WO2012142996A2 - Wasseraufbereitung für wasserelektrolyse - Google Patents

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  • the present invention thus provides a process for the treatment of water for the electrolysis of water, characterized in that the heat energy released during the electrolysis of water is used to evaporate water.
  • the present invention thus further the treatment of water for electrolysis of water is characterized in that the liberated in the electrolysis of water heat energy for the distillation of sea and brackish water is used.
  • Another object of the present invention is thus the treatment of water for electrolysis of water characterized in that the cooling of the electrolyzer heated cooling water, then condensed and used as feed water for electrolysis, preferably sea or brackish water according to the invention are used as cooling water ,
  • sea water as cooling and feed water (distilled water) for the electrolyzer
  • sea water directly in an "offshore” wind farm
  • every windmill has its own electrolysis unit with water treatment in the immediate vicinity, directly from the windmill direct low-voltage direct current, suitable for water electrolysis, can be provided
  • hydrogen is recovered “in situ” as renewable energy and, like other fuel gases (eg natural gas), is reclaimed, converted to DC and inversion, as is usually necessary for the transport and use of renewable energies ) and stored.
  • the electrical energy direct current, low voltage, high current density
  • the electrical energy e.g. From the Persian Gulf to the consumers in Europe and the Far East is also not very promising.
  • the present invention thus further a method for the treatment of water for the electrolysis of water is characterized in that the liberated during the water electrolysis heat is used to evaporate water, from the water vapor after condensation distilled water is obtained as feed water for an electrolyzer and both the water treatment as well as the water electrolysis is connected with wind turbine or solar system, preferably wind or solar power for direct use for the electrolysis is generated as a direct current with tuned to the electrolyzer voltage.
  • Natural gas consists mainly of methane.
  • coal can be produced by electrolysis with excess wind or solar power, and climate-friendly methane.
  • the economy of water electrolysis is also the prerequisite for this technology ..
  • natural gas methane
  • the electrical energy generated is preferably used for the purpose of stabilizing the power grid.
  • the carbon dioxide is separated and stored for the following second phase of operation.
  • the water treated according to the invention is converted into hydrogen by electrolysis using this excess energy, and the hydrogen hydrogenates the carbon dioxide generated in the first operating phase to methane.
  • Methane is fed into the natural gas grid.
  • natural gas is taken from the natural gas grid during the first phase of operation and an equivalent amount of methane is released into the gas network in the following phase of operation.
  • the amount of methane generated which is consumed in the subsequent first phase of operation of the gas power plant and delivered as electrical energy to the power grid for stabilization.
  • the methane is always reconstructed from its combustion product carbon dioxide.
  • the gas-fired power plant works thereby emission-free. At equilibrium, no natural gas is consumed and no carbon dioxide is released. In toto this is a "chemical storage power plant" with carbon dioxide storage.
  • the hydrogen thus obtained from excess electrical energy can be introduced into the natural gas grid.
  • it also offers advantages with the hydrogen produced according to the invention in the area of the nuclear power plant for the above-described hydrogenation of carbon monoxide (synthesis gas) or carbon dioxide and thus to recover methane from the surplus energy.
  • the carbon dioxide can be taken from a gas power plant, which results from conversion of the energy part of the nuclear power plant.
  • the conversion to a gas and steam power plant can e.g. about 2/3 of the steam turbines, which are converted into gas turbines.
  • you get a gas and steam power plant The combination of water electrolysis with gas power plant can then emit electrical energy into the network to stabilize it alternately or absorb excess energy and transform it into hydrogen or methane.
  • Downstream nuclear power plants become storage power plants through the production of carbon dioxide from reconstructed methane and the gas network becomes a memory.

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Abstract

Die Wasserelektrolyse dient heute hauptsächlich der Herstellung von reinem Wasserstoff. In Zukunft wird jedoch durch Wasserelektrolyse hergestellter Wasserstoff als Sekundärenergieträger für erneuerbare Energien eine steigende Bedeutung erlangen. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Wasserelektrolyse möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Nach dem heutigen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei ca. 80% Wasserstoffausbeute. 20% der elektrischen Energie gehen als Wärmeenergie verloren. Hinzu kommt, dass für einen störungsfreien Betrieb fortlaufend salzfreies, bzw. destilliertes Wasser zugegeben werden muss, das aus Süßwasser mittels Ionenaustauscher aufbereitet wird. Will man in „off shore" Windparks die elektrische Energie direkt in Wasserstoff verwandeln so muss, will man nicht Süßwasser herbeischaffen, Meerwasser entsalzt werden. Gleiches gilt für Solarkraftwerke in Wüstegegenden, welche sich in Küstennähe befinden. Es wurde nun festgestellt, dass zur elektrolytischen Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 4,4 - 4,6 KW. benötigt werden, wovon 0,8 bis 0,9 KW als Wärmeenergie durch Kühlung des Elektrolysegerätes abgeführt werden muss. Andererseits muss für die Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 0.8 l (802 g) aufbereitetes (destilliertes) Wasser in das Elektro lysegerät eingeleitet werden, für dessen Erwärmung und Destillation 0,8 bis 0,9 KW „Abfallwärme" ausreichen dürften. Durch die Integration der Wasseraufbereitung in die Elektrolyse bietet sich an, die Wasserelektrolyse in räumliche Nähe zur Gewinnung von Wind- oder Solarstrom zu bringen, welcher dann direkt als Gleichstrom mit der zum Elektrolysegerät passenden Spannung hergestellt werden kann. Das bedeutet eine wesentliche Vereinfachung der Gesamtanlage, sowohl bei der Elektrolyse, als auch bei Gewinnung, Transport und Umformung von Wind- oder Solarstrom. Der erfindungsgemäß hergestellte Wasserstoff kann als gleichfalls brennbares Gas in Erdgas eingeleitet und zusammen mit Erdgas in Verkehr gebracht werden. An der Verbrauchsstelle müssen jedoch die gegenüber Erdgas stark unterschiedlichen physikalischen, chemischen und brandtechnischen Eigenschaften von Wasserstoff berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, den Wasserstoff zum Hydrieren von Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid und zur Rekonstruktion von Methan aus seinen Verbrennungsgasen zu verwenden. Koppelt man dabei das Elektrolysegerät und die Anlage zur Hydrierung von Kohlendioxid mit einem Gaskraftwerk, so kann in aufeinanderfolgenden Betriebszuständen zuerst das Kraftwerk Erdgas verströmen, wobei aus den Brandgasen Kohlendioxid abgetrennt werden kann. Im anschließenden Betriebszustand wird das Kohlendioxid mit vom Elektrolysegerät bereitgestelltem Wasserstoff zu Methan hydriert. Der erste Betriebszustand dient der Stabilisierung des Stromnetzes, im zweiten Betriebszustand wird überschüssiger Wind- und Solarstrom in Wasserstoff und dann in Methan überführt. Das Methan wird in das Erdgasnetz zurückgeleitet. Eine solche Anlage kann als Speicherkraftwerk eingesetzt werden. Gerade bei der Verwendung mit Erdgas, sei es zur Rückverstromung des Wasserstoffes oder sei es zur Rekonstruktion von Methan ist die beschriebene Vereinfachung der Zugänglichkeit des hochgereinigten Speisewassers für die Wasserelektrolyse von wirtschaftlicher Bedeutung.

Description

Wasseraufbereitung für Wasserelektrolyse
Die Wasserelektrolyse dient heute hauptsächlich der Herstellung von reinem Wasserstoff. In Zukunft wird jedoch durch Wasserelektrolyse hergestellter Wasserstoff als Sekundärenergieträger für erneuerbare Energien eine steigende Bedeutung erlangen.
Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Wasserelektrolyse möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Nach dein heutigen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei ca. 80% Wasserstoffausbeute. 20% der elektrischen Energie gehen als Wärmeenergie verloren. Hinzu kommt, dass für einen störungsfreien Betrieb fortlaufend salzfreies, bzw. destilliertes Wasser zugegeben werden muss, das aus Süßwasser z.B. mittels Ionenaustauscher aufbereitet wird Je nach Qualität des verfügbaren Wassers muss die Reinigung mehrfach erfolgen.
Will man in„off shore" Windparks die elektrische Energie direkt in Wasserstoff verwandeln so muss, will man nicht Süßwasser herbeischaffen, Meerwasser entsalzt werden. Gleiches gilt für Solarkraftwerke in Wüstegegenden, welche sich in Küstennähe befinden.
Es wurde nun festgestellt, dass zur elektronischen Herstellung von 1Nm Wasserstoff 4,4 - 4,6 KW. benötigt werden, wovon 0,8 bis 0,9 KW als Wärmeenergie durch Kühlung des Elektrolysegerätes abgeführt werden muss. Andererseits muss für die Herstellung von 1 Nm Wasserstoff 0.8 I (802 g) aufbereitetes (destilliertes) Wasser in das Elektrolysegerät eingeleitet werden, für dessen Erwärmung und Destillation 0,8 bis 0,9 KW„Abfallwärme" ausreichen dürften.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird.
Nach diesem Verfahren wird es möglich, z.B. in einem„off shore" Windpark die Herstellung von Windstrom direkt mit der Elektrolyse zu koppeln und dabei Meerwasser zu verwenden. Da die elektrische Energie dann nicht mehr transportiert werden muss, kann man direkt am Windrad Gleichstrom niedriger Spannung gewinnen und ihn vor Ort durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Elektrische Energie muss dann nicht mehr umgespannt, gleichgerichtet, als hochgespannter Gleichstrom in Unterwasserkabeln transportiert und dann wechselgerichtet und erneut umgespannt zu werden. Stattdessen wird die Energie am Windrad in Wasserstoff umgewandelt und dieser wird als Energiegas in Gasleitungen zur Sammelstelle und dann zum Verbraucher geleitet.
Gleiches gilt bei Anlagen für Solarstrom, wobei in Photovoltaik-Anlagen der dort zwangsläufig entstehende Gleichstrom direkt dem Elektrolysegerät zugeleitet werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit weiterhin die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zur Destillation von Meer- und Brackwasser verwendet wird.
Koppelt man die Wasserkühlung eines Elektrolysegerätes derart mit einer Vorrichtung zur Verdampfung von Wasser, dass das bei der Kühlung erwärmte Wasser verdampft und der Wasserdampf kondensiert wird, so erhält man direkt das Speisewasser für die Elektrolyse.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit die Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass das bei er Kühlung des Elektrolysegerätes erwärmte Kühlwasser verdampft, dann kondensiert und als Speisewasser zur Elektrolyse verwendet wird, wobei vorzugsweise Meer- oder Brackwasser erfindungsgemäß als Kühlwasser verwendet werden.
Die Verwendung von Meerwasser als Kühl- und Speisewasser (destilliertes Wasser) für das Elektrolysegerät erlaubt den Aufbau des Elektrolysegerätes z.B. direkt in einem„off shore" Windpark. Da hierbei jedem Windrad ein eigenes Elektrolysegerät mit erfind ungsgemäßer Wasseraufbereitung in unmittelbarer Nähe zur Verfügung steht, kann vom Windrad direkt niedrig gespannter Gleichstrom, geeignet für die Wasserelektrolyse, bereitgestellt werden. Diese Technik kann sinngemäß auch auf die Nutzung elektrischer Energie aus Solaranlagen übertragen werden. Das Umspannen, Gleich- und Wechselrichten, wie es bei Transport und Nutzung erneuerbarer Energien sonst meist notwendig ist, entfällt. Stattdessen wird Wasserstoff„in situ" als erneuerbare Energie gewonnen und wird wie andere Brenngase (z.B. Erdgas) transportiert und gespeichert. Wichtig ist hierbei nur, dass die elektrische Energie (Gleichstrom, niedrige Spannung, hohe Stromdichte) nur über eine kurze Strecke zum EJektroIysegerät transportiert werden muss.
Somit liegt der eigentliche Vorteil dieser recht einfachen Technik der Wasseraufbereitung in der Möglichkeit der dezentralen Erzeugung des Wasserstoffes unmittelbar neben der Quelle der erneuerbaren elektrischen Energie. Augenfällig wird der Vorteil dieses Verfahrens, wenn man den Bedarf an destill iertem Wasser bei der Wasserelektrolyse in der hier zu berücksichtigenden Größenordnung betrachtet. Wie bereits erwähnt, benötigt man für 1 Nm3 Wasserstoff 802g oder 0,81 Wasser. In einer fiktiven Gegenüberstellung soll nun der Erdgasbedarf in Deutschland mit ca.100 Mrd. cbm/Jahr durch Wasserstoff ersetzt werden. Zu berücksichtigen ist dabei noch, dass Erdgas den annähernd dreifachen Energieinhalt von Wasserstoff hat. Die Rechnung tautet also:
0.8 x 100 Mrd. x 3 = 240 Mrd.
D.h., um eine Wasserstoffmenge, die dem deutschen Erdgasbedarf entspräche, durch Wasserelektrolyse herzustellen, benötigt man 240 Mrd. Liter destilliertes Wasser. Überträgt man diese Rechnung auf Erdgas-Förderländer wie Qatar oder Algier, wo wegen der dort verfügbaren Sonnenenergie eines Tages Wasserstoff das Erdgas ersetzen könnte und wo als Speisewasser für die Elektrolyse nur Meerwasser zur Verfügung steht, so wird die Bedeutung des vorliegenden Verfahrens für die Substitution fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien deutlich.
Eine derartige Menge an destilliertem Wasser auf anderem Wege in Wüstengegenden bereitzustellen würde die Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien dort in Frage steilen. Als Alternative zum Sekundärenergierräger Wasserstoff die elektrischer Energie z.B. vom persischen Golf zu den Verbrauchern in Europa und Fernost zu transportieren ist ebenfalls wenig erfolgversprechend.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ferner ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse frei werdende Wärme zum Verdampfen von Wasser benutzt wird, aus dem Wasserdampf nach Kondensation destilliertes Wasser als Speisewasser für ein Elektrolysegerät gewonnen wird und sowohl die Wasseraufbereitung als auch die Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage verbunden wird, wobei vorzugsweise Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit auf das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird.
In vielen handelsüblichen Geräten für Wasserelektrolyse läuft die Zerlegung des Wassers bei normalem oder geringem Überdruck und 70°C bis 90°C ab. Diese Temperatur entspräche dann auch der Kühl wassertemperatur des Elektrolysegerätes. Der Dampfdruck des Wassers liegt dann bei 308 bis 698 mbar. Bei diesen Bedingungen könnte man das Kühlwasser z. B. durch Erniedrigen des Druckes zum Sieden (Vakuumdestillation)und durch Kühlen des Wasserdampfes das (destillierte) Wasser zur Kondensation bringen. Bei der technischen Durchführung kann man sich der üblichen Entspannungsverdampfungsanlagen bedienen.. Hierbei muss das destillierte Wasser, das als Speisewasser der Elektrolyse dient und vom Kühlwasser abgezweigt wird, laufend durch frisches Wasser (z.B. Meerwasser) von außen ersetzt werden. Darüber hinaus muss bei der Verwendung von Meerwasser oder stark mineralhaltigen Wässern als Kühlwasser stets ein Teil des Kühlwassers ausgetauscht werden, um eine Überwalzung und Kristallisation der Kühlflüssigkeit zu vermeiden. So ausgestattet kann ein Gespann aus Solaranlage oder Windrad und Elektrolysegerät mit integrierter Meerwasserentsalzung längere Zeit wartungsfrei arbeiten.
Mit der eingangs überschlägig berechneten Wärmeenergie, wie sie bei der Wasserelektrolyse frei wird, kann durch ausgefeilte Entsalzungstechniken auch ein Überschuss an entsalztem Wasser hergestellt werden, welcher z.B. für die Landwirtschaft verwendet werden kann. Dies setzt allerdings die Verwendung von Großanlagen wie z.B. eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage voraus, was möglicherweise eine zentrale Wasseraufbereitung erfordert. Dies bedeutet aber, dass entweder Elektrolyse und Wasseraufbereitung oder Elektrolyse und Stromerzeugung voneinander getrennt werden müssen. Im ersten Fall muss das erwärmte Wasser, im zweiten Fall die elektrische Energie (Gleichstrom niedriger Spannung!) über eine größere Strecke geleitet werden. Beides wäre mit Energieverlusten und einem erhöhten technischen Aufwand verbunden.
Bei der Qualität des Speisewassers ist streng darauf zu achten, dass für einen störungsfreien Dauerbetrieb bei der Elektrolyse nur voll entsalztes oder destilliertes Wasser, das rückstandsfrei zerlegt werden kann, verwendet werden darf.
Bei einem Wasserdampfdruck von 300 bis 700 mbar ist es auch möglich, das erwärmte Kühlwasser über eine Verdunstungsfläche zu leiten und dieser eine gekühlte Fläche zur Kondensation des Wasserdampfes gegenüberzustellen. In der Praxis sind dies zwei aufrecht stehende konzentrisch angeordnete Rohre. An der Innenwand des äußeren Rohres läuft das erwärmte Kühlwasser herab. Der dabei sich bildende Wasserdampf kondensiert auf der Außenwand des inneren Rohren, welches von einem Kühlmedium durchflössen ist.
Bei Anlagen zur Wasserelektrolyse, welche bei höheren Temperaturen arbeiten, müssen gegebenenfalls Wärmetauscher eingesetzt werden, um die Wärmeenergie auf die Anlage zur Wasseraufbereitung zu übertragen..
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der sonst bei der Wasserelektrolyse üblichen Wasseraufbereitung mit Ionenaustauschern kommt besonders bei der Entsalzung von Meeroder Brackwasser zur Geltung. Bei der Verwendung von Ionenaustauschern wäre beim Durchlauf von Meerwasser die Kapazität mit durchschnittlich 33g Salz pro Liter Meerwasser sehr schnell erschöpft. Aber auch bei Verwendung von Süßwasser mit ca. 1 ,5g Mineralien pro Liter Wasser muss der Ionenaustauscher regelmäßig regeneriert werden Dies entfallt bei dem vorliegenden Verfahren zur Wasseraufbereitung, sodass sich auch bei landseitigen Windkraftanlagen, die meist abgelegen in der Landschaft stehen und die selbst weitgehend wartungsfrei sind (ebenso wie das Elektrolysegerät), der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens lohnt.
Der dezentral aus erneuerbaren Energien hergestellte Wasserstoff wird zu einer Sammelstelle geleitet und kann dann als Energieträger wie Erdgas transportiert und gespeichert werden. Es ist auch möglich, den Wasserstoff als ebenfalls brennbares Gas in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte oder ein Erdgaslager einzuleiten und zusammen mit dem Erdgas zu transportieren oder zu speichern. Reichlich Sonnenergie in der Nähe von Erdgasleitungen und Erdgaslagerstätten z. B. in Nordafrika und am persischen Golf laden dazu ein, dort das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und das Erdgas als Träger für den Wasserstoff zu benutzen.
Wird der Wasserstoff, welcher aus naturgemäß fluktuierenden erneuerbaren Energien stammt, in Erdgas eingeleitet, so ergibt sich ein bezüglich des Wasserstoffgehaltes schwankendes Erdgas/Wasserstoff-Gemisch. Wegen der Unterschiede zwischen Wasserstoff und Erdgas (Methan) bezüglich ihrer brenntechnischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften (Erdgas hat z.B. den dreifachen Brennwert von Wasserstoff, benötigt zur Verbrennung viermal mehr Sauerstoff und hat die achtfache Gasdichte) kann ein im Verhältnis der Gase zueinander schwankendes Gasgemisch nicht unkontrolliert verbraucht werden. Die Kontrolle kann man dadurch erreichen, dass an der Verbrauchsstelle der Wasserstoffgehalt im Gasgemisch gemessen wird und die Dosierung des Gemisches in die Brennstelle dem ermittelten Wasserstoffgehait angepasst wird.
Die erwähnten Probleme mit fluktuierenden Gasgemischen beim Einleiten von Wasserstoff in Erdgas werden vermieden, wenn man den Wasserstoff in Methan überführt und dieses in Erdgas einleitet. Erdgas besteht überwiegend aus Methan.
Dies zu erreichen bringt man Wasserstoff mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid zur Reaktion, wobei Methan und Wasser entsteht. Als Energiequelle wird z.B. mit Vorteil überschüssiger Wind- und Solarstrom verwendet. Kohlenmonoxid wird durch Kohlevergasung als Synthesegas (Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Molverhältnis 1 : 1 gemäß Reaktion 1. gewonnen.
1. ) C + H20 = CO + H2
Mit aus der Wasserelektrolyse erhaltenem, zusätzlichem 2 Mol Wasserstoff wird dann gemäß Reaktion 2. Methan erhalten.
2. ) (CO + H2) + 2 H2 = CH4 + H20
Nach diesem Verfahren kann aus Kohle durch Elektrolyse mit überschüssigem Wind- oder Solarstrom klimafreundliches Methan gewonnen werden. Die Wirtschaftlichkeit der Wasserelektrolyse ist auch hier die Voraussetzung für diese Technologie..
Kohlendioxid kann aus den Rauchgase bei der Verbrennung fossiler Kohlenstoffverbindungen oder Kohle abgetrennt werden und ist leicht zugänglich und günstig bewertet. Ebenso die überschüssige erneuerbare Energie. Einzig die Wasserelektrolyse bedarf einer wirtschaftlichen Optimierung und hier bringt die erfindungsgemäße Aufbereitung des Speisewassers einen wichtigen Kostenvorteil.
Koppelt man das erfindungsgemäße Elektrolyseverfahren einerseits mit der Kohlendioxid-Hydrierung und andererseits mit einem Gaskraftwerk, so entsteht eine Verfahrenskombination, nach der man in einer ersten ßetriebsphase Methan verbrennt, dabei elektrische Energie produziert, und nach der Verbrennung aus den Rauchgasen das Kohlendioxid abtrennt. Dieses wird in einer zweiten Betriebsphase mit Wasserstoff, welcher erfindungsgemäß durch Elektrolyse mit überschüssiger elektrischer Energie erzeugt wurde, hydriert und als Methan wieder in das Gasnetz zurückgeleitet.
Die beiden Betriebsphasen wechseln sich ab;
■ In der ersten Betriebsphase wird dem Erdgasnetz Erdgas (Methan) entnommen und im Gaskraftwerk verströmt. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird vorzugsweise zum Zwecke der Stabilisierung des Stromnetzes eingesetzt. Aus den Rauchgasen des Kraftwerkes wird das Kohlendioxid abgetrennt und für die folgende zweite Betriebsphase gespeichert.
■ In der zweiten Betriebsphase wird, bei Auftreten von überschüssiger elektrischer Energie im Stromnetz, mit dieser überschüssigen Energie das erfindungsgemäß aufbereitete Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff überführt und der Wasserstoff hydriert das in der ersten Betriebsphase erzeugte Kohlendioxid zu Methan. Methan wird in das Erdgasnetz eingespeist. In der Bilanz wird in der ersten Betriebsphase Erdgas aus dem Erdgasnetz entnommen und eine äquivalente Menge an Methan wird in der folgenden Betriebsphase in das Gasnetz abgegeben.
Daneben wird in der zweiten Betriebsphase mit überschüssiger Energie rechnerisch die Menge an Methan erzeugt, welche in der wieder darauffolgenden ersten Betriebsphase vom Gaskraftwerk verbraucht und als elektrische Energie an das Stromnetz zur Stabilisierung abgegeben wird. Dabei wird das Methan immer von neuem aus seinem Verbrennungsprodukt Kohlendioxid rekonstruiert. Das Gaskraftwerk arbeitet dadurch emissionsfrei. Im Gleichgewichtszustand wird kein Erdgas Verbraucht und kein Kohlendioxid freigesetzt. In toto ist dies ein „chemisches Speicherkraftwerk" mit Kohlendioxidspeicher.
Voraussetzung für den Erfolg der Rekonstruktion von Methan durch Hydrierung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ist eine wirtschaftliche Wasserelektrolyse. Dabei ist die erfindungsgemäße Aufbereitung von hoch gereinigtem, salzfreiem Speisewassers für die Elektrolyse ein wichtiger Baustein (vgl. den Bedarf an Speisewasser für die Elektrolyse in den Berechnungen auf Seite 3).
Das erfin dungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil dort ausgeübt, wo überschüssige elektrische Energie anfällt und Anschlüsse einschließlich Transformatoren zur Entnahme aus dem Hochspannungsnetz vorhanden sind. Hier sind besonders Atomkraftwerke zu nennen, die bei ihrer geringen Flexibilität oft selbst überschüssige Energie erzeugen. Auch abgeschaltete Atomkraftwerke , welche in der Regel über Anschlüsse an das Hochspannungsnetz verfügen, können für das erfindungsgemäße Verfahren nachgerüstet werden.
Der so aus überschüssiger elektrischer Energie gewonnene Wasserstoff kann in das Erdgasnetz eingeleitet werden. Es bietet aber auch Vorteile mit den im Bereich des Atomkraftwerkes erfindungsgemäß hergestellten Wasserstoff zur oben beschriebenen Hydrierung von Kohlenmonoxid (Synthesegas) oder Kohlendioxid zu verwenden und so aus der überschüssigen Energie Methan zu gewinnen. Das Kohlendioxid kann einem Gaskraftwerk entnommen werden, welches durch Umrüstung aus dem Energieteil des Atomkraftwerkes hervorgeht. Die Umrüstung zu einem Gas- und Dampfkraftwerk kann z.B. ca. 2/3 der Dampfturbinen betreffen, welche in Gasturbinen umgerüstet werden. Man erhält dann ein Gas- und Dampfkraftwerk, Die Kombination von Wasserelektrolyse mit Gaskraftwerk kann dann im Wechsel emissionsfrei elektrische Energie in das Netz zu dessen Stabilisierung abgeben oder überschüssige Energie aufnehmen und in Wasserstoff oder Methan umformen. Abgeschaltete Atomkraftwerke werden zu Speicherkraftwerken über die Produktion von aus Kohlendioxid rekonstruiertem Methan und das Gasnetz wird zum Speicher.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wasserelektrolyse freiwerdende Wärmeenergie zum Verdampfen von Wasser genutzt wird
2. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte Wasser kondensiert wird und das so entsalzte Kondenswasser als Speisewasser für die Wasserelektrolyse eingesetzt wird.
3. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Meer- oder Brackwasser entsalzt wird.
4. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Kühlung des Elektrolysegerätes verwendete Wasser durch die Erwärmung verdampft und dann wieder kondensiert wird.
5. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse mit der Wasseraufbereitung gekoppelt wird, indem der verdampfte und wieder kondensierte Anteil des Kühlwassers als Speisewasser für die Elektrolyse verwendet wird..
6. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasseraufbereitung und Wasserelektrolyse mit Windrad oder Solaranlage derart verbunden sind, dass Wind- oder Solarstrom zur direkten Verwendung für die Elektrolyse als Gleichstrom mit für das Elektrolysegerät abgestimmter Spannung erzeugt wird und das Wasser für Kühl- und Speisewasser vor Ort entnommen wird..
7. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser nach Erwärmen und nach Eindampfen wieder zum Kühler des Elektrolysegerätes zurückgeführt wird und dieser Vorgang unter Auffüllen mit Frischwasser mehrmals wiederholt wird.
8. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasseraufbereitung eine Entspannungsverdampfungsanlage verwendet wird.
9. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff in eine Erdgasleitung oder eine Erdgaslagerstätte eingeleitet wird und zusammen mit dem Erdgas transportiert oder gespeichert wird.
10. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff wieder vom Erdgas abgetrennt wird.
1 1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse mit fluktuierendem Wind- und/oder Solarstrom durchgeführt wird und nach Einleiten des erhaltenen Wasserstoffes in Erdgas ein fluktuierendes Wasserstoff/Erdgas-Gemisch erhalten wird, welches gespeichert oder transportiert wird und bei welchem an der Verbrauchsstelle vor der Verbrennung bei schwankender Gaszusammensetzung der Wasserstoffgehalt im Gasgemisch bestimmt wird und die Funktion der Brennstelle bezüglich Dosierung des Gasgemisches dem ermittelten Wasserstoff / Erdgas - Verhältnis angepasst wird.
12. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff mit bei der Kohlevergasung gewonnenem Synthesegas, bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Moiverhältnis 1 : 1 , zu Methan umgesetzt wird, wobei 1 Mol Kohlenmonoxid mit 3 Mol Wasserstoff zu 1 Mol Methan reagieren und sich daneben 1 Mol Wasser bildet.
13. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan umgesetzt wird, wobei 1 mol Kohlendioxid mit 4 Mol Wasserstoff zu 1 Mol Methan reagieren und sich daneben 2 Mol Wasser bilden..
14. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse im Verbund mit einem Kraftwerk, in dem kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Kohle, Holz oder Erdgas verbrannt werden, durchgeführt wird, in den Verbrennungsgasen des Kraftwerkes das Kohlendioxid abgetrennt wird und mit dem abgetrennten Kohlendioxid zusammen mit dem durch die Wasserelektrolyse hergestellten Wasserstoff Methan rekonstruiert wird und das Methan in eine Erdgasleitung eingeleitet wird, ferner, dass Verbrennung der Brennstoffe im Kraftwerk und die Wasserelektrolyse mit der Rekonstruktion von Methan in zwei unterschiedliche Betriebsphasen stattfindet..
15. Verfahren zu Aufbereitung von Wasser für die Wasserelektrolyse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserelektrolyse im Verbund mit einem laufenden oder abgeschalteten Atomkraftwerk durchgeführt wird und dabei die noch vorhandenen Anschlüsse an das Hochspannungsnetz oder an das Atomkraftwerk sowie die elektrotechnischen Einrichtungen, insbesondere die Transformatoren, zur Übertragung überschüssiger elektrischer Energie zur Wasserelektrolyse dienen.
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