[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts.
[0002] Durch den Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase, wie beispielsweise CO2, von Industriestandorten
schreitet die Erderwärmung fort. Daher wird zunehmend angestrebt, industrielle Prozesse
zu optimieren, um einen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz zu leisten und nachhaltiger
zu wirtschaften.
[0003] Aus der Praxis sind hierfür bereits Ansätze bekannt, bei denen beispielsweise ein
Teil des lokalen Strombedarfs eines Industriestandorts aus erneuerbar erzeugter Energie
gedeckt wird, z. B. indem freie und sonst ungenutzte Flächen wie Dächer oder Fassaden
mit Photovoltaikanlagen bestückt werden. Die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren
Energiequellen ist jedoch oftmals allein nicht ausreichend, um die CO2-Bilanz eines
Industriestandorts im gewünschten Maße zu reduzieren.
[0004] Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Ansatz zur Dekarbonisierung
eines Industriestandorts bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Ansätze
vermieden werden können.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
[0006] Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Dekarbonisierung
und/oder zur Reduzierung der CO2-Emissionen eines Industriestandorts bereitgestellt.
Hierbei umfasst das Verfahren die Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort
durch Wasserelektrolyse, wobei für die Wasserelektrolyse benötigter Strom zumindest
teilweise am Industriestandort aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt
wird. Ferner umfasst das Verfahren das Verwenden des hergestellten Wasserstoffs in
mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort und/oder als Energiequelle
zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort.
[0007] Erfindungsgemäß wird Wasserstoff am Industriestandort sowohl klimafreundlich hergestellt
als auch verbraucht. Da Wasserstoff ein vielfältig einsetzbarer Energieträger ist,
kann hierdurch ein besonders vorteilhafter Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandorts
geleistet werden. Beispielsweise kann eine CO2-Emissionen verursachende externe Anlieferung
des für Industrieprozesse benötigten Wasserstoffs vermieden oder zumindest reduziert
werden. Alternativ oder zusätzlich kann der produzierte Wasserstoff als klimafreundliche
Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Standort genutzt werden, so dass
die CO2-Bilanz des Standorts weiter verbessert werden kann.
[0008] Unter dem Begriff Dekarbonisierung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine
Umstellung der Wirtschaftsweise des Industriestandorts in Richtung eines niedrigeren
Umsatzes von Kohlenstoff erfolgt. Hierzu kann sowohl unmittelbar als auch mittelbar
vermiedener Kohlenstoff, indem z. B. Lieferverkehr reduziert wird, zählen.
[0009] Der Industriestandort kann ein Produktions- und/oder Entwicklungsstandort eines Unternehmens
sein. Unter einer industriellen Anwendung kann jedwede Form von industriellen Prozessen
und Verfahren verstanden werden, die in einem industriellen Kontext Praxis sind. Eine
industrielle Anwendung kann ein Entwicklungsprozess und/oder oder Produktionsprozess
eines Industrieunternehmens sein.
[0010] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Industriestandort ein Produktions-
und/oder Entwicklungsstandort, an dem ein Wasserstoffantrieb für Fahrzeuge, vorzugsweise
Kraftfahrzeuge, entwickelt und/oder produziert wird. Die mindestens eine industrielle
Anwendung kann die Entwicklung und/oder Produktion eines Wasserstoffantriebs für Fahrzeuge,
vorzugsweise Kraftfahrzeuge, umfassen. Wasserstoffantriebe können Wasserstoffbrennstoffzellen
und/oder Wasserstoffverbrennungsmotoren umfassen.
[0011] Der Wasserstoff kann lediglich beispielhaft zum Testen eines Wasserstoffantriebs
im Rahmen eines Entwicklungsprozesses, zur Erstbetankung von produzierten Fahrzeugen
und/oder für die Betankung im Rahmen von Testfahrten verwendet werden.
[0012] Dies bietet den Vorteil, dass für die Entwicklung und/oder Produktion eines Wasserstoffantriebs
benötigter Wasserstoff klimafreundlich lokal hergestellt wird. Ein Bezug von extern
hergestelltem Wasserstoff, der angeliefert werden muss, kann vorteilhaft vermieden
werden. Wird der klimafreundlich lokal hergestellte Wasserstoff darüber hinaus als
Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort genutzt, können
die CO2-Bilanz und die Dekarbonisierung des Industriestandorts noch weiter verbessert
werden.
[0013] In einer weiteren Ausführungsform wird für die Wasserelektrolyse zumindest teilweise
am Industriestandort anfallendes und aufbereitetes Industriewasser verwendet. Dies
bietet den Vorteil, dass hierdurch auch ein umweltschonender Umgang mit Wasser erfolgt,
der die lokale Wasserwirtschaft entlastet, sodass weniger Schmutz- und Abwasser in
die Umwelt gelangen. Die Umweltfreundlichkeit des Standorts wird dadurch weiter verbessert.
[0014] Unter Industriewasser kann beispielsweise durch einen Produktionsprozess verunreinigtes
Wasser verstanden werden. Unter Industriewasser können beispielsweise allgemeiner
Formen von Abwasser, Emulsionen und/oder Schmutzwasser verstanden werden, die am Industriestandort
anfallen, welche durch zweckmäßige Aufbereitungsprozesse aufbereitet werden und/oder
aufbereitbar sind, so dass das aufbereitete Wasser in der Wasserelektrolyse verwendet
werden kann.
[0015] In Produktionsprozessen werden bei beispielsweise spanenden Verfahren Emulsionen
zur Kühlung und zum Spanabtransport bei einem Werkzeugeingriff genutzt, sodass hieraus
Industriewasser bzw. Schmutzwasser entsteht, welches mit Feststoffpartikeln, z. B.
Aluminium, angereichert ist. Es sind aber auch alle anderen Formen von Abwasser denkbar,
wie sie in den verschiedensten Anwendungen, beispielweise Reinigungen von Anlagen,
an einem Industriestandort denkbar sind. Auch das Nutzen von Regenwasser, welches
am Industriestandort gesammelt werden kann, kann hierunter verstanden werden.
[0016] In einer weiteren Ausführungsform wird für die Wasserelektrolyse am Industriestandort
vorhandenes Grundwasser verwendet. Das Nutzen des Grundwassers entlastet unter anderem
die Wasserversorgung aus externen Quellen und senkt die Kosten für die Nutzung von
Frischwasser aus einer öffentlichen Versorgung. Die Umweltfreundlichkeit des Standorts
wird dadurch weiter verbessert. Grundwasser kann insbesondere die Nutzung von Brunnenwasser
umfassen, welches am Industriestandort aus lokalen Brunnen geschöpft werden kann.
Das Grundwasser kann ebenfalls für die Verwendung in der Wasserelektrolyse aufbereitet
werden.
[0017] Die Aufbereitung des Industriewassers und/oder des Grundwassers kann folgende Schritte
umfassen: eine Reinigung des Wassers in einer Vakuumverdampferanlage, eine Umkehrosmose
und eine Vollentsalzung und/oder De-ionisierung mittels einer Vollentsalzungsanlage.
[0018] In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Verwenden von
durch die Wasserelektrolyse hergestelltem Sauerstoff in mindestens einer industriellen
Anwendung am Industriestandort, beispielsweise in Schweiß-Anwendungen.
[0019] Dies hat den Vorteil, dass Synergieeffekte genutzt werden können, indem Sauerstoff,
welcher für eine industrielle Anwendung benötigt wird, vor Ort hergestellt wird und
damit gleichzeitig auf eine externe Zulieferung von Wasserstoff verzichtet oder eine
externe Zulieferung zumindest reduziert werden kann, die mittelbar auch Verursacher
für einen Kohlenstoffdioxid-Ausstoß sind. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur
Dekarbonisierung des Standorts geleistet werden.
[0020] Für Schweiß-Anwendungen, wie z. B. das Autogenschweißen, wird Sauerstoff zur Verbrennung
des Brenngases, wie beispielweise Methan, Argon, Propan oder Wasserstoff, genutzt.
[0021] In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verwenden des hergestellten bzw. überschüssigen
Wasserstoffs als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung am Industriestandort
die Nutzung zumindest eines Teils des hergestellten Wasserstoffs zur umweltfreundlichen
Wärme- und/oder Stromerzeugung durch ein am Industriestandort angeordnetes Kraftwerk
mit Kraft-Wärme-Kopplung, KWK. Das Kraftwerk kann vorzugsweise als Blockheizkraftwerk
ausgeführt sein. Die innovative Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage bietet sehr hohe Flexibilität
bei der Stromerzeugung und wird individuell bei der Schwankungen im Stromnetz eingesetzt.
Vorzugsweise erfolgt eine Stromerzeugung zur Abdeckung der Spitzenlasten im Stromnetz.
[0022] Dies hat den Vorteil, dass die Wärme- und/oder Stromerzeugung lokal am Industriestandort
nachhaltig durch lokal aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugten Wasserstoff
erfolgt. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet
werden. Wasserstoff lässt sich in kompakter Form in Speichertanks speichern und dem
Kraftwerk bedarfsgerecht zuführen.
[0023] Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung nutzen die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer
Energie und nutzbarer Wärme. Kraftwerke mit KWK können Gasturbinen, Verbrennungsmotoren
und Brennstoffzellenanlagen umfassen. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass diese
eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie im Vergleich
zu einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme aufweisen können. Damit sind solche
Anlagen besonders umweltfreundlich.
[0024] In einer weiteren Ausführungsvariante der vorgenannten Ausführungsform umfasst das
Verfahren ein Vermischen eines Teils des hergestellten Wasserstoffs mit Methan und
Zwischenspeichern des resultierenden Wasserstoff-Methan-Gemisches in einem Brennstoff-Zwischenspeicher,
z. B. in einem druckfesten Kryotank im flüssigen Aggregatszustand und das Zuführen
des zwischengespeicherten Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff zum Kraftwerk
mit Kraft-Wärme-Kopplung.
[0025] Die Verwendung eines Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff für das Kraftwerk
am Industriestandort ermöglicht auch die Verwendung von Kraftwerken, die für Methan
als Brennstoff ausgelegt sind. Vorteilhafterweise wird bei einem Vermischen eines
Teils des hergestellten Wasserstoffs mit Methan ein Wasserstoffanteil von 30 % nicht
überschritten. Alternativ kann der erzeugte Wasserstoff direkt als Brennstoff verwendet
werden.
[0026] An dieser Stelle ist anzumerken, dass eine Notfallwasserstoffversorgung eingerichtet
sein kann, die z. B. im Falle eines Ausfalls einer Wasserstoffversorgung durch Wasserelektrolyse
eine Wasserstoffversorgung gewährleisten kann. Eine Versorgung durch einen externen
Lieferanten kann z. B. über die Lieferung von Flüssigwasserstoff in Tanks erfolgen.
[0027] In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Verfahren eine Methanisierung von
als Abgas von dem Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugtem Kohlenstoffdioxid unter
Verwendung von dem am Industriestandort hergestellten Wasserstoff. Die vom Kraftwerk
erzeugten CO2-Emissionen in die Umwelt werden somit gemäß dieser Ausführungsvariante
zumindest zum Teil reduziert, indem das erzeugte CO2 mittels Methanisierung zu Methan
umgewandelt wird und anschließend das erzeugte Methan wieder dem Kraftwerk als Brennstoff
zugeführt wird. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts
geleistet werden.
[0028] Das Verfahren kann hierbei optional das Verwenden des durch die Methanisierung hergestellten
Methans für das Vermischen mit einem Teil des hergestellten Wasserstoffs und/oder
Zwischenspeichern von durch die Methanisierung erzeugtem Methan in dem Brennstoff-Zwischenspeicher
umfassen. Das Verfahren der Methanisierung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt
und muss hier nicht näher beschrieben werden. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens
können zum Abscheiden des Kohlenstoffdioxids aus dem Abgas des Kraftwerks und zur
Methanisierung des Kohlenstoffdioxids aus dem Stand der Technik bekannte Anlagen und
Katalysatoren verwendet werden.
[0029] Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann eine Zuführung des Brennstoffs zum
Kraftwerk des Industriestandortes auch ohne eine Zwischenspeicherung des Brennstoffgemisches
in einem Brennstoff-Zwischenspeicher erfolgen. Hierfür kann sowohl reiner hergestellter
Wasserstoff als auch hergestellter Wasserstoff, welcher beim Zuführen mit Methan vermischt
wird, dem Kraftwerk zugeführt werden. Das zum Vermischen genutzte Methan kann sowohl
aus der Methanisierung als auch aus einer bestehenden externen Zuführung von Methan
bereitgestellt werden. Auch ein gleichzeitiger Bezug aus beiden Methanquellen kann
erfolgen. Das Methan, welches aus der externen Zuführung entstammt, ist vorzugsweise
Biomethan (synonym Bioerdgas). Als Biomethan wird Methan bezeichnet, das nicht fossilen
Ursprungs ist, sondern aus biogenen Stoffen erzeugt wurde und Bestandteil von Biogas
ist. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung des Standorts geleistet
werden. Bei einem Vermischen von hergestelltem Wasserstoff und Methan wird vorzugsweise
ein Wasserstoffanteil von 30 % nicht überschritten.
[0030] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ausgeführt sein, dass sowohl bei der
Ausführungsvariante mit als auch ohne Brennstoff-Zwischenspeicher eine Zufuhr von
Methan zum Kraftwerk, sowohl aus externem Bezug als auch aus der Methanisierung, ohne
eine vorherige Vermischung mit hergestelltem Wasserstoff möglich ist. Dies bietet
den Vorteil, dass auch bei Ausfall einer Wasserstoffherstellung oder bei nicht ausreichender
Wasserstoffherstellung am Standort ein Betrieb des Kraftwerks sichergestellt werden
kann.
[0031] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren ferner das Einspeisen
von durch das am Industriestandort angeordnete Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung
erzeugter und am Industriestandort nicht benötigter Wärme und/oder Strom in ein öffentliches
Wärme- und/oder Stromnetz umfassen.
[0032] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann Wärme, die im Abgas des Kraftwerks
enthalten ist, zumindest zum Teil rückgewonnen werden, z. B. mittels eines Wärmetauschers,
und am Industriestandort genutzt werden. Hierdurch kann ein weiterer Beitrag zur Dekarbonisierung
des Standorts geleistet werden.
[0033] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Auslastung des Kraftwerks mit
Kraft-Wärme-Kopplung zur Stabilisierung oder zum Ausgleich von Bedarfsschwankungen
des öffentlichen Wärme- und/oder Stromnetzes aktiv gesteuert werden. Bekanntermaßen
sind öffentliche Wärme- und/oder Stromnetze zunehmend größeren Bedarfsschwankungen
ausgesetzt, resultierend aus den Angebotsschwankungen bei erneuerbaren Energien (Wind,
Sonne, Biomasse etc.), deren Anteil an der Strom- und Wärmeerzeugung stetig zunimmt.
Durch die erfindungsgemäße Erzeugung von Wasserstoff aus mindestens einer erneuerbaren
Energiequelle kann eine vorteilhafte Entkopplung von diesen Angebotsschwankungen erzielt
werden, da der erzeugte Wasserstoff zwischengespeichert werden kann. Wenn es nun im
öffentlichen Strom- und/oder Wärmenetz ein Unterangebot herrscht, kann die Auslastung
des Kraftwerks hochgefahren werden, um den/die in das öffentliche Netz eingespeiste(n)
Strom und/oder Wärme zu erhöhen. Bei einem Überangebot im öffentlichen Netz kann die
Auslastung des Kraftwerks entsprechend reduziert werden.
[0034] Entsprechend kann das Kraftwerk zur Stabilisierung eines öffentlichen Strom- und/oder
Wärmenetzes beitragen.
[0035] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine bei der Herstellung von Wasserstoff
durch Wasserelektrolyse erzeugte Abwärme in ein Nahwärmenetz am Industriestandort
eingespeist werden. Die Abwärme kann vorzugsweise mittels eines ersten Wärmetauschers
aus dem hergestellten Wasserstoff und/oder mittels eines zweiten Wärmetauschers aus
einem durch die Wasserelektrolyse hergestellten Sauerstoff gewonnen werden.
[0036] Dies bietet den Vorteil, dass die Abwärme, die im Prozess der Wasserelektrolyse entsteht,
nicht dissipiert, sondern auf vorteilhafte Weise einem Nahwärmenetz zugeführt werden
kann.
[0037] Vorzugsweise kann ferner eine Wärmeauskopplung aus der durch die Wasserelektrolyse
gewonnenen Wärme über eine Wärmepumpe, z. B. für Hochtemperaturnetze, erfolgen.
[0038] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann für die Wasserelektrolyse ein Protonen-Austausch
(engl. Proton Exchange Membrane, PEM)-Elektrolyseur verwendet werden.
[0039] Ein PEM-Elektrolyseur bietet den Vorteil, dass dieser einen relativ hohen Ausgangsdruck
der Produkte Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt (bis zu 50 bar), sodass weniger Energie
für etwaige folgende Verdichtungsprozesse benötigt wird. Darüber hinaus arbeitet der
PEM-Elektrolyseur zwischen Raumtemperatur und 80 °C, sodass keine besonders temperaturbeständigen
Materialien benötigt werden und dieser dennoch als Abwärmequelle genutzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist die modulare Bauweise von PEM Elektrolyseuren, sodass einfache
Erweiterungen eines Systems möglich sind und damit ein Aufbau einer Anlage Stück für
Stück erfolgen kann. Ein großer Vorteil des PEM-Elektrolyseurs sind ferner die kurzen
Anfahrzeiten (5 bis 10 Minuten) und die große Teillastfähigkeit (5 % bis 100 % der
möglichen Leistung), die in Kombination mit einer erneuerbaren Energiequelle, wie
z. B. einer Photovoltaikanlage, besonders vorteilhaft sind. Daher ist ein PEM-Elektrolyseur
besonders vorteilhaft verglichen mit einem Hochtemperatur-Elektrolyseur oder einem
alkalischen Elektrolyseur.
[0040] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine am Industriestandort vorgesehene
Stickstoff-Versorgungseinrichtung und/oder Druckluft-Versorgungseinrichtung in mindestens
einer industriellen Anwendung am Industriestandort verwendet werden und zusätzlich
zur Reinigung des Protonen-Austausch-Elektrolyseurs, vorzugsweise zur Reinigung von
dessen Protonen-Austausch-Membran, verwendet werden.
[0041] Auf vorteilhafte Weise kann eine vorhandene Stickstoff-Versorgungseinrichtung, wie
diese z. B. zur Bereitstellung von Inertgas bei Schweißprozessen genutzt wird, auch
für eine Reinigung des Elektrolyseurs eingesetzt werden. Dies spart Kosten und leistet
durch die doppelte Nutzung einer Stickstoff- und/oder Sauerstoff-Anlage mittelbar
einen weiteren Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandortes.
[0042] In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird Druckluft aus der Druckluft-Versorgungseinrichtung
zusätzlich oder ausschließlich für eine Steuerung des PEM-Elektrolyseurs genutzt.
Vorteile ergeben sich gemäß oben genannter Ausführung.
[0043] Druckluft ist für die Regelung von pneumatischen Regelventilen des PEM-Elektrolyseurs
erforderlich. Die Regelventile werden sowohl wasser- als auch gasseitig eingesetzt.
Der Vorteil ist dabei, dass die Infrastruktur bereits vorhanden ist und im Elektrolyseverfahren
weiter genutzt werden kann.
[0044] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein am Industriestandort vorgesehener
Kühlwasserkreislauf in mindestens einer industriellen Anwendung am Industriestandort
verwendet werden und zusätzlich zur Kühlung des durch die Wasserelektrolyse hergestellten
Wasserstoffs und/oder Sauerstoffs verwendet werden. Vorteilhaft kann gemäß dieser
Ausführungsform ein Kühlkreislauf am Industriestandort doppelt genutzt werden und
somit mittelbar einen weiteren Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriestandortes
leisten.
[0045] Vorstehend wurde festgestellt, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der
für die Wasserelektrolyse benötigte Strom aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle
am Industriestandort erzeugt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieser
Strom mittels einer am Standort angeordneten Photovoltaikanlage und/oder Windkraftanlage
erzeugt und zumindest zum Teil in einem Speicher für elektrische Energie zwischengespeichert.
Alternativ oder zusätzlich können andere regenerative Energiequellen (z. B. Biomasse,
Geothermie etc.) zur Stromerzeugung genutzt werden.
[0046] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann für die Wasserelektrolyse benötigter
Strom bei Bedarf zusätzlich von einem öffentlichen Stromnetz bezogen werden. Dies
bietet den Vorteil, dass eine davon gespeiste Wasserelektrolyse auch durchgeführt
werden kann, wenn ein Stromzwischenspeicher entladen ist oder lokal nicht ausreichend
Strom produziert werden kann.
[0047] Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung
sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung
werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Prozessskizze zur Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort
durch Wasserelektrolyse und eine Verwendung des hergestellten Wasserstoffs in mindestens
einer industriellen Anwendung und zur Wärme- und Stromerzeugung; und
- Figur 2
- eine schematische Prozessskizze einer Wasseraufbereitung.
[0048] Figur 1 zeigt eine schematische Prozessskizze zur Herstellung von Wasserstoff am
Industriestandort durch Wasserelektrolyse und eine Verwendung des hergestellten Wasserstoffs
in mindestens einer industriellen Anwendung und zur Wärme- und Stromerzeugung.
[0049] Bei dem Industriestandort 100 handelt es sich vorliegend lediglich beispielhaft um
einen Produktions- und Entwicklungsstandort, an dem Wasserstoffantriebe für Kraftfahrzeuge
entwickelt und produziert werden. Der Industriestandort ist hier schematisch durch
die mit dem Bezugszeichen 100 umrandete Fläche gekennzeichnet, innerhalb derer neben
industriellen Prozessen 30, wie der Entwicklung 30a und Produktion 30b eines Wasserstoffantriebs,
ferner Wasserstoff lokal hergestellt und verwendet wird, was nachfolgend erläutert
ist.
[0050] Innerhalb des Industriestandorts sind insbesondere die drei Bereiche Herstellung
10 von Wasserstoff 1 am Industriestandort 100 durch Wasserelektrolyse 11, Wärme- und
Stromerzeugung 20 sowie die industrielle Anwendung 30 dargestellt.
[0051] Wasserelektrolyse beschreibt bekanntermaßen die Spaltung von Wasser (H
2O) durch Stromzufuhr in die Bestandteile Wasserstoff (H
2) und Sauerstoff (O
2), wobei hierbei das Produkt Wasserstoff zu zwei Teilen und das Produkt Sauerstoff
zu einem Teil erzeugt wird. Die dazugehörige Reaktionsgleichung lautet wie folgt:
2 * H
2O → 2 * H
2 + O
2
[0052] Eine am Industriestandort angeordnete Photovoltaikanlage 7 erzeugt am Industriestandort
Strom 3 aus Sonnenergie. Dieser Strom 3 wird für Wasserelektrolyse 11 verwendet. Der
regenerativ erzeugte Strom 3 kann hierzu in einem elektrischen Energiespeicher 8 zwischengespeichert
werden oder direkt dem Elektrolyseur der Wasserelektrolyse 11 zugeführt werden. Der
Elektrolyseur ist ein PEM-Elektrolyseur 11. Alternativ kann auch Strom 3 aus dem öffentlichen
Stromnetz 6b dem PEM-Elektrolyseur 11 zugeführt werden.
[0053] Zusätzlich zum Strom 3 werden dem PEM-Elektrolyseur 11 Druckluft 16, Stickstoff 17
und Wasser 12 bereitgestellt. Beim dem Wasser 12 handelt es sich zumindest zum Teil
um am Industriestandort anfallendes Industriewasser und/oder Grundwasser, das zur
Verwendung in der Wasserelektrolyse vorher entsprechend zweckmäßig aufbereitet wird.
Dies ist nachfolgend in Zusammenhang mit Figur 2 näher beschrieben.
[0054] In diesem Ausführungsbeispiel wird die Druckluft 16 zur Steuerung des PEM-Elektrolyseurs
11 genutzt und der Stickstoff 17 zur Reinigung des PEM-Elektrolyseurs 11. Insbesondere,
wenn der PEM-Elektrolyseur keinen Wasserstoff 1 produziert, können mit dem Stickstoff
17 die Membranen des PEM-Elektrolyseurs 11 gereinigt werden.
[0055] Durch eine Zufuhr des Wassers 12 und des Stroms 3 können durch Spaltung des Wassermoleküls
Wasserstoff 1 und Sauerstoff 2 hergestellt werden.
[0056] Dem PEM-Elektrolyseur 11 und dem hierüber hergestellten Wasserstoff 1 werden über
einen ersten Wärmetauscher 15a und dem hergestellten Sauerstoff 2 über einen zweiten
Wärmetauscher 15b Wärme 4 entzogen. In Figur 1 ist dies vereinfacht dargestellt. Die
Wärme 4 wird dem Wasserstoff 1 sowie dem Sauerstoff 2 in einem Trocknungsprozess entzogen.
[0057] Eine beispielhafte Realisierung (nur zum Teil in Figur 1 dargestellt) sieht hierbei
vor, dass der hergestellte Wasserstoff aus dem Elektrolyseur kommend einen Wasserstoff-Abscheider
(nicht dargestellt) durchläuft, in welchem Wasser aus dem feuchten Wasserstoff abgeschieden
wird. In einem nächsten Schritt wird dem noch mit einer Restfeuchte beinhaltenden
abgeschiedenen Wasserstoff mittels des ersten Wärmetauschers 15a Wärme entzogen. Der
abgekühlte Wasserstoff gelangt danach in einen Wasserstoff-Trockner (nicht dargestellt),
der nochmals vorhandene Restfeuchte aus dem Wasserstoff entzieht. Ein sich daraus
ergebender Wasserstrom gelangt von dort nochmals in den Wasserstoff-Abscheider. Der
getrocknete Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Trockner wird im nächsten Schritt verdichtet,
wobei der Verdichter eine beliebige Anzahl Verdichtungsstufen umfassen kann. Durch
die im Verdichtungsprozess in den Wasserstoff eingebrachte Arbeit und eine damit einhergehende
Erwärmung des Wasserstoffs wird im nächsten Schritt mittels eines Kühlkreislaufes
wieder entzogen, bevor der Wasserstoff in dem Wasserstoffspeicher 13 gespeichert wird.
Auf den Kühlkreislauf wird in einem späteren Abschnitt erneut eingegangen.
[0058] Eine analoge Prozesskette ergibt sich optional für den hergestellten Sauerstoff,
wobei der zweite Wärmetauscher 15b eingesetzt wird, um dem Sauerstoff eine Wärme 4
zu entziehen, und kein Verdichter eingesetzt wird, bevor der Sauerstoff 2 in geeigneten
Sauerstoffspeichern (nicht dargestellt) gespeichert wird.
[0059] Sowohl das Wasser aus dem Wasserstoff-Abscheider als auch der Sauerstoff aus dem
Sauerstoff-Abscheider werden in separate Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Ablassbehälter
geleitet, aus denen jeweils feuchter Wasserstoff bzw. feuchter Sauerstoff entweichen
kann und das entstehende Wasser danach jeweils optional wieder der Wasserelektrolyse
zugeführt werden kann. In einer Ausführungsvariante kann das Wasser vorzugsweise vor
Zuführung zur Wasserelektrolyse de-ionisiert werden.
[0060] Die aus dem PEM-Elektrolyseur 11, dem Wasserstoff 1 und dem Sauerstoff 2 gewonnene
Wärme 4 wird einem lokalen Wärmenetz 5a zur Verfügung gestellt.
[0061] Nachdem der Sauerstoff 2 getrocknet und gekühlt wurde, wird er gespeichert und in
mindestens einer industriellen Anwendung 31 verbraucht, z. B. bei Schweißprozessen.
[0062] Der Wasserstoff 1 wird, wie vorstehend erwähnt, nach der Trocknung verdichtet und
einem Wasserstoff-Speicher 13 zugeführt, z. B. einem druckfesten Kryospeicher. Auch
die im Verdichtungsprozess wieder in den Wasserstoff eingeführte Wärme wird durch
den Wärmetauscher 15a dem Wasserstoff entzogen, bevor dieser in den Wasserstoff-Speicher
13 gelangt.
[0063] Aus dem Wasserstoff-Speicher 13 kann Wasserstoff 1 für die industrielle Anwendung
30 zur Verfügung gestellt werden. Die industrielle Anwendung im vorliegenden Ausführungsbeispiel
umfasst, wie vorstehend erwähnt, sowohl die Produktion eines Wasserstoffantriebs 30a
als auch die Entwicklung eines Wasserstoffantriebs 30b. Der Wasserstoff kann hierbei
lediglich beispielhaft zum Testen eines Wasserstoffantriebs im Rahmen eines Entwicklungsprozesses,
zur Erstbetankung von produzierten Fahrzeugen und/oder für die Betankung im Rahmen
von Testfahrten verwendet werden.
[0064] Der hergestellte und gespeicherte Wasserstoff 1 wird zusätzlich als Energiequelle
zur Wärme- und Stromerzeugung 20 am Industriestandort 100 verwendet. Hierzu wird der
Wasserstoff 1 aus dem Wasserstoffspeicher 13 entnommen und einem Brennstoffmischer
21 zugeführt. In den Brennstoffmischer 21 gelangt neben Wasserstoff 1 auch Methan
26a, 26b. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Methan 26a, 26b sowohl aus
einer externen Quelle als Methan 26b, vorzugsweise Bio-Methan, und/oder als Methan
26a aus einer vorangegangenen Methanisierung 25 bezogen werden.
[0065] Der so erzeugte Brennstoff 27 wird als Wasserstoff-Methan-Gemisch in einen Brennstoffspeicher
22 geleitet und dort zwischengespeichert. Der Brennstoff 27 kann aus dem Brennstoffspeicher
22 zur Verbrennung einem Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung 23 zugeführt werden, das
sich ebenfalls am Standort befindet, vorzugsweise ausgeführt als Blockheizkraftwerk.
[0066] Alternativ und hier nicht dargestellt kann der Brennstoff 27 auch direkt ohne Zwischenspeicher
als reiner Wasserstoff 1 dem Kraftwerk 23 zugeführt werden. Außerdem kann eine Zuführung
von reinem Methan 26a, 26b ohne eine Vermischung mit Wasserstoff 1 erfolgen.
[0067] Das Kraftwerk 23 erzeugt Strom 3 und Wärme 4 sowie Abgase. Das Kohlenstoffdioxid
des Abgases 24 wird einer Methanisierung 25 zugeführt, in welcher das Kohlenstoffdioxid
des Abgases 24 sowie hergestellter Wasserstoff 1 zu Methan 26a reagieren. Hierzu kann
ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter Methanisierungsprozess bzw. eine Methanisierungsanlage
verwendet werden.
[0068] Der erzeugte Strom 3 aus dem Kraftwerk 23 wird in ein lokales Stromnetz 6a eingespeist
und/oder in das öffentliche Stromnetz 6b zur Deckung von Spitzenlasten. Die erzeugte
Wärme 4 aus dem Kraftwerk 23 wird in diesem Ausführungsbeispiel dem lokalen Wärmenetz
5a zur Verfügung gestellt. Wenn das lokale Wärmenetz 5a keinen entsprechenden Bedarf
hat, kann die Wärme 4 auch über einen Wärmestrom 28 in ein öffentliches Wärmenetz
5b eingespeist werden.
[0069] Figur 2 zeigt eine vereinfachte Prozessskizze einer Wasseraufbereitung.
[0070] Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass für die Wasserelektrolyse zumindest zum
Teil am Industriestandort anfallendes Industriewasser und/oder Grundwasser verwendet
wird, das zur Verwendung in der Wasserelektrolyse vorher entsprechend zweckmäßig aufbereitet
wird. Industriewasser ist Wasser, dass z. B. im Rahmen von Industrieprozesses anfällt
und in der Regel verunreinigt ist.
[0071] Zur Aufbereitung von Industriewasser 41 wird dieses einer Vakuumverdampferanlage
42 zugeführt, in welcher eine erste Aufbereitung des Industriewassers 41 erfolgt.
Feststoffe werden als abgeschiedene Stoffe 47 dem Industriewasser entnommen. Das nun
teilweise aufbereitete Industriewasser 46 und/oder Grundwasser 43, welches vorzugsweise
aus lokalen Brunnen gewonnen wird, wird in einer Filteranlage 44 filtriert. Eine anschließende
De-ionisierung bzw. Entsalzung 45 des filtrierten Wassers ist optional möglich und
erhöht die Lebensdauer der Elektrolysemembran. Das filtrierte Wasser wird als Wasser
12 dem PEM-Elektrolyseur 11 aus Figur 1 zugeführt.
[0072] Alternativ ist auch ausschließlich eine Wassergewinnung aus Grundwasser 23 oder Industriewasser
41 möglich. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist eine De-ionisierung bzw. Entsalzung
45 optional möglich.
[0073] Zusammengefasst wird mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine vorteilhafte
Dekarbonisierung und/oder Reduzierung der CO2-Emissionen des Industriestandorts ermöglicht.
Einerseits kann mit dem vor Ort hergestellten sog. grünen Wasserstoff der Wasserstoffbedarf
im Rahmen von Entwicklungs- und Produktionsprozessen zumindest zum Teil gedeckt werden
und anderseits der Wasserstoff gleichzeitig als Energiequelle zur Strom- und Wärmeerzeugung
am Standort eingesetzt werden. Ferner zeichnet sich das dargestellte Ausführungsbeispiel
dadurch aus, dass die einzelnen Prozessschritte im Hinblick auf eine möglichst effektive
Dekarbonisierung des Standorts optimiert sind, z. B. durch Wärmerückgewinnungsprozesse
im Anschluss an die Wasserelektrolyse oder durch eine weitere Reduzierung der CO2-Emissionen
durch Methanisierung etc.
[0074] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben
worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt
werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich
der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten
Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen,
die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht
die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig
von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
[0075]
- 1
- Wasserstoff
- 2
- Sauerstoff
- 3
- Strom
- 4
- Wärme
- 5a
- Lokales Wärmenetz
- 5b
- Öffentliches Wärmenetz
- 6a
- Lokales Stromnetz
- 6b
- Öffentliches Stromnetz
- 7
- Photovoltaikanlage
- 8
- Elektrischer Energiespeicher
- 10
- Herstellung von Wasserstoff am Industriestandort durch Wasserelektrolyse
- 11
- Wasserelektrolyse, PEM-Elektrolyseur
- 12
- Wasser
- 13
- Wasserstoff-Speicher
- 14
- Wasserstoff-Notfallversorgung
- 15a
- Erster Wärmetauscher
- 15b
- Zweiter Wärmetauscher
- 16
- Druckluft
- 17
- Stickstoff
- 20
- Wärme und/oder Stromerzeugung
- 21
- Brennstoffmischer
- 22
- Brennstoffspeicher
- 23
- Kraftwerk
- 24
- Kohlenstoffdioxid des Abgases
- 25
- Methanisierung
- 26a, 26b
- Methan
- 27
- Brennstoff
- 28
- Wärmestrom in ein öffentliches Wärmenetz
- 30
- Industrielle Anwendung
- 30a
- Produktion eines Wasserstoffantriebs
- 30b
- Entwicklung eines Wasserstoffantriebs
- 31
- Industrielle Anwendung
- 40
- Wasseraufbereitung
- 41
- Industriewasser
- 42
- Vakuumverdampferanlage
- 43
- Grundwasser
- 44
- Filtrierung
- 45
- Entsalzung/De-ionisierung
- 46
- (Teilweise) aufbereitetes Industriewasser
- 47
- Abgeschiedene Stoffe
- 100
- Industriestandort
1. Verfahren zur Dekarbonisierung eines Industriestandorts (100), umfassend die Schritte:
Herstellung (10) von Wasserstoff (1) am Industriestandort (100) durch Wasserelektrolyse
(11), wobei für die Wasserelektrolyse (11) benötigter Strom (3) zumindest teilweise
am Industriestandort (100) aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle erzeugt
wird; und
Verwenden des hergestellten Wasserstoffs (1) in mindestens einer industriellen Anwendung
(30) am Industriestandort (100) und/oder als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung
(20) am Industriestandort (100).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
a) der Industriestandort (100) ein Produktions- und/oder Entwicklungsstandort ist,
an dem ein Wasserstoffantrieb für Fahrzeuge, vorzugsweise Kraftfahrzeuge, entwickelt
und/oder produziert wird, und/oder
b) die mindestens eine industrielle Anwendung (30) die Entwicklung und/oder Produktion
eines Wasserstoffantriebs (30a, 30b) für Fahrzeuge umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Wasserelektrolyse (11) zumindest teilweise
a) am Industriestandort (100) anfallendes und aufbereitetes Industriewasser (41),
beispielsweise durch einen Produktionsprozess verunreinigtes und durch eine Vakuumverdampferanlage
(42) aufbereitetes Wasser, und/oder
b) am Industriestandort vorhandenes Grundwasser (43) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
Verwenden von durch die Wasserelektrolyse (11) hergestelltem Sauerstoff (2) in mindestens
einer industriellen Anwendung (31) am Industriestandort (100), beispielsweise in Schweiß-Anwendungen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verwenden des hergestellten
Wasserstoffs (1) als Energiequelle zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (20) am Industriestandort
(100) umfasst:
Nutzung eines Teils des hergestellten Wasserstoffs (1) zur Wärme- und/oder Stromerzeugung
(20) durch ein am Industriestandort (100) angeordnetes Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung,
KWK, das vorzugsweise als Blockheizkraftwerk ausgeführt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend:
Vermischen eines Teils des hergestellten Wasserstoffs (1) mit Methan (26) und Zwischenspeichern
des resultierenden Wasserstoff-Methan-Gemisches in einem Brennstoff-Zwischenspeicher
(22); und
Zuführen des zwischengespeicherten Wasserstoff-Methan-Gemisches als Brennstoff (27)
zum Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung.
7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend:
eine Methanisierung (25) von als Abgas von dem Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung
erzeugtem Kohlenstoffdioxid (24) unter Verwendung von dem am Industriestandort (100)
hergestellten Wasserstoff (1); und
Verwenden des durch die Methanisierung (25) hergestellten Methans (26) für das Vermischen
mit einem Teil des hergestellten Wasserstoffs (1) und/oder Zwischenspeichern von durch
die Methanisierung (25) erzeugtem Methan (26) in dem Brennstoff-Zwischenspeicher (22).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner umfassend das Einspeisen von durch
das am Industriestandort angeordnete Kraftwerk (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugter
und am Industriestandort (100) nicht benötigter Wärme (4) und/oder Strom (3) in ein
öffentliches Wärme- und/oder Stromnetz (5b, 6b).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Auslastung des Kraftwerks (23) mit Kraft-Wärme-Kopplung
zur Stabilisierung oder zum Ausgleich von Bedarfsschwankungen des öffentlichen Wärme-
und/oder Stromnetzes (5b, 6b) aktiv gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine bei der Herstellung
von Wasserstoff (1) durch Wasserelektrolyse (11) erzeugte Abwärme in ein Nahwärmenetz
(5a) am Industriestandort (100) eingespeist wird, wobei die Abwärme vorzugsweise mittels
eines ersten Wärmetauschers (15a) aus dem hergestellten Wasserstoff (1) und/oder mittels
eines zweiten Wärmetauschers (15b) aus einem durch die Wasserelektrolyse (11) hergestellten
Sauerstoff (2) gewonnen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Wasserelektrolyse
(11) ein Protonen-Austausch (engl. Proton Exchange Membrane, PEM)- Elektrolyseur verwendet
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine am Industriestandort (100) vorgesehene Stickstoff-Versorgungseinrichtung
(17) und/oder Druckluft-Versorgungseinrichtung (16) in mindestens einer industriellen
Anwendung am Industriestandort (100) verwendet wird und zusätzlich zur Reinigung des
Protonen-Austausch-Elektrolyseurs (11), vorzugsweise zur Reinigung von dessen Protonen-Austausch-Membran,
verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein am Industriestandort
(100) vorgesehener Kühlwasserkreislauf in mindestens einer industriellen Anwendung
am Industriestandort (100) verwendet wird und zusätzlich zur Kühlung des durch die
Wasserelektrolyse (11) hergestellten Wasserstoffs (1) und/oder Sauerstoffs (2) verwendet
wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom (3), der zumindest
teilweise am Industriestandort (100) aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle
erzeugt wird, mittels einer am Standort angeordneten Photovoltaikanlage (7) und/oder
Windkraftanlage erzeugt wird und zumindest zum Teil in einem Speicher für elektrische
Energie (8) zwischengespeichert wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Wasserelektrolyse
(11) benötigter Strom (3) bei Bedarf zusätzlich von einem öffentlichen Stromnetz (6b)
bezogen wird.