalyst can be dispensed with.
  • the molar fraction of the noble gases can be in the range below 1% and preferably even below 0.1% to avoid a gradual accumulation of these substances within the closed carbon dioxide cycle.
  • the first operating mode at least steps a) and b) of the method according to the invention are carried out, and in the second operating mode, at least step c) of the method is carried out.
  • the first operating mode is expediently used primarily when a lot of electrical energy is available and comparatively little electrical power is required by the consumers. Then, at least the oxygen as a product of the electrolysis can be temporarily stored in liquefied form for later use.
  • the optionally present synthesis reactor can also expediently be operated, so that one or more synthesis products can also be stored. Alternatively, the electrolytically formed hydrogen can also be stored.
  • the second operating mode is used primarily when little electrical energy is available and comparatively high electrical power is required by the consumers. In this second operating mode, in embodiments with a recovery of carbon dioxide from combustion, the optionally present storage facility for liquid carbon dioxide can also be filled.
  • a heat exchanger designed to cool the oxygen while simultaneously heating another process medium is advantageously used primarily in the first operating mode.
  • a heat exchanger designed to heat the oxygen while simultaneously cooling another process medium is accordingly used primarily in the second operating mode.
  • the two operating modes described do not necessarily have to be mutually exclusive. Transitional phases are also conceivable, in which, for example, the Electrolysis and the storage of the electrolytically produced oxygen are still active and the operation of the internal combustion engine is just being started up or vice versa.
  • FIG. 1 A schematic diagram of an energy system 1 according to a first example of the invention is shown. This diagram is highly simplified and shows only the essential components.
  • the energy system 1 comprises an electrolyzer 10, with which water H 2 O can be electrolytically split into oxygen O 2 and hydrogen H 2. This occurs by absorbing electrical energy E, which can, for example, originate from a renewable energy source or, during periods of low electricity prices, from the electricity grid.
  • the water H 2 O can be supplied to the electrolyzer 10 in deionized form.
  • the electrolytically formed hydrogen H 2 can be used in various ways.
  • the energy system 1 can be used within the energy system 1 as a reactant for a chemical synthesis or it can be stored in a hydrogen storage device for further use at another location, e.g., as fuel for a fuel cell, or in a
  • the electrolytically produced oxygen is temporarily stored in liquefied form in an oxygen storage unit 31 for use within the same energy system 1.
  • the oxygen is cooled to a cryogenic temperature, i.e., to a temperature below its boiling point at atmospheric pressure.
  • the energy system 1 also comprises an internal combustion engine 40 and a generator 41 coupled to it.
  • a fuel F can be burned, which is supplied from a fuel storage 60.
  • This fuel can be, for example, a liquid or a gaseous fuel. It can be a fossil fuel such as natural gas or petroleum, or a fuel from renewable sources such as biogas or a synthetic fuel.
  • the fuel can also be a synthesis gas with the main components hydrogen H 2 , carbon monoxide CO and carbon dioxide CO 2 from the thermochemical conversion (in particular a gasification reaction) of a calorific value-containing carbonaceous feedstock with a summary composition C X H y O z N u Si v with pure oxygen O 2 and water vapor H 2 O.
  • the fuel F can generally be, in particular, carbonaceous.
  • the generator 41 is driven by the internal combustion engine 40, so that when the fuel is burned, electrical power can be provided to a consumer via the generator 41.
  • the chemical energy of the fuel F is converted into electrical energy E.
  • Combustion within the internal combustion engine 40 is carried out according to the oxyfuel process, so that a gas with a particularly high oxygen content is used as the oxidation gas OG.
  • the oxygen O 2 for this oxidation gas is taken (at least partially) from the described cryogenic oxygen storage 31, i.e., it is electrolytically produced oxygen.
  • the unlabeled arrow in the right-hand part of the figure indicates that, in addition to this oxygen O 2 , the oxidation gas OG also contains a another component may be added, in particular carbon dioxide.
  • the energy system 1 is characterized in that the electrolytically produced oxygen O 2 is stored in liquefied form and that a heat exchanger is used when cooling the oxygen to a cryogenic temperature and/or heating the oxygen from the cryogenic temperature.
  • a heat exchanger is used when cooling the oxygen to a cryogenic temperature and/or heating the oxygen from the cryogenic temperature.
  • Figure 1 Two such heat exchangers 21 and 22 are shown, namely a first 21 in the oxygen cooling path and a second 22 in the oxygen heating path.
  • the heat exchanger 21 is flowed through, on the one hand, by originally warm oxygen O 2 and, on the other hand, by another process medium PM, which is originally colder than the incoming warm oxygen.
  • This can therefore in particular be a fluid (i.e. liquid and/or gaseous) process medium PM, which advantageously fulfills another function within the energy system 1.
  • the oxygen O 2 is cooled on its way through the heat exchanger, advantageously to a cryogenic temperature of -35 °C or less. It is also possible for the oxygen to be cooled in this heat exchanger 21 to a cryogenic temperature below its boiling point and thus to condense already in the heat exchanger 21. However, this can only be achieved with certain cryogenic process media and in particular with liquid nitrogen as the process medium PM.
  • Cooling the oxygen to a cryogenic temperature already in the heat exchanger 21 is also not absolutely necessary. In order to achieve high energy efficiency during operation of the energy system 1, it is sufficient if the oxygen is pre-cooled to a cryogenic temperature in this heat exchanger 21 and then liquefied in a further step not explicitly shown here.
  • the heat exchanger 22 is flowed through on the one hand by originally cold oxygen O 2 and on the other hand by another process medium PM, which is originally warmer than the incoming cold oxygen.
  • This can also be a fluid process medium, which advantageously fulfills a further function within the energy system 1.
  • the oxygen O 2 is heated from a cryogenic temperature to a higher temperature on its way through the heat exchanger, wherein the originally cold temperature level is used to cool the process medium PM. It is also possible for the oxygen to evaporate from its liquefied form in this heat exchanger 22.
  • the process medium to be cooled can condense and in particular be liquefied therein, which facilitates subsequent storage of this process medium.
  • the energy system 1 according to Figure 1 can be operated in two different operating modes.
  • the first operating mode is used when, for example, a high level of electrical energy E is available in a higher-level power grid.
  • the electrolyzer 10 is then operated with this energy E, and the oxygen produced is stored in the oxygen storage 31.
  • the components in the left half of the Figure 1 active.
  • the second operating mode comes into play when the electrical energy required by the consumers exceeds the supply from other sources.
  • the internal combustion engine 40 is then operated, with the coupled generator 41 providing electrical power for the consumers. This is done using oxygen from the oxygen storage 31.
  • the components in the right half of the Figure 1 active. At least in one of these halves, and thus also in one of the two operating modes, a heat exchanger 21 and/or 22 is used in the oxygen path.
  • FIG 2 A similar schematic diagram of an energy system 1 according to a second example of the invention is shown.
  • This energy system 1 is based on the basic design of the Figure 1 and is expanded by some optional components.
  • the electrolytically formed hydrogen H 2 is fed to a synthesis reactor 71 as a reactant.
  • the hydrogen H 2 can be compressed with a compressor 90 if required.
  • Carbon dioxide CO 2 is fed to the synthesis reactor 71 as a further reactant.
  • a carbon-based synthesis takes place in which the carbon dioxide is reduced by the hydrogen, whereby in this example a synthetic fuel is formed.
  • the synthesis product can be a compound with the empirical formula C n H m O z or the synthesis product can comprise one or more compounds with such an empirical formula, where z can optionally also be 0.
  • the fuel EF formed can be stored in a fuel storage 81.
  • the carbon dioxide that is fed to the synthesis reactor 71 is, in the example of the Figure 2 recovered from the combustion and subsequently stored in a carbon dioxide storage 32.
  • the carbon dioxide is liquefied and brought to a cryogenic temperature, e.g., in the range of approximately -50 °C. This cryogenic carbon dioxide is flowed through a heat exchanger 21a and heated there, whereby the oxygen also flowing through this heat exchanger 21a is cooled.
  • the components in the right half of the figure are active, and fuel 60 is again burned in the internal combustion engine 41.
  • This can optionally be (at least partially) the synthetic fuel EF, which was produced in the first operating mode from the hydrogen and the carbon dioxide.
  • a fuel F from other sources can also be used.
  • the flue gas RG formed during combustion is fed into a recovery device 50, in which the carbon dioxide contained in the flue gas is recovered.
  • This recovery device 50 can in particular contain a dehumidification device in order to remove water produced during combustion from the flue gas.
  • the recovered carbon dioxide can then be utilized in various ways, whereby the ratio of the two utilization paths can also be adjusted during the process if necessary.
  • the recovery device 50 can comprise a connection for a cold partial flow extraction, with which comparatively cold carbon dioxide is extracted and mixed in a first path with the oxygen flowing towards the machine 40, whereby the oxidation gas OG supplied to the combustion is formed.
  • the mixing ratio of these two components in the oxidizing gas OG can, in turn, be adapted to the other boundary conditions of the combustion and, in particular, can be varied over the course of the process.
  • a fermentation gas or synthesis gas that already contains carbon dioxide can be used as fuel F. This carbon dioxide does not need to be removed from the fermentation gas or synthesis gas; rather, the amount of additional carbon dioxide added can be adjusted in each case so that the desired overall concentration and, for example, the desired flame temperature and power generation during combustion are achieved.
  • the carbon dioxide is extracted from the recovery device 50 at a comparatively higher temperature level, for example, and first compressed with a compressor 90 and then fed to the heat exchanger 22 as an additional process medium.
  • warm carbon dioxide and originally cold oxygen whereby the oxygen is heated and the carbon dioxide is cooled.
  • the inflowing oxygen can in particular still be liquefied or, more generally, be at a cryogenic temperature.
  • the carbon dioxide can be liquefied due to the heat transfer, which is particularly possible at a pressure above 5.2 bar.
  • the heat exchanger 22 can advantageously have a degassing device with which oxygen and other lighter-boiling impurities such as nitrogen and noble gases can be removed from the liquid carbon dioxide.
  • the liquefied carbon dioxide is then fed to the carbon dioxide storage 32, from which it can be consumed in the first operating mode as described.
  • FIG 3 A similar schematic diagram of an energy system 1 according to a third example of the invention is shown.
  • This energy system 1 is also based on the basic design of the Figure 1 and is extended by some optional components.
  • carbon dioxide is recovered from the flue gas RG of the combustion and partly fed to the oxidation gas OG and partly used for other purposes. This other use is not shown for the sake of clarity, but liquefaction of the carbon dioxide can also take place in the heat exchanger 22.
  • the electrolytically produced hydrogen H 2 is also utilized in the first operating mode in a hydrogen-based synthesis.
  • the hydrogen is fed to a synthesis reactor 72, which in this example is designed for the synthesis of ammonia NH 3 and is accordingly fed with nitrogen N 2 as an additional reactant.
  • a synthesis reactor 72 which in this example is designed for the synthesis of ammonia NH 3 and is accordingly fed with nitrogen N 2 as an additional reactant.
  • further components can be arranged upstream of this synthesis reactor 72, such as a reactor for catalytic reaction, in which any residual oxygen content in the inflowing hydrogen is removed by catalytic reaction with hydrogen and condensation of the water formed.
  • the ammonia NH 3 formed is stored in an ammonia storage tank 82, which may be preceded by additional components for cleaning, compressing, and/or cooling the ammonia formed.
  • a heat exchanger can be used, for example, to cool the ammonia to a cryogenic temperature and heat another process medium, thereby enabling the ammonia to be stored in liquefied form without an additional compressor.
  • the energy system of the Figure 3 a heat exchanger 21b, into which liquid nitrogen N 2 flows from a nitrogen storage unit 33 as an additional process medium.
  • the originally liquid nitrogen is heated in the heat exchanger 21b, and the originally warm oxygen is cooled to a cryogenic temperature, whereby it can optionally condense already in the heat exchanger 21b.
  • This advantageously enables liquefaction of the electrolytically formed oxygen without an additional compressor on the way to the oxygen storage unit 31.
  • the inflowing liquid nitrogen N 2 evaporates in the heat exchanger and is then fed to the synthesis reactor 72 as a reactant, thus resulting in dual use for this process medium as well.
  • the evaporated nitrogen can be recompressed via a compressor 90 and fed back to the nitrogen storage unit 33 as liquid nitrogen in a closed circuit.
  • the compressor 90 in the nitrogen path is expediently designed as a high-pressure compressor, wherein the compressed gas is cooled to a relatively low temperature, e.g., between -30 °C and -50 °C.
  • a relatively low temperature e.g., between -30 °C and -50 °C.
  • an expansion which can be carried out either adiabatically or, if necessary, via an expansion turbine, and finally leads to the liquefaction of the nitrogen.
  • This renewed liquefaction is particularly useful when more liquid nitrogen is required in the heat exchanger 21b than is subsequently consumed in the ammonia synthesis.
  • the nitrogen can be stored in a closed refrigerant circuit recycled where there is no reactor for ammonia synthesis.
  • FIG 4 A similar schematic diagram of an energy system 1 according to a fourth example of the invention is shown, in which the additional components of the two previous examples are combined.
  • both a carbon-based synthesis in the synthesis reactor 71 and a nitrogen-based synthesis in the synthesis reactor 72 are carried out here.
  • the electrolytically produced oxygen O 2 is sequentially cooled using two successive heat exchangers 21a and 21b and liquefied in the second heat exchanger 21b.
  • Carbon dioxide CO 2 recovered from the combustion serves as a further process medium of the first heat exchanger 21a, and liquid nitrogen N 2 is introduced as a further process medium into the second heat exchanger. Both substances are used as reactants in the respective synthesis reactors after passing through the respective heat exchanger.
  • the illustrated energy systems can optionally include further components, for example, additional cooling or heating devices, compressors, condensation stages, dehumidification stages, and/or purification stages.
  • the recovered carbon dioxide can be freed from impurities that would interfere with the synthesis reactor 71, such as oxygen and sulfur.
  • the nitrogen evaporated in heat exchanger 21b can be freed from impurities that would interfere with the synthesis reactor 72, such as sulfur, carbon monoxide, and carbon dioxide.
  • the electrolytically produced gases oxygen and hydrogen can each first pass through a mist eliminator for dehumidification.
  • These mist eliminators can each be connected to a cooling water circuit, which can also be used, in particular, to cool the synthesis reactors.
  • the cooling water can, for example, have a temperature of a few degrees above freezing.
  • the cold from this cooling water circuit can also be coupled into a building cooling system and relieve the load on a conventional air conditioning system with a compressor.
  • the energy system can additionally include a heat pump (not shown here) or another heating device with which certain components can be heated for operation, for example, the optionally present reactor for the catalytic reaction of residual oxygen with hydrogen before the hydrogen is fed into the ammonia synthesis.
  • the electrolyzer 10, the internal combustion engine 40, and/or one of the synthesis reactors 71, 72 can serve as the heat reservoir, as thermal energy is released during operation, so that heat removal is expedient here.
  • Cryogenic gas streams can generally also be used for other purposes, e.g. to freeze water from oxygen or carbon dioxide before they are liquefied or to provide cooling capacity for a consumer, e.g. for building cooling.

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Abstract

Es wird ein Energiesystem (1) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher angegeben, umfassend:
- einen Elektrolyseur (10) zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) unter Einsatz von elektrischer Energie (E),
- einen Sauerstoffspeicher (31) zur Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs (O2) in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur,
- eine Verbrennungskraftmaschine (40) und einen mittels der Verbrennungskraftmaschine (40) angetriebenen Generator (41) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung durch Verbrennung eines Brennstoffs (F) in einem Oxyfuel-Verfahren, bei welchem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff (O2) eingesetzt wird, sowie
- wenigstens einen Wärmetauscher (21,22) zur Übertragung von thermischer Energie zwischen dem elektrolytisch erzeugten Sauerstoff (O2) und wenigstens einem anderen Prozessmedium (PM), wobei der Wärmetauscher (21,22) dazu ausgelegt ist, wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur von -35 °C oder weniger betrieben zu werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher, wobei das Energiesystem einen Elektrolyseur, einen Sauerstoffspeicher und eine Verbrennungskraftmaschine umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung.
  • Aus dem Stand der Technik sind Energiesysteme bekannt, bei denen Wasser elektrolytisch in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird, wobei die Elektrolyse-Produkte im Anschluss dazu verwendet werden, elektrische Energie, Wärmeenergie und/oder chemische Syntheseprodukte zu gewinnen. Mit solchen Energiesystemen kann z.B. die aus erneuerbaren Energiequellen zur Verfügung stehende elektrische Energie aufgenommen werden und in anderer Form (insbesondere chemisch) gespeichert werden, um bei entsprechendem Bedarf zu einer anderen Zeit in der gewünschten Form zur Verfügung gestellt zu werden, vor allem in Form von elektrischer Energie. Solche Energiesysteme sind daher besonders nützlich, um Fluktuationen in der bereitgestellten elektrischen Leistung in einem Stromnetz aufgrund der fluktuierenden Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien auszugleichen bzw. an das Bedarfsprofil für die von den Verbrauchern aufzunehmende elektrische Leistung anzupassen. Ein solches Energiesystem wird beispielsweise in der Veröffentlichung mit dem Titel "Simulation Based Techno-Economic Evaluation of Self-sufficient Microgrid Systems with Renewable Energy and Power-to-X" von Z. Zhang et al. in P. Schossig et al. (Eds.): IRES 2022, AHE 16, pp. 551-562, 2023 beschrieben. Aufgrund der Trägheit von großen Kraftwerks-Anlagen wird bei dem Ausgleich von Fluktuationen der verfügbaren elektrischen Leistung zunehmend auf eine dezentrale Energiespeicherung gesetzt, d.h. auf eine Vielzahl von verbrauchernahen Energiesystemen, in denen jeweils genügend Energie umgesetzt und zwischengespeichert werden kann, um einen kleineren Unterzweig des Stromnetzes elektrisch zu versorgen. Diese Versorgung soll insbesondere für die typischen Zeitspannen ausreichend sein, in denen wenig elektrische Leistung aus erneuerbaren Energiequellen direkt zur Verfügung steht. Solche dezentralen Energiesysteme werden in der Fachwelt auch als Microgrid-Systeme bezeichnet, wenn sie der Versorgung von lokal abgegrenzten oder zumindest lokal abgrenzbaren Stromnetzen dienen - den sogenannten Microgrids. Die beschriebene dezentrale Zwischenspeicherung kann aber nicht nur in echten Inselnetzen zum Einsatz kommen (also Microgrids im sogenannten "island mode", ohne direkten Anschluss zu einem übergeordneten Verbundnetz), sondern auch in lokalen Teilnetzen innerhalb von ausgedehnteren Verbundnetzen (also Microgrids, die im sogenannten "grid-connected mode" betrieben werden, mit einer elektrischen Verbindung zum Verbundnetz) .
  • Eine Schwierigkeit bei solchen Energiesystemen besteht allgemein darin, sowohl eine hohe Effizienz bei der Umwandlung der einzelnen Energieformen zu erreichen als auch die Zwischenspeicherung von ausreichend großen Energiemengen zu ermöglichen, um auftretende Fluktuationen auszugleichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Energiesystem bereitzustellen, welches diese beiden Anforderungen gleichzeitig erfüllt. Dieses Energiesystem soll insbesondere auf möglichst kleinem Raum realisierbar sein, damit die Speicherung innerhalb von kleinen, lokalen Teilnetzen oder Inselnetzen ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Energiesystem und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Energiesystem ist zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher ausgebildet. Es umfasst:
    • einen Elektrolyseur zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff unter Einsatz von elektrischer Energie,
    • einen Sauerstoffspeicher zur Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur,
    • eine Verbrennungskraftmaschine und einen mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Generator zur Bereitstellung von elektrischer Leistung durch Verbrennung eines Brennstoffs in einem Oxyfuel-Verfahren, bei welchem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff eingesetzt wird, sowie
    • wenigstens einen Wärmetauscher zur Übertragung von thermischer Energie zwischen dem elektrolytisch erzeugten Sauerstoff und wenigstens einem anderen Prozessmedium, wobei der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur von -35 °C
    oder weniger betrieben zu werden.
  • In diesem Energiesystem kann der Elektrolyseur vorteilhaft dann betrieben werden, wenn elektrische Energie besonders preiswert ist und/oder wenn sie im Überschuss vorliegt, z.B. wenn gerade viel elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik oder Windkraft zur Verfügung steht bzw. wenn der Verbrauch gerade besonders gering ist. Von den gebildeten Elektrolyseprodukten soll zumindest der Sauerstoff zwischengespeichert werden, um eine Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt zu ermöglichen. Gemäß der Erfindung geschieht dies in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur soll hier allgemein eine Temperatur von -182 °C oder weniger verstanden werden. Bei einer solchen Temperatur liegt Sauerstoff bei Normaldruck in verflüssigter Form vor.
  • Die Verbrennungskraftmaschine ist mit dem Generator gekoppelt, um zusammen mit diesem durch Verbrennung eines Brennstoffs elektrische Leistung bereitzustellen. Die Verbrennung des Brennstoffs soll dabei in einem sogenannten Oxyfuel-Verfahren erfolgen. Unter einem Oxyfuel-Verfahren soll dabei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung allgemein ein Verbrennungsverfahren verstanden werden, bei dem ein Brennstoff zusammen mit einem Oxidationsgas zur Verbrennung gebracht wird, wobei das Oxidationsgas einen Sauerstoffanteil von wenigstens 15 % aufweist und einen Stickstoffanteil von höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 1 %, besonders bevorzugt höchstens 0,1 %. Insbesondere kann das Oxidationsgas im Wesentlichen frei von Stickstoff sein. Der Sauerstoffanteil kann vorteilhaft noch wesentlich höher sein, z.B. wenigstens 21 % oder sogar wenigstens 25 % betragen oder sogar über 30 %. Es soll jedenfalls im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen sein, dass neben Sauerstoff auch noch ein oder mehrere andere Stoffe im Oxidationsgas vorliegen, insbesondere Kohlenstoffdioxid. Auch andere Inertgase wie z.B. Edelgase dürfen prinzipiell in geringen Anteilen vorhanden sein, beispielsweise jeweils im Bereich von bis zu 1 %.
  • Insbesondere kann das Oxidationsgas im Wesentlichen eine Mischung von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid sein. Durch die Abwesenheit von Stickstoff (abgesehen von minimalen Verunreinigungen) wird durch diese Art von Verbrennungsverfahren erreicht, dass auch das bei der Verbrennung gebildete Rauchgas einen geringen Stickstoffanteil aufweist oder sogar im Wesentlichen frei von Stickstoff ist (zumindest dann, wenn auch der verwendete Brennstoff im Wesentlichen frei von Stickstoff ist). Hierdurch kann z.B. auf die Verwendung eines Katalysators zur Rauchgasnachbehandlung verzichtet werden, da bei der Verbrennung im Wesentlichen keine Stickoxide gebildet werden. Durch den vergleichsweise hohen Sauerstoffgehalt beim Oxyfuel-Verfahren können im Vergleich zur Verbrennung mit Luft hohe Flammentemperaturen erreicht werden. Wenn das Oxidationsgas reiner Sauerstoff oder eine Mischung aus Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid ist, ist das Oxyfuel-Verfahren besonders geeignet, um nach der Verbrennung das im Rauchgas enthaltene Kohlenstoffdioxid zurückzugewinnen, da in diesem Fall das Rauchgas im Wesentlichen eine Mischung aus Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf ist (gegebenenfalls mit einem Anteil an unreagiertem Sauerstoff, der bei der Verbrennung im Überschuss vorliegt, um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten). Insbesondere sind im Rauchgas nur geringe Mengen an sonstigen Gasen (sogenannten Fremdgasen) wie Stickstoff oder Argon enthalten. Dies erleichtert die Rückgewinnung und Rückführung des im Rauchgas enthaltenen Kohlenstoffdioxids in die Prozesse des Energiesystems, da dann insbesondere keine Trennung von Kohlenstoffdioxid und Stickstoff erforderlich ist.
  • Mit dem an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generator kann elektrische Leistung für einen oder mehrere Verbraucher bereitgestellt werden. Vorteilhaft können die Verbrennungskraftmaschine und der Generator vor allem dann betrieben werden, wenn vergleichsweise wenig elektrische Energie verfügbar ist. Dabei wird für das Oxyfuel-Verfahren der Sauerstoff eingesetzt, der vorher bei einem Überschuss von elektrischer Energie elektrolytisch erzeugt wurde und in flüssiger Form zwischengespeichert wurde.
  • Der Wärmetauscher dient dazu, den elektrolytisch erzeugten Sauerstoff entweder zu erwärmen oder zu kühlen und dabei ein anderes Prozessmedium des Energiesystems zu kühlen bzw. zu erwärmen. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Wärmetauscher, der zur indirekten Wärmeübertragung zwischen zwei räumlich getrennten Stoffströmen ausgebildet ist. Der Wärmetauscher soll dabei wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur betrieben werden, insbesondere wird dabei der zu erwärmende Sauerstoff von einer tiefkalten Temperatur auf eine höhere Temperatur erwärmt oder der zu kühlende Sauerstoff wird auf eine tiefkalte Temperatur gekühlt. Unter einer tiefkalten Temperatur soll dabei allgemein eine Temperatur von -35 °C oder weniger verstanden werden. Besonders vorteilhaft kann die Temperatur im relevanten Teilbereich des Wärmetauschers sogar unterhalb von -50 °C liegen, und insbesondere kann es sich sogar um eine kryogene Temperatur handeln, bei der Sauerstoff in verflüssigter Form vorliegt. Durch den Einsatz eines solchen Wärmetauschers bei der Erwärmung und/oder der Kühlung des zwischengespeicherten Sauerstoffs wird erreicht, dass die Speicherung in verflüssigter Form bei einer insgesamt vergleichsweise hohen Energieeffizienz erfolgen kann. Wenn Sauerstoff im Wesentlichen durch adiabatische Verdichtung mit einem Kompressor verflüssigt wird, wird sehr viel Energie für den Betrieb des Kompressors benötigt. Die Verflüssigung ist energetisch wesentlich effizienter, wenn ein ohnehin beim Betrieb des Energiesystems in kryogener Form vorliegendes Prozessmedium genutzt werden kann, um den Sauerstoff abzukühlen und die Verflüssigung dadurch zumindest zu unterstützen. Alternativ oder zusätzlich kann der bei der Zwischenspeicherung in flüssiger Form vorliegende Sauerstoff genutzt werden, um ein anderes Prozessmedium abzukühlen und insbesondere dessen Verflüssigung zumindest zu unterstützen. Auf diese Weise kann die "Kälte" des Sauerstoffs bzw. des anderen Prozessmediums als Ressource im Energiesystem weitergenutzt werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Energiesystems liegt somit darin, dass der elektrolytisch gebildete Sauerstoff auf energieeffiziente Weise kryogen zwischengespeichert werden kann. Die Speicherung von Sauerstoff in verflüssigter Form ist vor allem wegen des wesentlichen geringeren Platzbedarfs für den Speicher vorteilhaft, denn für den flüssigen Sauerstoff ist ein wesentlich geringeres Speichervolumen erforderlich als für einen Druckspeicher bei Umgebungstemperatur. Außerdem wird für die Herstellung des Speichers auch wesentlich weniger Material benötigt für als einen Druckspeicher. Aufgrund der Explosionsgefahr ist der Druck eines solchen warmen Sauerstoffspeichers typischerweise auf 300 bar begrenzt, was das benötigte Speichervolumen im Vergleich zu anderen Gasen noch erhöht. Der Vorteil des geringeren Speichervolumens kommt bei kleineren, dezentralen Energiesystemen besonders zum Tragen, weil hier typischerweise wenig Platz zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil der kryogenen Zwischenspeicherung des Sauerstoffs ist auch in der Verringerung der Explosionsgefahr zu sehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher. Es umfasst die folgenden Schritte:
    1. a) elektrolytische Zerlegung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff unter Einsatz von elektrischer Energie,
    2. b) Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur,
    3. c) Verbrennung eines Brennstoffs in einem Oxyfuel-Verfahren, bei welchem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff eingesetzt wird, innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine und Bereitstellung von elektrischer Leistung mittels eines an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators.
  • Dabei wird mit einem Wärmetauscher thermische Energie zwischen dem elektrolytisch erzeugten Sauerstoff und wenigstens einem anderen Prozessmedium übertragen, wobei der Wärmetauscher wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur von -35 °C oder weniger betrieben wird. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Energiesystems. Das Verfahren wird insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem durchgeführt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Energiesystems auch bei dem Verfahren realisiert werden, und umgekehrt.
  • So kann das Energiesystem allgemein vorteilhaft eine Mehrzahl von Wärmetauschern umfassen, wobei insbesondere wenigstens ein Wärmetauscher zur Kühlung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs auf eine tiefkalte Temperatur ausgestaltet ist und wenigstens ein weiterer Wärmetauscher zur Erwärmung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs von einer tiefkalten Temperatur auf eine höhere Temperatur ausgestaltet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird eine besonders hohe Energieeffizienz erreicht, da sowohl beim Abkühlen des Sauerstoffs zur Verfügung stehende Kälte aus einem anderen Prozessmedium genutzt werden kann als auch beim Erwärmen des Sauerstoffs vor der Verwendung im Oxyfuel-Verfahren die darin vorliegende Kälte für die Kühlung eines anderen Prozessmediums genutzt werden kann. Prinzipiell können für die Erwärmung und/oder für die Abkühlung des Sauerstoffs jeweils auch mehrere Wärmetauscher vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann im jeweiligen Pfad auch ein mehrstufiger Wärmetauscher vorgesehen sein.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens einer der vorliegenden Wärmetauscher dazu ausgebildet sein, wenigstens in einem Teilbereich von einer kryogenen Flüssigkeit durchströmt zu werden, insbesondere von dem elektrolytisch erzeugtem flüssigen Sauerstoff. Mit anderen Worten ist der Wärmetauscher dazu ausgelegt, zumindest im genannten Teilbereich bei einer kryogenen Temperatur betrieben zu werden. Besonders vorteilhaft kann beim Betrieb des Energiesystems gasförmiger Sauerstoff bei seiner Abkühlung innerhalb eines Wärmetauschers kondensieren, wobei insbesondere das jeweilige andere Prozessmedium bei seiner Erwärmung verdampfen kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein anderes Prozessmedium bei seiner Abkühlung innerhalb eines Wärmetauschers kondensieren, wobei insbesondere der flüssige Sauerstoff bei seiner Erwärmung verdampfen kann. Auf diese Weise kann die Verflüssigung von Sauerstoff bzw. des anderen Prozessmediums besonders energieeffizient durchgeführt werden.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist wenigstens einer der vorliegenden Wärmetauscher zur Kühlung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs auf eine tiefkalte Temperatur ausgestaltet. Dabei ist das zu erwärmende Prozessmedium insbesondere entweder flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlenstoffdioxid. Flüssiger Stickstoff ist ein besonders leicht handhabbares und relativ kostengünstig verfügbares Kryogen, dessen Kälte zur Verflüssigung von Sauerstoff genutzt werden kann. Der beim Wärmetausch verdampfte Stickstoff kann innerhalb des Energiesystems optional für andere Zwecke genutzt werden, beispielsweise zur Synthese von Ammoniak zusammen mit dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff. Auch Kohlenstoffdioxid ist vergleichsweise einfach handhabbar und liegt beispielsweise bei einem Druck leicht oberhalb von 5,2 bar in flüssiger Form vor, beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen -56 °C und -20 °C. Ein derart kaltes Temperaturniveau kann zumindest zur Vorkühlung von Sauerstoff bei der Verflüssigung genutzt werden. Kohlenstoffdioxid kann in dem Energiesystem ohnehin als Prozessgas vorliegen und insbesondere aus dem Verbrennungsprozess rückgewonnen werden. Es kann vor seiner Weiterverwendung zumindest teilweise platzsparend in verflüssigter Form gespeichert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer zweiten Ausführungsvariante wenigstens einer der Wärmetauscher zur Erwärmung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs von einer tiefkalten Temperatur ausgestaltet sein. Dabei kann das zu kühlende Prozessmedium insbesondere Kohlenstoffdioxid sein. Das Kohlenstoffdioxid kann dabei vorteilhaft verflüssigt werden. Auch hier kann es sich insbesondere um aus der Verbrennung rückgewonnenes Kohlenstoffdioxid handeln, welches vor seiner Weiterverwendung platzsparend in verflüssigter Form gespeichert wird, wobei zur Unterstützung der Verflüssigung die Kälte des kryogenen Sauerstoffs genutzt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens einer der vorhandenen Wärmetauscher mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt sein. Unter dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" wird hier gemäß der Industrienorm ASTM F2792 allgemein ein Prozess verstanden, bei dem Material sequentiell aufgetragen wird und jeweils mit vorhergehenden Materialbereichen so verbunden wird, dass ein dreidimensionaler Formkörper nach einem vordefinierten dreidimensionalen geometrischen Modell erzeugt werden kann. Dies steht im Gegensatz zu den herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren, bei denen ein dreidimensionaler Formkörper durch Entfernung von Material aus einem Rohling (beispielsweise durch Fräsen, Schleifen und/oder Bohren) erhalten wird. Ein Vorteil eines solchen additiv hergestellten Wärmetauschers ist, dass dabei auch feine und komplexe Strukturen im thermischen Wechselwirkungsbereich der beiden Stoffströme ermöglicht werden. Somit kann ein besonders effektiver Wärmeübergang bewirkt werden. Allgemein und unabhängig von dem verwendeten Herstellungsverfahren kann es sich bei wenigstens einem der vorhandenen Wärmetauscher um einen Gegenstrom-Wärmetauscher handeln. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens einer der Wärmetauscher als mehrstufiger Wärmetauscher ausgestaltet ist.
  • Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführung kann es sich bei dem Energiesystem um ein multimodales Energiesystem handeln. Hierunter soll ein Energiesystem verstanden werden, welches neben der Bereitstellung von elektrischer Leistung zusätzlich zur Bereitstellung chemischer Stoffe und/oder von Wärmeleistung und/oder Kühlleistung dient. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante eines solchen multimodalen Energiesystems umfasst dieses wenigstens einen Synthesereaktor zur Erzeugung wenigstens eines Syntheseprodukts aus dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff und wenigstens einem weiteren Edukt. Das Syntheseprodukt kann beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Produkt sein. Auch ein solcher optional vorhandener Synthesereaktor kann bevorzugt mit einem additiven Herstellungsverfahren gefertigt sein, was wiederum Vorteile in Bezug auf feine und komplexe innenliegende Strukturen zur Führung der beteiligten Stoffströme mit sich bringt.
  • Besonders vorteilhaft kann der Synthesereaktor bei dieser Ausführungsvariante zur Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid ausgelegt sein. Mit anderen Worten kommt Kohlenstoffdioxid dann als weiteres Edukt zum Einsatz, wobei prinzipiell zusätzliche weitere Edukte nicht ausgeschlossen sein sollen. Ganz besonders bevorzugt kann der Synthesereaktor zur Bildung eines kohlenstoffbasierten synthetischen Kraftstoffs ausgebildet sein. Ein solcher synthetischer Kraftstoff wird allgemein auch als E-Fuel bezeichnet. Er kann eine oder mehrere Verbindungen der allgemeinen Summenformel CnHmOz umfassen, wobei n und m bevorzugt 1 oder größer ist und z insbesondere auch 0 sein kann oder einen Wert von 1 oder mehr annehmen kann. Der synthetische Kraftstoff kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Verbindungen umfassen:
    • Methan, Ethan, Propan, Butan oder ein anderer gesättigter Kohlenwasserstoff,
    • Methanol oder ein anderer Alkohol,
    • Diemethylether oder ein anderer Ether,
    • Oligomethylether oder andere Polyether
    • Ethylen, Propylen oder ein anderer ungesättigter Kohlenwasserstoff,
    • sogenannte Fischer-Tropsch-Produkte wie aliphatische lineare Kohlenwasserstoffe mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen.
  • Ein solcher synthetischer Kraftstoff kann beispielsweise (ganz oder teilweise) in Schritt c) als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine in dem Oxyfuel-Verfahren eingesetzt werden. Alternativ kann im Synthesereaktor jedoch auch ein vergleichsweise hochwertiges Syntheseprodukt hergestellt werden (z.B. als Rohstoff für die chemische Industrie), so dass die Verbrennung unwirtschaftlich wäre und stattdessen ein anderer Brennstoff in Schritt c) verwendet wird. Auch Kombinationen dieser beiden Varianten können zum Einsatz kommen, z.B. wenn die Verfügbarkeit von Brennstoffen aus anderen Quellen schwankend ist und/oder die hergestellte Menge des Syntheseprodukts den anderweitigen Bedarf zeitweilig übersteigt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen kohlenstoffbasierten Synthesestufe kann das Energiesystem einen Synthesereaktor umfassen, welcher zur Bildung von Ammoniak durch Umsetzung von Wasserstoff mit Stickstoff als weiterem Edukt ausgelegt ist. Diese Variante ist besonders vorteilhaft in Kombination mit der Verwendung von flüssigem Stickstoff als kryogenem Kühlmittel, weil dann der zur Kühlung eingesetzte Stickstoff nach seiner Verdampfung als Edukt für die Synthese verwendet werden kann. Durch diese Doppelnutzung wird wiederum der Gesamtprozess besonders ressourceneffizient. Das Syntheseprodukt Ammoniak kann in der chemischen Industrie als Rohstoff für die Produktion anderer Stickstoffverbindungen eingesetzt werden oder als Düngemittel in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Alternativ kann auch Ammoniak als synthetischer Kraftstoff eingesetzt werden. Auch das Syntheseprodukt Ammoniak kann in verflüssigter Form gespeichert werden, wobei bei der Verflüssigung des Ammoniaks und/oder bei der Kühlung seiner Edukte ein zusätzlicher Wärmetauscher zum Einsatz kommen kann. Insbesondere kann dieser zusätzliche Wärmetauscher zur Kühlung von Ammoniak und/oder seiner Edukte bei gleichzeitiger Erwärmung von reinem Stickstoff und/oder Kohlenstoffdioxid ausgelegt sein. Alternativ zu der Verwendung zur Ammoniak-Synthese kann der gasförmige Stickstoff, der aus der Verdampfung des im Wärmetauscher eingesetzten flüssigen Stickstoffs gebildet wird, auch als Kältemittel recycelt werden und entsprechend mittels eines Hochdruckverdichters verflüssigt und dem Kreislauf zurückgeführt werden. Es ist auch eine Kombination beider Varianten denkbar, wobei der Anteil der jeweiligen Verwendung in Abhängigkeit von den verfügbaren Ressourcen eingestellt werden kann.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante des multimodalen Energiesystems kann die Verbrennungskraftmaschine eine Kraft-Wärme-gekoppelte Maschine sein, mit welcher zusätzlich zum Antreiben des Generators Wärmeleistung für einen Verbraucher bereitstellbar ist. Mit anderen Worten wird die thermische Energie der Verbrennung ähnlich wie bei einem Heizkraftwerk genutzt und als Wärmeleistung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Dies kann gegebenenfalls zusätzlich zu der Bereitstellung von einem oder mehreren Syntheseprodukten erfolgen, so dass das Energiesystem dann insgesamt drei verschiedene Arten von Output erzeugt: elektrische Leistung, Wärmeleistung und ein oder mehrere Syntheseprodukte.
  • Bei der Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine können prinzipiell unterschiedliche Brennstoffe zum Einsatz kommen: Dies kann entweder der bereits erwähnte synthetische Kraftstoff sein oder ein anderer Brennstoff wie z.B. ein fossiler Brennstoff wie Erdgas oder Butan-Propan-Flüssiggas (LPG Liquefied Petroleum Gas) oder Diesel oder Heizöl oder auch ein anderer erneuerbarer Brennstoff wie z.B. ein brennbares Biogas aus einer Biogasanlage. Der Brennstoff kann auch ein Synthesegas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff H2, Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenstoffdioxid CO2 aus der thermochemischen Umwandlung (insbesondere einer Vergasungsreaktion, englisch "gasification") eines heizwerthaltigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes mit einer summarischen Zusammensetzung CXHyOzNuSiv mit reinem Sauerstoff O2 und Wasserdampf H2O sein. Bei der Anwendung des Oxyfuel-Verfahrens mit einem (im Vergleich zu Luft) erhöhten Sauerstoff-Gehalt können vorteilhaft auch Brennstoffe mit niedrigem Energiegehalt zum Einsatz kommen, z.B. ein sogenanntes Schwachgas mit einem Heizwert von 7100 kJ/Nm3 oder weniger.
  • Allgemein besonders vorteilhat kann die Verbrennungskraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid aus dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas in Verbindung stehen. Mit anderen Worten kann bei dem Verfahren eine Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid erfolgen, wobei dieses rückgewonnene Kohlenstoffdioxid insbesondere nach einem Wärmetausch mit tiefkaltem Sauerstoff in verflüssigter Form zwischengespeichert werden kann. Das verflüssigte Kohlenstoffdioxid kann insbesondere nach seiner Erwärmung (wiederum vorteilhaft unter Wärmetausch mit Sauerstoff und/oder einem anderen Prozessmedium) einem Synthesereaktor als Edukt für die kohlenstoffbasierte Synthese zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das rückgewonnene Kohlenstoffdioxid auch in die Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden, wobei eine kryogene Speicherung für diesen Anteil im Allgemeinen nicht notwendig ist. Dies liegt daran, dass diese Art der Wiederverwendung im selben Betriebsmodus erfolgen kann wie die Gewinnung des Kohlenstoffdioxids, nämlich während des Verbrennungsprozesses. Allgemein und unabhängig von der Art der Wiederverwendung kann das Kohlenstoffdioxid nahezu vollständig aus dem gebildeten Rauchgas zurückgewonnen werden.
  • Besonders vorteilhaft kann bei dieser Ausführungsform die Verbrennungskraftmaschine zur Verbrennung des Brennstoffs mit einem Gemisch aus elektrolytisch erzeugtem Sauerstoff und aus dem Rauchgas rückgewonnenen Kohlenstoffdioxid ausgelegt sein. Mit anderen Worten wird für die Verbrennung ein Oxidationsgas eingesetzt, welches überwiegend oder sogar im Wesentlichen aus Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid besteht. Vorteilhaft können die Anteile von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid bei einem solchen Gemisch an die jeweils aktuellen Randbedingungen des Verbrennungsprozesses angepasst werden. So kann z.B. die Verbrennungstemperatur durch Änderung des Mischungsverhältnisses geregelt werden. Auch bei einer Änderung der Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs kann eine entsprechende Anpassung der Zusammensetzung des Oxidationsgases erfolgen, z.B. um eine vorgegebene Verbrennungstemperatur auch bei Schwankungen in der Brennstoff-Zusammensetzung aufrechtzuerhalten.
  • Aufgrund des vergleichsweise hohen Sauerstoff-Gehalts im Oxidationsgas und der über das Mischungsverhältnis regelbaren Verbrennungstemperatur kann auch die Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und/oder von anderen flüchtigen organischen Verbindungen bei der Verbrennung vorteilhaft gering gehalten werden. Aufgrund des dosierbaren Sauerstoff-Gehalts in dem Oxidationsgas kann auch vorteilhaft auf einen Abgas-Turbolader verzichtet werden, da anstelle einer Druckerhöhung (oder zusätzlich dazu) eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in dem Gemisch erfolgen kann. Wenn auf einen Abgasturbolader verzichtet wird, steht wiederum das Rauchgas bei einem vergleichsweise höheren Druck zur Verfügung. Dies kann sich günstig auf die Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid auswirken, vor allem weil dann keine so starke Verdichtung für die Verflüssigung des rückgewonnenen Kohlenstoffdioxids nötig ist. Allgemein kann die Verbrennungskraftmaschine auch ohne einen Abgas-Turbolader bei einem vergleichsweise hohen Ladedruck betrieben werden, da der aus der flüssigen Form verdampfte Sauerstoff bei einem relativ hohen Druck zur Verfügung steht und der kohlenstoffdioxidhaltige Abgasstrom ebenfalls einen hohen Restdruck hat.
  • Bevorzugt ist das Oxidationsgas bei der Verwendung von rückgewonnenem Kohlenstoffdioxid im Wesentlichen frei von Stickstoff. Insgesamt kann dabei die Verbrennungskraftmaschine zur stickstofffreien Verbrennung des Brennstoffs ausgelegt sein. Mit anderen Worten kann auch der verwendete Brennstoff im Wesentlichen frei von Stickstoff sein. Dann werden bei der Verbrennung keine Stickoxide gebildet, und es kann auf einen Katalysator verzichtet werden.
  • Weiterhin ist es im Zusammenhang mit der Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid vorteilhaft, wenn sowohl im Brennstoff als auch in der Zufuhr von elektrolytisch erzeugtem Sauerstoff nur geringe Mengen von anderen Inertgasen, insbesondere von Edelgasen, als Verunreinigung vorliegen. Beispielsweise kann der Stoffmengenanteil der Edelgase jeweils im Bereich unterhalb von 1 % und bevorzugt sogar unterhalb von 0,1 % liegen, um eine allmähliche Anreicherung dieser Stoffe innerhalb des geschlossenen Kohlenstoffdioxid-Kreislaufs zu vermeiden.
  • Allgemein vorteilhaft ist das Energiesystem zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus umschaltbar. Dabei dient der erste Betriebsmodus dazu,
    1. a) Wasser mittels des Elektrolyseurs unter Einsatz von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen,
    2. b) und Sauerstoff in verflüssigter Form im Sauerstoffspeicher zu speichern.
      Demgegenüber dient der zweite Betriebsmodus dazu,
    3. c) Brennstoff in der Verbrennungskraftmaschine im Oxyfuel-Verfahren zu verbrennen, wobei der Generator von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird und mit dem Generator elektrische Leistung bereitgestellt wird und elektrolytisch erzeugter Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher verbraucht wird.
  • Mit anderen Worten werden im ersten Betriebsmodus zumindest die Schritte a) und b) des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt und im zweiten Betriebsmodus wird zumindest Schritt c) des Verfahrens durchgeführt. Zweckmäßig kommt der erste Betriebsmodus vor allem dann zum Einsatz, wenn viel elektrische Energie zur Verfügung steht und von den Verbrauchern vergleichsweise wenig elektrische Leistung abgerufen wird. Dann kann zumindest der Sauerstoff als Produkt der Elektrolyse für die spätere Verwendung in verflüssigter Form zwischengespeichert werden. In diesem ersten Betriebsmodus kann zweckmäßig auch der optional vorhandene Synthesereaktor betrieben werden, so dass ein oder mehrere Syntheseprodukte ebenfalls gespeichert werden können. Alternativ kann der elektrolytisch gebildete Wasserstoff aber auch gespeichert werden. Entsprechend kommt der zweite Betriebsmodus vor allem dann zum Einsatz, wenn wenig elektrische Energie zur Verfügung steht und von den Verbrauchern vergleichsweise viel elektrische Leistung abgerufen wird. In diesem zweiten Betriebsmodus kann bei den Ausführungsformen mit einer Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid aus der Verbrennung auch der optional vorhandene Speicher für flüssiges Kohlenstoffdioxid befüllt werden.
  • Ein Wärmetauscher, der zur Kühlung des Sauerstoffs bei gleichzeitiger Erwärmung eines anderen Prozessmediums ausgebildet ist, kommt dabei zweckmäßig vor allem beim ersten Betriebsmodus zum Einsatz. Ein Wärmetauscher, der zur Erwärmung des Sauerstoffs bei gleichzeitiger Kühlung eines anderen Prozessmediums ausgebildet ist, kommt entsprechend vor allem beim zweiten Betriebsmodus zum Einsatz. Wesentlich im Zusammenhang mit der Erfindung ist aber nur, dass insgesamt wenigstens ein Wärmetauscher im Stoffstrom des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs vorliegt. Die beiden beschriebenen Betriebsmodi müssen sich im Übrigen nicht unbedingt ausschließen. So sind auch Übergangsphasen denkbar, in denen z.B. die Elektrolyse und die Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs noch aktiv sind und der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine gerade hochgefahren wird oder umgekehrt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • Figur 1 eine schematische Prinzipskizze eines Energiesystems nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
    • Figur 2 ein zweites Beispiel für ein Energiesystem zeigt, welches einen Synthesereaktor umfasst,
    • Figur 3 ein drittes Beispiel für ein Energiesystem mit einem alternativen Synthesereaktor zeigt,
    • Figur 4 ein viertes Beispiel für ein Energiesystem zeigt und
    • Figuren 5 und 6 zwei verschiedene Betriebszustände des Energiesystems nach dem vierten Beispiel zeigen.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In Figur 1 ist eine schematische Prinzipskizze eines Energiesystems 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Diese Prinzipskizze ist stark vereinfacht und zeigt nur die wesentlichen Komponenten. Das Energiesystem 1 umfasst einen Elektrolyseur 10, mit welchem Wasser H2O elektrolytisch in Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 gespalten werden kann. Dies geschieht unter Aufnahme von elektrischer Energie E, welche beispielsweise aus einer erneuerbaren Energiequelle stammen kann oder in Zeitphasen kostengünstiger Strompreise aus dem Elektrizitätsnetz stammt. Das Wasser H2O kann dem Elektrolyseur 10 in deionisierter Form zugeführt werden. Der elektrolytisch gebildete Wasserstoff H2 kann auf verschiedene Weise genutzt werden. Beispielsweise kann er innerhalb des Energiesystems 1 als Edukt für eine chemische Synthese verwendet werden oder er kann in einem Wasserstoffspeicher gespeichert werden, um an einem anderen Ort weiterverwendet zu werden, z.B. als Brennstoff für eine Brennstoffzelle, oder in ein Wasserstoffnetz eingespeist werden. Der elektrolytisch gebildete Sauerstoff wird dagegen in einem Sauerstoffspeicher 31 in verflüssigter Form zwischengespeichert, um innerhalb desselben Energiesystems 1 verwendet zu werden. Hierzu wird der Sauerstoff auf eine kryogene Temperatur gekühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunkts bei Normaldruck.
  • Das Energiesystem 1 umfasst außerdem eine Verbrennungskraftmaschine 40 und einen mit ihr gekoppelten Generator 41. In der Verbrennungskraftmaschine 40 kann ein Brennstoff F verbrannt werden, welcher aus einem Brennstoffspeicher 60 zugeführt wird. Dabei kann es sich z.B. um einen flüssigen oder einen gasförmigen Brennstoff handeln. Es kann ein fossiler Brennstoff wie Erdgas oder Erdöl sein oder auch ein Brennstoff aus erneuerbaren Quellen wie z.B. Biogas oder ein synthetischer Brennstoff. Der Brennstoff kann auch ein Synthesegas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff H2, Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenstoffdioxid CO2 aus der thermochemischen Umwandlung (insbesondere einer Vergasungsreaktion, englisch "gasification") eines heizwerthaltigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes mit einer summarischen Zusammensetzung CXHyOzNuSiv mit reinem Sauerstoff O2 und Wasserdampf H2O sein. Der Brennstoff F kann allgemein insbesondere kohlenstoffhaltig sein. Der Generator 41 ist über die Verbrennungskraftmaschine 40 antreibbar, so dass bei der Verbrennung des Brennstoffs über den Generator 41 elektrische Leistung für einen Verbraucher bereitgestellt werden kann. Es wird also in diesem Teil des Energiesystems die chemische Energie des Brennstoffs F in elektrische Energie E umgewandelt. Die Verbrennung innerhalb der Verbrennungskraftmaschine 40 wird nach dem Oxyfuel-Verfahren durchgeführt, so dass als Oxidationsgas OG ein Gas mit einem besonders hohen Sauerstoffgehalt zum Einsatz kommt. Der Sauerstoff O2 für dieses Oxidationsgas wird dabei (zumindest teilweise) dem beschriebenen kryogenen Sauerstoffspeicher 31 entnommen, es handelt sich also um elektrolytisch gewonnenen Sauerstoff. Durch den unbeschrifteten Pfeil im rechten Teil der Abbildung soll angedeutet sein, dass dem Oxidationsgas OG neben diesem Sauerstoff O2 noch ein weiterer Bestandteil beigemischt sein kann, insbesondere Kohlenstoffdioxid.
  • Das erfindungsgemäße Energiesystem 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrolytisch gewonnene Sauerstoff O2 in verflüssigter Form gespeichert wird und dass bei der Abkühlung des Sauerstoffs auf eine kryogene Temperatur und/oder bei der Erwärmung des Sauerstoffs von der kryogenen Temperatur ein Wärmetauscher zum Einsatz kommt. Rein exemplarisch sind in Figur 1 zwei solche Wärmetauscher 21 und 22 gezeigt, nämlich ein erster 21 im Pfad der Sauerstoff-Abkühlung und ein zweiter 22 im Pfad der Sauerstoff-Erwärmung. Zur Realisierung der Erfindung ist es jedoch allgemein ausreichend, wenn nur in einem dieser beiden Pfade ein Wärmetauscher zum Einsatz kommt.
  • Der Wärmetauscher 21 wird zum einen von ursprünglich warmem Sauerstoff O2 und zum anderen von einem weiteren Prozessmedium PM durchströmt, welches ursprünglich kälter ist als der einströmende warme Sauerstoff. Es kann sich also insbesondere um ein fluides (also flüssiges und/oder gasförmiges) Prozessmedium PM handeln, welches vorteilhaft eine weitere Funktion innerhalb des Energiesystems 1 erfüllt. Der Sauerstoff O2 wird auf seinem Weg durch den Wärmetauscher abgekühlt und zwar vorteilhaft auf eine tiefkalte Temperatur von -35 °C oder weniger. Es ist auch möglich, dass der Sauerstoff in diesem Wärmetauscher 21 auf eine kryogene Temperatur unterhalb seines Siedepunkts abgekühlt wird und somit bereits im Wärmetauscher 21 kondensiert. Dies kann jedoch nur mit bestimmten kryogenen Prozessmedien und insbesondere mit flüssigem Stickstoff als Prozessmedium PM erreicht werden. Die Abkühlung des Sauerstoffs auf eine kryogene Temperatur bereits im Wärmetauscher 21 ist auch nicht zwingend erforderlich. Um eine hohe Energieeffizienz beim Betrieb des Energiesystems 1 zu erreichen, ist es ausreichend, wenn der Sauerstoff in diesem Wärmetauscher 21 auf eine tiefkalte Temperatur vorgekühlt wird und dann in einem hier nicht explizit dargestellten weiteren Schritt verflüssigt wird.
  • Der Wärmetauscher 22 wird zum einen von ursprünglich kaltem Sauerstoff O2 und zum anderen von einem weiteren Prozessmedium PM durchströmt, welches ursprünglich wärmer ist als der einströmende kalte Sauerstoff. Es kann sich auch hierbei insbesondere um ein fluides Prozessmedium handeln, welches vorteilhaft eine weitere Funktion innerhalb des Energiesystems 1 erfüllt. Der Sauerstoff O2 wird auf seinem Weg durch den Wärmetauscher von einer tiefkalten Temperatur auf eine höhere Temperatur erwärmt, wobei das ursprünglich kalte Temperaturniveau zur Kühlung des Prozessmediums PM genutzt wird. Es ist auch möglich, dass der Sauerstoff in diesem Wärmetauscher 22 von seiner verflüssigten Form verdampft. Optional kann das zu kühlende Prozessmedium darin kondensieren und insbesondere verflüssigt werden, was eine anschließende Speicherung dieses Prozessmediums erleichtert.
  • Das Energiesystem 1 gemäß Figur 1 kann in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Der erste Betriebsmodus kommt dann zum Tragen, wenn z.B. in einem übergeordneten Stromnetz viel elektrische Energie E zur Verfügung steht. Dann wird der Elektrolyseur 10 mit dieser Energie E betrieben, und der gebildete Sauerstoff wird im Sauerstoffspeicher 31 gespeichert. Bei dem ersten Betriebsmodus sind also die Komponenten in der linken Hälfte der Figur 1 aktiv. Umgekehrt kommt der zweite Betriebsmodus dann zum Tragen, wenn die von den Verbrauchern benötigte elektrische Energie das Angebot aus sonstigen Quellen übersteigt. Dann wird die Verbrennungskraftmaschine 40 betrieben, wobei der damit gekoppelte Generator 41 elektrische Leistung für die Verbraucher bereitstellt. Dies erfolgt unter Verwendung von Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher 31. Beim zweiten Betriebsmodus sind also die Komponenten in der rechten Hälfte der Figur 1 aktiv. Zumindest in einer dieser Hälften und damit auch bei einem der beiden Betriebsmodi kommt dabei ein Wärmetauscher 21 und/oder 22 im Sauerstoff-Pfad zum Einsatz.
  • In Figur 2 ist eine ähnliche Prinzipskizze eines Energiesystems 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung gezeigt. Dieses Energiesystem 1 basiert auf der grundlegenden Ausführung der Figur 1 und ist um einige optionale Komponenten erweitert. So wird der elektrolytisch gebildete Wasserstoff H2 hier einem Synthesereaktor 71 als Edukt zugeführt. Dazu kann der Wasserstoff H2 bei Bedarf mit einem Kompressor 90 verdichtet werden. Als weiteres Edukt wird dem Synthesereaktor 71 Kohlenstoffdioxid CO2 zugeführt. Es läuft also eine kohlenstoffbasiere Synthese ab, bei der das Kohlenstoffdioxid durch den Wasserstoff reduziert wird, wodurch in diesem Beispiel ein synthetischer Kraftstoff gebildet wird. Allgemein kann es sich bei dem Syntheseprodukt um eine Verbindung mit der Summenformel CnHmOz handeln bzw. das Syntheseprodukt kann ein oder mehrere Verbindungen mit einer solchen Summenformel umfassen, wobei z gegebenenfalls auch 0 sein kann. Der gebildete Kraftstoff EF kann in einem Kraftstoffspeicher 81 gespeichert werden. Das Kohlenstoffdioxid, das dem Synthesereaktor 71 zugeführt wird, wird beim Beispiel der Figur 2 aus der Verbrennung zurückgewonnen und im Anschluss daran in einem Kohlenstoffdioxidspeicher 32 gespeichert. Zur Speicherung wird das Kohlenstoffdioxid verflüssigt und dazu auf eine tiefkalte Temperatur z.B. im Bereich von etwa -50 °C gebracht. Dieses tiefkalte Kohlenstoffdioxid wird durch einen Wärmetauscher 21a geströmt und dort erwärmt, wobei der ebenfalls durch diesen Wärmetauscher 21a strömende Sauerstoff abgekühlt wird. Bei der Temperatur von flüssigem Kohlenstoffdioxid findet hier allerdings noch keine Verflüssigung des Sauerstoffs statt, sondern nur eine starke Kühlung. Die Verflüssigung auf dem weiteren Weg zum Sauerstoffspeicher 31 kann daher bei diesem Beispiel durch eine weitere und hier nicht gesondert dargestellte Vorrichtung erfolgen. Insgesamt sind auch hier beim ersten Betriebsmodus die Komponenten in der linken Hälfte der Figur 2 aktiv.
  • Beim zweiten Betriebsmodus dagegen sind die Komponenten in der rechten Hälfte der Figur aktiv, und in der Verbrennungskraftmaschine 41 wird wiederum Brennstoff 60 verbrannt. Dies kann optional (zumindest teilweise) der synthetische Kraftstoff EF sein, der im ersten Betriebsmodus aus dem Wasserstoff und dem Kohlenstoffdioxid hergestellt wurde. Alternativ kann jedoch auch ein Brennstoff F aus anderen Quellen eingesetzt werden. Das bei der Verbrennung gebildete Rauchgas RG wird hier in eine Rückgewinnungsvorrichtung 50 geleitet, in der das im Rauchgas enthaltene Kohlenstoffdioxid zurückgewonnen wird. Diese Rückgewinnungsvorrichtung 50 kann insbesondere eine Entfeuchtungsvorrichtung beinhalten, um bei der Verbrennung erzeugtes Wasser aus dem Rauchgas zu entfernen. Das rückgewonnene Kohlenstoffdioxid kann nun auf verschiedene Weise verwertet werden, wobei das Verhältnis der beiden Verwertungspfade ggf. auch während des Prozesses angepasst werden kann. So kann die Rückgewinnungsvorrichtung 50 einen Anschluss für eine kalte Teilstromentnahme umfassen, mit der vergleichsweise kaltes Kohlenstoffdioxid entnommen wird und in einem ersten Pfad mit dem in Richtung der Maschine 40 strömenden Sauerstoff gemischt wird, wodurch das der Verbrennung zugeführte Oxidationsgas OG gebildet wird. Das Mischungsverhältnis dieser beiden Komponenten im Oxidationsgas OG kann dabei wiederum an die sonstigen Randbedingungen der Verbrennung angepasst werden und insbesondere im Verlauf des Prozesses variiert werden. Z.B. kann ein Gärgas oder Synthesegas als Brennstoff F zum Einsatz kommen, bei dem bereits Kohlenstoffdioxid enthalten ist. Dieses Kohlenstoffdioxid muss aus dem Gärgas oder Synthesegas nicht entfernt werden, sondern die Menge an zusätzlich zugeführtem Kohlenstoffdioxid kann jeweils so angepasst werden, dass insgesamt die gewünschte Konzentration und z.B. die gewünschte Flammentemperatur und Leistungserzeugung bei der Verbrennung erreicht wird.
  • Für den zweiten Verwertungspfad wird das Kohlenstoffdioxid z.B. bei einem vergleichsweise höheren Temperaturniveau aus der Rückgewinnungsvorrichtung 50 entnommen und zunächst mit einem Kompressor 90 verdichtet und dann dem Wärmetauscher 22 als weiteres Prozessmedium zugeführt. In den Wärmetauscher 22 strömt dabei ursprünglich warmes Kohlenstoffdioxid und ursprünglich kalter Sauerstoff ein, wobei der Sauerstoff erwärmt und das Kohlenstoffdioxid abgekühlt wird. Der einströmende Sauerstoff kann dabei insbesondere noch verflüssigt sein oder allgemeiner gesagt bei einer tiefkalten Temperatur vorliegen. Dabei kann das Kohlenstoffdioxid aufgrund der Wärmeübertragung verflüssigt werden, was insbesondere bei einem Druck oberhalb von 5,2 bar möglich ist. Im Bereich des Auslasses für verflüssigtes Kohlenstoffdioxid kann der Wärmetauscher 22 vorteilhaft eine Entgasungsvorrichtung aufweisen, mit welcher Sauerstoff und andere leichter siedende Verunreinigungen wie z.B. auch Stickstoff und Edelgase aus dem flüssigen Kohlenstoffdioxid entfernt werden können. Das verflüssigte Kohlenstoffdioxid wird dann dem Kohlenstoffdioxidspeicher 32 zugeführt, aus dem es wie beschrieben im ersten Betriebsmodus verbraucht werden kann.
  • In Figur 3 ist eine ähnliche Prinzipskizze eines Energiesystems 1 nach einem dritten Beispiel der Erfindung gezeigt. Auch dieses Energiesystem 1 basiert auf der grundlegenden Ausführung der Figur 1 und ist um einige optionale Komponenten erweitert. Ähnlich wie beim Beispiel der Figur 2 wird auch hier Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas RG der Verbrennung zurückgewonnen und teils dem Oxidationsgas OG zugeführt und teils anderweitig verwendet. Diese anderweitige Verwendung ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, aber es kann auch hier eine Verflüssigung des Kohlenstoffdioxids im Wärmetauscher 22 stattfinden. Auch bei diesem Beispiel wird der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff H2 im ersten Betriebsmodus in einer wasserstoffbasierten Synthese verwertet. Hierzu wird der Wasserstoff einem Synthesereaktor 72 zugeführt, welcher in diesem Beispiel zur Synthese von Ammoniak NH3 ausgestaltet ist und entsprechend mit Stickstoff N2 als weiterem Edukt gespeist wird. Optional können diesem Synthesereaktor 72 weitere Komponenten vorgelagert sein, wie z.B. ein Reaktor zur katalytischen Reaktion, in dem ein Restgehalt von Sauerstoff im einströmenden Wasserstoff durch katalytische Reaktion mit Wasserstoff und Auskondensieren des gebildeten Wassers entfernt wird. Das gebildete Ammoniak NH3 wird in einem Ammoniakspeicher 82 gespeichert, dem ggf. weitere Komponenten zur Reinigung, Verdichtung und/oder Kühlung des gebildeten Ammoniaks vorgeschaltet sein können. Auch hier kann z.B. ein Wärmetauscher zum Einsatz kommen, mit welchem der Ammoniak auf eine tiefkalte Temperatur abgekühlt wird und ein weiteres Prozessmedium erwärmt wird, wodurch eine Speicherung des Ammoniaks in verflüssigter Form ohne einen zusätzlichen Kompressor ermöglicht wird.
  • Zur Abkühlung des elektrolytisch gebildeten Sauerstoffs umfasst das Energiesystem der Figur 3 einen Wärmetauscher 21b, in welchen flüssiger Stickstoff N2 aus einem Stickstoffspeicher 33 als weiteres Prozessmedium einströmt. Dabei wird der ursprünglich flüssige Stickstoff im Wärmetauscher 21b erwärmt und der ursprünglich warme Sauerstoff wird auf eine tiefkalte Temperatur abgekühlt, wodurch er optional bereits im Wärmetauscher 21b kondensieren kann. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Verflüssigung des elektrolytisch gebildeten Sauerstoffs ohne einen zusätzlichen Kompressor auf dem Weg zum Sauerstoffspeicher 31. Der eingeströmte flüssige Stickstoff N2 verdampft im Wärmetauscher und wird danach dem Synthesereaktor 72 als Edukt zugeführt, so dass sich auch für dieses Prozessmedium eine Doppelverwendung ergibt. Optional kann zumindest ein Teil des verdampften Stickstoffs wieder über einen Kompressor 90 verdichtet und als flüssiger Stickstoff erneut dem Stickstoffspeicher 33 in einem geschlossenen Kreislauf zugeführt werden. Für diesen Zweck ist der Kompressor 90 im Stickstoff-Pfad zweckmäßig als Hochdruck-Verdichter ausgestaltet, wobei das komprimierte Gas auf eine verhältnismäßig tiefe Temperatur z.B. zwischen -30 °C und -50 °C nachgekühlt wird. Im Anschluss daran findet eine Expansion statt, welche entweder adiabatisch oder ggf. über eine Expansionsturbine geführt werden kann und schließlich zur Verflüssigung des Stickstoffs führt. Diese erneute Verflüssigung kommt vor allem dann in Betracht, wenn mehr flüssiger Stickstoff im Wärmetauscher 21b benötigt wird als danach in der Ammoniaksynthese verbraucht wird. In ähnlicher Weise kann der Stickstoff bei anderen Ausführungsformen in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf recycelt werden, bei denen kein Reaktor zur Ammoniaksynthese vorliegt.
  • In Figur 4 ist eine ähnliche Prinzipskizze eines Energiesystems 1 nach einem vierten Beispiel der Erfindung gezeigt, in welchem die zusätzlichen Komponenten der beiden vorhergehenden Beispiele vereinigt sind. Zusammengefasst wird hier also sowohl eine kohlenstoffbasierte Synthese im Synthesereaktor 71 durchgeführt als auch eine stickstoffbasierte Synthese im Synthesereaktor 72. Der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff O2 wird hier mit zwei aufeinanderfolgenden Wärmetauschern 21a und 21b sequentiell heruntergekühlt und dabei im zweiten Wärmetauscher 21b verflüssigt. Dabei dient aus der Verbrennung rückgewonnenes Kohlenstoffdioxid CO2 als weiteres Prozessmedium des ersten Wärmetauschers 21a und flüssiger Stickstoff N2 wird als weiteres Prozessmedium in den zweiten Wärmetauscher eingeleitet. Beide Stoffe werden nach dem Durchlauf durch den jeweiligen Wärmetauscher in den jeweiligen Synthesereaktoren als Edukt eingesetzt. Zur besseren Übersicht ist der Stoffstrom des Kohlenstoffdioxids hier gestrichelt dargestellt. Die Rückgewinnung und weitere Verwendung des Kohlenstoffdioxids erfolgt dabei analog wie beim Beispiel der Figur 2. Zum besseren Verständnis dieses vierten Ausführungsbeispiels sind in Figur 5 nur diejenigen Komponenten dargestellt, die beim ersten Betriebsmodus aktiv sind, und in Figur 6 sind nur diejenigen Komponenten dargestellt, die beim zweiten Betriebsmodus aktiv sind.
  • Allgemein optional können die dargestellten Energiesysteme jeweils noch weitere Komponenten umfassen, beispielsweise zusätzliche Kühl- bzw. Erwärmungsvorrichtungen, Verdichter, Kondensationsstufen, Entfeuchtungsstufen und/oder Reinigungsstufen. Beispielsweise kann das rückgewonnene Kohlenstoffdioxid von Verunreinigungen befreit werden, welche im Synthesereaktor 71 stören würden, wie z.B. Sauerstoff und Schwefel. Der im Wärmetauscher 21b verdampfte Stickstoff kann von Verunreinigungen befreit werden, welche im Synthesereaktor 72 stören würden, wie z.B. Schwefel, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Weiterhin können die elektrolytisch erzeugten Gase Sauerstoff und Wasserstoff jeweils zunächst einen Tropfenabscheider zur Entfeuchtung durchlaufen. Diese Tropfenabscheider können jeweils mit einem Kühlwasserkreislauf verbunden sein, mit welchem insbesondere auch die Synthesereaktoren gekühlt werden können. Das Kühlwasser kann dafür beispielsweise eine Temperatur von wenigen Grad über dem Gefrierpunkt aufweisen. Die Kälte aus diesem Kühlwasserkreislauf kann auch in eine Gebäudekühlung eingekoppelt werden und eine konventionelle Klimaanlage mit Kompressor entlasten. Das Energiesystem kann zusätzlich eine hier nicht dargestellte Wärmepumpe oder eine andere Heizvorrichtung umfassen, mit der bestimmte Komponenten für den Betrieb erwärmt werden können, beispielsweise der optional vorhandene Reaktor zur katalytischen Reaktion von Rest-Sauerstoff mit Wasserstoff, bevor der Wasserstoff der Ammoniaksynthese zugeführt wird. Als Wärmereservoir kann dabei der Elektrolyseur 10, die Verbrennungskraftmaschine 40 und/oder einer der Synthesereaktoren 71, 72 dienen, bei deren Betrieb jeweils thermische Energie freigesetzt wird, so dass hier eine Entwärmung zweckmäßig ist. Tiefkalte Gasströme können allgemein auch weiter genutzt werden, z.B. zum Ausfrieren von Wasser aus Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid vor deren Verflüssigung oder auch zur Bereitstellung von Kühlleistung für einen Verbraucher, z.B. für eine Gebäudekühlung.
  • Die Anmelderin weist an dieser Stelle darauf hin, dass unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten personenbezogenen Begriffs stets Personen mit männlicher, weiblicher und anderer Geschlechteridentität mit umfasst sein sollen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Energiesystem
    10
    Elektrolyseur
    21
    Wärmetauscher zur Sauerstoff-Kühlung
    21a
    (erster) Wärmetauscher
    21b
    (zweiter) Wärmetauscher
    22
    Wärmetauscher zur Sauerstoff-Erwärmung
    31
    Sauerstoffspeicher
    32
    Kohlenstoffdioxidspeicher
    33
    Stickstoffspeicher
    40
    Verbrennungskraftmaschine
    41
    Generator
    50
    Rückgewinnungsvorrichtung
    60
    Brennstoffspeicher
    71
    Synthesereaktor für kohlenstoffbasierte Synthese
    72
    Synthesereaktor für stickstoffbasierte Synthese
    81
    Speicher für synthetischen Kraftstoff
    82
    Ammoniakspeicher
    90
    Kompressor
    CO2
    Kohlenstoffdioxid
    E
    elektrische Energie
    EF
    synthetischer Kraftstoff
    F
    Brennstoff
    H2O
    Wasser
    H2
    Wasserstoff
    N2
    Stickstoff
    NH3
    Ammoniak
    O2
    Sauerstoff
    OG
    Oxidationsgas
    PM
    anderes Prozessmedium
    RG
    Rauchgas

Claims (15)

  1. Energiesystem (1) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher, umfassend:
    - einen Elektrolyseur (10) zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) unter Einsatz von elektrischer Energie (E),
    - einen Sauerstoffspeicher (31) zur Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs (O2) in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur,
    - eine Verbrennungskraftmaschine (40) und einen mittels der Verbrennungskraftmaschine (40) angetriebenen Generator (41) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung durch Verbrennung eines Brennstoffs (F) in einem Oxyfuel-Verfahren, bei welchem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff (O2) eingesetzt wird, sowie
    - wenigstens einen Wärmetauscher (21,22) zur Übertragung von thermischer Energie zwischen dem elektrolytisch erzeugten Sauerstoff (O2) und wenigstens einem anderen Prozessmedium (PM), wobei der Wärmetauscher (21,22) dazu ausgelegt ist, wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur von -35 °C oder weniger betrieben zu werden.
  2. Energiesystem (1) nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens einer der vorliegenden Wärmetauscher (21,22) dazu ausgebildet ist, wenigstens in einem Teilbereich von elektrolytisch erzeugtem flüssigem Sauerstoff (O2) durchströmt zu werden.
  3. Energiesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem wenigstens einer der vorliegenden Wärmetauscher (21) zur Kühlung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs (O2) auf eine tiefkalte Temperatur ausgestaltet ist, wobei das zu erwärmende Prozessmedium (PM) entweder flüssiger Stickstoff (N2) oder flüssiges Kohlenstoffdioxid (CO2) ist.
  4. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem wenigstens einer der Wärmetauscher (22) zur Erwärmung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs (O2) von einer tiefkalten Temperatur ausgestaltet ist, wobei das zu kühlende Prozessmedium (PM) Kohlenstoffdioxid (CO2) ist.
  5. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem wenigstens einer der vorliegenden Wärmetauscher (21,22) ein gemäß einem additiven Herstellungsverfahren gefertigter Wärmetauscher ist.
  6. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
    - wenigstens einen Synthesereaktor (71,72) zur Erzeugung wenigstens eines Syntheseprodukts (EF,NH3) aus dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff (H2) und wenigstens einem weiteren Edukt (CO2, N2).
  7. Energiesystem (1) nach Anspruch 6, welches einen Synthesereaktor (71) umfasst, der zur Umsetzung von Wasserstoff (H2) mit Kohlenstoffdioxid (CO2) als weiterem Edukt ausgebildet ist.
  8. Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei welchem der Synthesereaktor (71) zur Bildung eines kohlenstoffbasierten synthetischen Kraftstoffs (EF) ausgebildet ist.
  9. Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, welches einen Synthesereaktor (72) zur Bildung von Ammoniak (NH3) umfasst,
    wobei der Synthesereaktor (72) zur Umsetzung von Wasserstoff (H2) mit Stickstoff (N2) als weiterem Edukt ausgebildet ist.
  10. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (40) eine Kraft-Wärme-gekoppelte Maschine ist, mit welcher zusätzlich zum Antreiben des Generators (41) Wärmeleistung für einen Verbraucher bereitstellbar ist.
  11. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (40) mit einer Vorrichtung (50) zur Rückgewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas (RG) in Verbindung steht.
  12. Energiesystem (1) nach Anspruch 11, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (40) zur Verbrennung des Brennstoffs (F) mit einem Gemisch aus elektrolytisch erzeugtem Sauerstoff (O2) und aus dem Rauchgas (RG) rückgewonnenen Kohlenstoffdioxid (CO2) ausgelegt ist.
  13. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (40) zur stickstofffreien Verbrennung des Brennstoffs (F) ausgelegt ist.
  14. Energiesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus umschaltbar ist,
    wobei der erste Betriebsmodus dazu dient,
    - Wasser (H2O) mittels des Elektrolyseurs (10) unter Einsatz von elektrischer Energie (E) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu zerlegen,
    - und Sauerstoff (O2) in verflüssigter Form im Sauerstoffspeicher (31) zu speichern,
    und wobei der zweite Betriebsmodus dazu dient,
    - Brennstoff (F) in der Verbrennungskraftmaschine (40) im Oxyfuel-Verfahren zu verbrennen, wobei der Generator (41) von der Verbtrennungskraftmaschine (40) angetrieben wird und mit dem Generator (41) elektrische Leistung bereitgestellt wird und elektrolytisch erzeugter Sauerstoff (O2) aus dem Sauerstoffspeicher (31) verbraucht wird.
  15. Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für wenigstens einen Verbraucher, umfassend die folgenden Schritte:
    a) elektrolytische Zerlegung von Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) unter Einsatz von elektrischer Energie (E),
    b) Speicherung des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs (O2) in verflüssigter Form bei einer kryogenen Temperatur,
    c) Verbrennung eines Brennstoffs (F) in einem Oxyfuel-Verfahren, bei welchem der elektrolytisch erzeugte Sauerstoff (O2) eingesetzt wird, innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine (40) und Bereitstellung von elektrischer Leistung mittels eines an die Verbrennungskraftmaschine (40) gekoppelten Generators (41),
    - wobei mit einem Wärmetauscher (21,22) thermische Energie zwischen dem elektrolytisch erzeugten Sauerstoff (O2) und wenigstens einem anderen Prozessmedium (PM) übertragen wird, wobei der Wärmetauscher (21,22) wenigstens in einem Teilbereich bei einer tiefkalten Temperatur von -35 °C oder weniger betrieben wird.
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