Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung eines oder mehrerer wärmeverbrauchender Prozesse, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine wärmeverbrauchende Prozess elektrisch beheizt wird, die maximale Temperatur in der Re aktionszone des wärmeverbrauchenden Prozesses größer als 500° C ist, mindestens 70 % der Produkte des mindestens einen wärmeverbrauchenden Prozess in Downstream-Prozes- sen kontinuierlich weiterverarbeitet werden und/oder einem lokalen Energieträgernetz zu geführt werden und die benötigte elektrische Energie für den mindestens einen wärmever brauchenden Prozess aus einem externen Stromnetz und aus mindestens einer lokalen Stromquelle bezogen wird, wobei die mindestens eine lokale Stromquelle zu mindestens 50 % ihres jährlichen Energiebedarfs aus mindestens einem lokalen Energieträgernetz gespeist wird und zu maximal 50 % ihres jährlichen Energiebedarfs mit Produkten aus dem wärme verbrauchenden Prozess gespeist wird, wobei im mindestens einem lokalen Energieträger netz als Energieträger Erdgas, Naptha, Wasserstoff, Synthesegas und/oder Wasserdampf gespeichert wird, wobei das mindestens eine lokale Energieträgernetz mit mindestens ei nem weiteren Produkt und/oder Nebenprodukt aus mindestens einem weiteren chemischen Prozess gespeist wird und wobei das lokale Energieträgernetz eine Gesamt-Kapazität von mindestens 5 GWh aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Verfah rens als Minutenreserve für das öffentliche Stromnetz und die Verwendung von lokalen Energieträgernetzen von Chemie-Standorten zur Speicherung von elektrischer Energie.

Eines der größten Probleme der Nutzbarmachung der erneuerbaren Energien ist die man gelnden Speicherkapazitäten zum Abfedern von Schwankungen, die aufgrund der starken Abhängigkeit von Wettereinflüssen, ständig auftreten.

Das Problem der Speicherung der erneuerbaren Energie wird bereits seit den achtziger Jah ren thematisiert. Um den Energieabnehmern, z.B. der chemischen Industrie, trotz Verwen dung von erneuerbaren Energien den erzeugten Strom bedarfsgerecht anbieten zu können, wurde u.a. folgendes von den Energieanbietern in Erwägung gezogen:

US 4,776,171 beschreibt ein Energieerzeugungs- und Management System bestehend aus mehreren erneuerbaren Energiequellen und mehreren Energiespeicherquellen, sowie meh reren Kontroll- und Verteilungsstationen, um dem Bedarf der Industrie gerecht zu werden.

In US 2011/0081586 wird eine Kombination einer erneuerbaren Energiequelle mit einer elektrochemischen oder elektrolytischen Zelle beschrieben, in der die elektrochemische o- der elektrolytische Zelle die Schwankungen der erneuerbaren Energiequelle ausgleichen kann und diese somit kontinuierlich nutzbar macht.

US 2008/0303348 offenbart ein Kraftwerk, das ausschließlich auf erneuerbaren Energien beruht und dennoch eine bedarfsabhängige Steuerung ermöglicht. US 2008/0303348 be- schreibt die Kombination von Windenergie, Sonnenenergie und der Energie, die aus der Ver brennung von Biomasse gewonnen wird. Es wird beschrieben, dass das Kraftwerk reibungs los und spontan zwischen den drei Energiequellen wechseln kann, um zu jeder Zeit den ent sprechenden Bedarf der Industrie kostengünstig zu decken.

Der Fokus dieser Offenbarungen liegt darin, den Abnehmern den Strom bedarfsgerecht - trotz Verwendung von schwankender erneuerbarer Energie - anbieten zu können. Folglich gibt der Abnehmer die Menge der Stromproduktion vor und das Wetter bestimmt den Anteil an regenerativ-erzeugtem Strom.

In US 2012/0186252 wird eine Methode zum Generieren und Verteilung von Elektrizität be schrieben, die nicht ausschließlich an den Bedarf von externen Abnehmern angepasst ist. Gemäß US 2012/0186252 wird ein konventionelles Kraftwerk mit fossilen und/oder erneu erbaren Brennstoffen betrieben und der erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz einge speist, solange Bedarf an Strom besteht. In den Zeiten, in denen der Bedarf an Strom gering ist, wird der erzeugte Strom intern zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet, der im Fol genden mit Kohlenstoffdioxid in einem Sabatier-Prozess zu dem erneuerbaren Brennstoff Methan umgesetzt werden kann. Der Wasserstoff-Generator kann somit durch eine schwankende Produktionsleistung die langsame Dynamik der lokalen Stromquelle dämpfen. Ferner wird in den Zeiten, in denen Überschussstrom verfügbar ist, Strom aus dem öffentli chen Netz zur Betreibung des internen Wasserstoff-Generators verwendet. Der Wasser stoff-Generator wird demnach in Abhängigkeit von dem Strombedarf und Stromangebot be trieben; bei wenig Strombedarf kommt der Strom für den Generator aus einer lokalen Quelle und in Zeiten von Überschussstrom aus dem öffentlichen Stromnetz. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Wasserstoffgenerator als wärmeverbrauchender Prozess mit schwankender Produktionsleistung betrieben wird, da dieser dazu dient, die Leistungsab gabe des konventionellen Kraftwerks an den Bedarf des Netzes anzupassen. Ein Betriebs modus, der- wie in Verbundstandorten der Chemischen Industrie erforderlich - eine kon stante Produktionsleistung des Wasserstoffgenerators gewährleistet, wird nicht offenbart.

US 4,558,494 beschreibt die direkte Nutzung von Solarenergie zur Herstellung von Ammo niak. Die erforderliche Wärme für diesen endothermen Prozess wird durch ein Wärmeüber tragungsfluid bereitgestellt, das durch Solarenergie, wenn Solarenergie vorhanden ist, und durch Verbrennen des erzeugten Ammoniaks, wenn keine Solarenergie vorhanden ist, er hitzt wird. US 4,668,494 offenbart demnach die Verwendung von zwei separaten Energie quellen, eine solare und eine oxidative, für einen endothermen chemischen Prozess; wobei die Verwendung einer elektrischen Energiequelle nicht beschrieben wird.

Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung, der im Jahr 2016 in Deutschland bereits bei 50% bezogen auf die installierte Leistung und bei 30% bezogen auf die Stromer zeugung lag (Stand: 26.2.2017;„Energie für Deutschland, Fakten, Perspektiven und Positio nen im globalen Kontext“, Weltenergierat - Deutschland e.V., 2017), wird sich in den nächs ten Jahren noch deutlich erhöhen, da aufgrund steigender Kosten für fossile Energieträger einerseits und wegen marktregulatorischer Maßnahmen andererseits die Technologien zur Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien betriebswirtschaftlich attraktiv sind und es bleiben werden.

In naher Zukunft wird es demnach immer häufiger durch das Einspeisen der anteilig stei genden erneuerbaren Energien aus Sonne, Wind und Wasser in das Stromnetz vermehrt zu Stromspitzen kommen, die nur unvollständig von den Stromverbrauchern abgenommen wer den können. Diese Stromspitzen, der sog. Überschussstrom, muss durch gezielte Aktivie rung stromverbrauchender Prozesse aufgefangen werden, um die Netzstabilität zu gewähr leisten.

Die Verbraucher stellen die sogenannte negative Regelleistung zur Verfügung. Bei der Re gelleistung wird abhängig von der geforderten Aktivierungszeit in Sekundärregelleistung und Minutenreserveleistung unterschieden. Die Bereitstellung einer Kapazität als Regelleistung, die sogenannte Regelleistungsvorhaltung, wird vergütet, unabhängig davon, ob die Kapazi tät in Anspruch genommen wird oder nicht. Im Jahr 2016 betrug die durchschnittliche aus geschriebene negative Sekundärregelleistung und Minutenreserveleistung jeweils rund 1900MW. In Deutschland betrug im Jahr 2016 die Vergütung für die Regelleistungsvorhal tung für Primär-Regelleistung, Sekundär-Regelleistung und Minutenreserveleistung knapp 200 Mio€ (Monitoringbericht 2017 der Bundesnetzagentur).

Die Vergütung für die Inanspruchnahme der Regelleistung wird über den Ausgleichsenergie preis bestimmt. Der Ausgleichsenergiepreis kann auf dem Strommarkt deutlich unterhalb seiner Gestehungskosten oder zu Preisen, die bezogen auf seinen Energiegehalt niedriger sind als für einen fossilen Brennstoff mit demselben Brennwert, oder umsonst (d.h. ohne Gegenleistung) oder sogar zu negativen Preisen, angeboten werden. Im Jahr 2016 lag der Mittelwert des Ausgleichsenergiepreises bei -14,12€/MWh. Das bedeutet, dass Verbrau cher, die Überschussstrom abnahmen, zusätzlich eine Gutschrift erhielten. Diese Summe der Gutschriften betrug im Jahr 2016 ca.10,78 Mio€.

In Deutschland wird durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz den Produzenten erneuerba rer Energien die vorrangige Einspeisung in das Stromnetz garantiert. Kommt es trotz aller Netzoptimierungs- und Netzausbaumaßnahmen zu Situationen, in denen ein Herunterregeln der erneuerbaren Elektrizitätserzeuger aufgrund von Überkapazitäten bzw. fehlender Trans portkapazitäten nicht vermeidbar ist, so muss dies vom Netzbetreiber, in dessen Netz die Ursache für das Herunterregeln begründet ist, vergütet werden. Im Jahr 2016 waren 3743,2 GWh von diesen sog. Einspeisemanagementmaßnahmen betroffen, die mit etwa 643 Mio.€ vergütet werden mussten (Monitoringbericht 2017 der Bundesnetzagentur).

Der Kostendruck auf die thermischen Kraftwerke, die als Grundlastkraftwerke dienen, nimmt zu, da die Einspeisung von Wind und Photovoltaik zu einer starken Reduktion der mi nimalen Residuallast (um 18 bis 20 GW) bei konventionellen Kraftwerken führt. Anderer- seits erfordern technische Limitierungen (Mindestlast und Anfahrzeit) sowie die Anforde rungen der Systemstabilität (Bereitstellung von Systemdienstleistungen) eine konventio nelle Mindesterzeugung. Vereinfachte Abschätzungen ergeben, dass zur Sicherstellung der Systemstabilität aktuell eine Mindesterzeugung der konventionellen Kraftwerke im Bereich von 4 bis 20 GW notwendig ist. Diese wird benötigt, um ausreichend Blindleistung und Wirkleistungsreserve zur Reaktion auf die fluktuierende Einspeisung von Wind und Photo- voltaik bereitzustellen (Statusbericht Flexibilitätsbedarf im Stromsektor.

Diese Aufgaben stellen hohe Anforderungen an den nutzbaren Lastbereich und die Reakti onszeit der Kraftwerke. Die Anfahrdauer von Braun- und Steinkohlekraftwerken beträgt mehrere Stunden. Die Anfahrdauer von GuD-Kraftwerken liegt im Bereich einer Stunde. Le diglich Gasturbinenkraftwerke können innerhalb weniger Minuten angefahren werden. Der Kraftwerkswirkungsgrad beträgt 55% bis 60% bei GuD-Kraftwerken, 42% bis 47% bei Stein kohlekraftwerken, 38% bis 43% bei Braunkohlekraftwerken und 34% bis 40% bei Gasturbi nenkraftwerken. Alle thermischen Kraftwerkstypen haben einen nutzbaren Lastbereich zwi schen 40% und 90% der Maximalleistung, wobei der Kraftwerkswirkungsgrad im Bereich der Volllast am höchsten ist. Unter Berücksichtigung dieser Merkmale ergibt sich die Aufgabe, Verbraucher mit einem großen, kontinuierlichen Leistungsbedarf an das Stromnetz anzu schließen, damit Grundlastkraftwerke möglichst kontinuierlich bei hoher Last arbeiten kön nen.

Gegenwärtig werden kurzzeitige Stromschwankungen mit Hilfe sog. hochdynamischer Kraft werke, die die betreffende Spitzenlast abfangen können, im Rahmen einer Systemdienst leistung für die Netzbetreiber kompensiert. Dies geschieht heute im Wesentlichen durch Pump- und Druckspeicherkraftwerke sowie Gas- und Dampfkraftwerke. Bei ersteren ist die installierbare Kapazität in Deutschland schon im Wesentlichen ausgeschöpft. Die Installa tion und der Betrieb von Gas- und Dampfkraftwerken zur Spitzenlastkompensation ist für die Energieanbieter kaum interessant, da deren Amortisationszeiten aufgrund der zu gerin gen Jahreslaufzeit dieser Systeme viel zu lang sind. Ferner weisen die Druckluftspeicher kraftwerke mit ca.40 bis 50% einen relativ geringen Wirkungsgrad auf.

Bei der Frequenzregelung in elektrischen Netzen werden unterschiedlich schnelle Regel kreise eingesetzt: Die Primärregelung mit einer Ansprechzeit von weniger als 30s, die Se kundärregelung mit einer Ansprechzeit von weniger als 5min und schließlich die Tertiärre gelung, die eine längere Ansprechzeit zulässt. Die Primärregelung wird automatisch ausge löst und wirkt direkt auf den Betriebszustand laufender Kraftwerke. Die Sekundärregelung wird ebenfalls automatisch ausgelöst und kann Reservekapazitäten aus dem Standby-Mo- dus heraus aktivieren. Die Tertiärregelung (oder Minutenreserve) wird in der Regel durch organisatorische Maßnahmen aktiviert. Die Sekundärregelung und die Minutenreserve kön nen positiv (bei erhöhtem Leistungsbedarf) oder negativ (bei reduziertem Leistungsbedarf) sein. Die positive Sekundärregelung und die Minutenreserve wird üblicherweise durch Zu schalten von Reservekraftwerken aktiviert. Die negative Minutenreserve erfordert einen Energieverbraucher. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden dafür neben Pumpspei cherkraftwerken auch Kapazitätsänderungen von Großkraftwerken und Kraft-Wärme-Kopp- lungs-Anlagen sowie Endverbraucher, wie z.B. Lichtbogenöfen oder Kühlhäuser, genutzt. Jedoch ist deren Kapazität regional ungleichmäßig verteilt (s. IDOS-Bericht). Außerdem ist absehbar, dass der Bedarf an negativer M i nuten res erve durch den Ausbau der regenerati ven Energiequellen zunehmen wird. Im Jahr 2016 betrug die von den vier deutschen Netzbe treibern abgerufene negative Sekundärregelleistung ca.710GWh und die negative Minuten reserve insgesamt ca.54GWh (s. Monitoringbericht der Bundesnetzagentur 2017 S.158).

Eine weitere Möglichkeit zur Pufferung von Differenzen zwischen dem Angebot und dem Verbrauch elektrischer Energie sind Wärmespeicher. Wärmespeicher können Energie in Form von Wärme speichern. Die Wärme kann aus beispielsweise aus Rauchgasen von Ver brennungsprozessen, aus elektrischen Heizungen, aus Solarkollektoren bezogen werden.

Aus der gespeicherten Wärme kann in einem Wärmekraftprozess elektrische Energie produ ziert werden. Aus diesem Grund ist der Wärmespeicher umso wirksamer, je höher die Tem peratur ist, auf dem die Wärme erzeugt wird. Wärmespeicher lassen sich in drei Hauptkate gorien unterteilen. Sensible Wärmespeicher speichern Wärme als fühlbare Temperaturerhö hung, bei latenten Wärmespeichern wird die Energie im Phasenübergang des Speichermedi ums gespeichert. Thermochemische und Sorptionspeicher speichern Wärmeenergie reversi bel als chemische Reaktions- oder Ad-/Absorptionswärme. Als sensible Wärmespeicher werden flüssige oder feste Materialien mit hoher Wärmekapazität verwendet. Gängige Flüs sigkeiten sind Wasser für den Temperaturbereich von 0° C bis 100° C, Wärmeträgeröl für den Temperaturbereich von 0° C bis 400° C, Nitratsalze für den Temperaturbereich von 250° C bis 570° C, Carbonatsalze für den Temperaturbereich von 450° C bis 850° C und Natrium für den Temperaturbereich von 100° C bis 800° C. Gängige feste Wärmespeicher sind feuchte Kiesschüttungen für den Temperaturbereich von 0° C bis 100° C, Beton für den Temperaturbereich von 0° C bis 500° C, Kies oder Sand, Granit, oder Eisenlegierungen für den Temperaturbereich von 0° C bis 800° C und Ziegel für den Temperaturbereich von 0° C bis 1000° C.

Als Latentwärmespeicher werden Materialien eingesetzt, die im Arbeitsbereich ihren Aggre gatzustand ändern entweder zwischen fest und flüssig oder zwischen flüssig und gasförmig. Gängige Materialien sind Wasser, das bei 0° C als Fest-Flüssig-Latentwärmespeicher und im Temperaturbereich von 100° C bis 350° C als Dampf-Flüssig-Latentwärmespeicher ein gesetzt wird. Weitere Fest-Flüssig-Latentwärmespeicher sind Rohparaffin bei ca.34° C, Eicosan bei ca.37° C, Laurinsäure bei ca.44° C, Myristinsäure bei ca.54° C, Stearinsäure bei ca.70° C, Mirabilit (Na ₂ SO ₄ 10H ₂ O) bei ca.32° C, Pentahydrat (Na ₂ S ₂ 0 ₃ 5H ₂ 0) bei ca.

48° C, Bariumhydroxid-Octahydrat (Ba(0H) ₂ 8H ₂ 0) bei ca.78° C, eutektisches Natrium- chlorid/Magnesiumchlorid-Gemisch bei ca.450° C oder eutektisches Natrimchlorid/Mag- nesiumfluorid-Gemisch bei ca.832° C. Thermochemische Speicher nutzen reversible Reak tionen aus. Solche Reaktionen können die Dehydrierung von Metallhydriden, beispielsweise MgH ₂ , Mg ₂ NiH ₄ , Mg ₂ FeH ₆ , die Dehydratisierung von Metallhydroxiden, beispielsweise Mg(OH) ₂ , Ca(OH) ₂ , Ba(OH) ₂ , die Decarboxylierung von Metallcarbonaten, beispielsweise MgC0 ₃ . PbC0 ₃ , CaC0 ₃ , BaC0 ₃ , die Teilreduktion von Oxiden multivalenter Metalle, bei spielsweise Pb0 ₂ , Sb ₂ 0 ₅ , Mn0 ₂ , Mn ₂ 0 ₃ , CuO, Fe ₂ 0 ₃ , sein. Als Sorptionsspeicher werden Salzhydrate, beispielsweise MgS0 ₄ -7H ₂ 0, MgCI ₂ -6H ₂ 0, CaCI ₂ -6H ₂ 0, CuS0 ₄ -5H ₂ 0, CuS0 ₄ -H ₂ 0, oder Ammoniakate von Metallchloriden, beispielsweise CaCI ₂ -8NH ₃ , CaCI ₂ -4NH ₃ , MnCI ₂ -6NH ₃ eingesetzt. Schließlich können endotherme Hochtemperaturprozesse, die wasserstoffreiche Produkte liefern, beispielsweise die Dampfreformierung oder die Pyrolyse von Erdgas als thermochemische Speicher genutzt werden. Der Wasserstoff kann als sowohl stofflich als auch energetisch genutzt werden.

Ein wichtiges Gebiet von Wärmespeichern sind solarthermische Kraftwerke. Hier werden Salzschmelzen, Thermoöle und Betonspeicher eingesetzt. Desweiteren können Wärmespei cher, in Kraftwerken eingesetzt, die Lastflexibilität hinsichtlich Mindestlast und Lastände rungsgeschwindigkeit verbessern. Beispielsweise werden Dampfspeicher zur Bereitstellung von Regelleistung eingesetzt.

Bei den Diskussionen zur Energiewende und der Reduzierung von C02 Emissionen zum Schutz des Klimas hat die Elektrifizierung von chemischen Prozessen und insbesondere die Verwendung von stark endothermen chemischen Reaktionen als Sekundärregelung und als Minutenreserve für Überschussstrom noch wenig Bedeutung.

Elektrischer Strom wird derzeit als Energiequelle der Wahl hauptsächlich für nicht kataly sierte Gas/Feststoff- und für Feststoffreaktionen eingesetzt, wenn große Wärmeströme auf sehr hohem Temperaturniveau eingetragen werden müssen. Typische Anwendungen sind metallurgische Öfen [Ullmann: Metalurgical Furnaces]. Als einzige relevante Gasphasenpro zesse haben sich das Plasmaverfahren zur Herstellung von Acetylen aus Methan [Baumann, Angewandte Chemie, Ausgabe B, Band 20 (1948), Seiten 257-259,1948] und das Verfahren zur Herstellung von Reduziergasen in der Stahlindustrie großtechnisch etabliert. In der Lite ratur finden sich zwar weitere Hinweise auf den Einsatz von elektrischen Energiequellen in Gasphasenprozessen, aus denen jedoch bislang keine wirtschaftlich in industriellem Maß stab einsetzbaren Anwendungen entwickelt werden konnten.

Verfahren mit elektrischer Beheizung werden für die Herstellung von Blausäure (HCN) aus Alkanen, insbesondere aus Methan und Ammoniak, beschrieben. In der Patentschrift US 2,958,584 wird die Herstellung von HCN aus Propan und Ammoniak in einer elektrisch be heizten Wirbelschicht aus Kohlenstoffpartikeln offenbart, während US 6,096,173 die Her stellung von Blausäure als Gasphasenreaktion von Methan und Ammoniak unter Verwen dung einer Korona-Entladung beschreibt.

US 7,288,690 beschreibt ein Verfahren zur Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen, wobei die Spaltrohre elektrisch beheizt werden. Die Verbesserung, die durch diese Erfindung er zielt wird, ist im Wesentlichen die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung, um aus der Ver brennung eines Brennstoffes gleichzeitig Wärme und Elektrizität zu erzeugen. Der Brenn stoff wird bevorzugt in einer Gasturbine verbrannt, die einen Generator antreibt. Der dabei erzeugte elektrische Strom wird zur Beheizung der Spaltrohre verwendet. Die in den Ver brennungsabgasen enthaltene fühlbare Wärme dient zur Vorheizung des Einsatzgemisches. Nachteilig an dieser Lösung ist die Kopplung zwischen den Energieströmen, die für die elektrische Beheizung der Spaltrohre und für die Vorheizung des Einsatzgemisches zur Ver fügung stehen. Diese Kopplung erzwingt einen suboptimalen Betriebszustand einer der bei den Prozessstufen. Außerdem ist die Anwendbarkeit der Erfindung auf nicht-wärmeinte- grierte Prozesse beschränkt.

DE 102013209883 beschreibt eine integrierte Anlage zur elektrochemischen Herstellung von Blausäure mit einer diskontinuierlichen Fahrweise, die ihre Prozessleistung an das ex terne Stromangebot mittels Wetterprognose anpassen kann. In analoger Weise beschreibt DE 102012023832 eine integrierte, dynamische Anlage zur elektrochemischen Herstellung von Ethin. Der jeweilige Reaktor wird über das externe Stromnetz und über eine lokale Stromquelle mit elektrischer Energie versorgt, wobei die lokale Stromquelle einen wasser stoffreichen Abgasstrom aus der Blausäure- bzw. Ethinproduktion ohne Zwischenspeiche rung für die Stromproduktion direkt nutzt. Als Stromquelle können Brennstoffzellen- sowie Gasturbinenkraftwerke oder GuD-Kraftwerke eingesetzt werden. Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff werden gespeichert; diese Speicher weisen eine Kapazität an Wasserstoff auf, die in 48 Stunden mit Hilfe dieser Anlage produziert werden kann (ca.5000 MWh). Aus dem Speicher werden die Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff unter Berücksichtigung des Wobbe-Indizes dem Erdgasnetz zugeführt oder die Kohlenwasserstoffe werden erneut in den Reaktor geführt. Eine Verwendung der gespeicherten Gase zum Betreiben der lokalen Stromquelle wird nicht offenbart.

Durch die dynamische Fahrweise ergibt sich der Nachteil in der Betriebssicherheit, dadurch dass zerfallsfähige, hochgradig reaktive Stoffe wie Ethin und Blausäure gespeichert werden müssen, um die schwankenden Produktionsmengen auszugleichen. Ferner ist nachteilig, dass durch die häufigen Anfahr- und Abschaltvorgänge die Reaktoren starke Temperatur schwankungen erfahren, die sich negativ auf ihre Lebensdauer und Betriebssicherheit aus wirken. Ferner ist nachteilig, dass die Vorrichtung zur Einleitung eines Gases in ein Erdgas netz einen erheblichen Zusatzaufwand an Maschinen und Apparaten erfordert, die für die Durchführung des Prozesses nicht erforderlich sind. Ferner ist nachteilig, dass die Pro zessdynamik, insbesondere die der Trennstufen sowie die Planungsintervalle der Wetter prognose zu lang sind, um den Prozess als Sekundär- oder Tertiärreserve zu nutzen.

Ferner wurden der Einsatz eines Plasmagenerators für die Herstellung von Synthesegas (37 L. Kerker, R. Müller:“Das Plasmareforming-Verfahren zur Erzeugung von Reduktionsga sen,’’ Stahl Eisen 104, (1984) no.22, 1137) sowie die Nutzung elektrischer bzw. elektromag netischer Verfahren zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen beschrieben (Häussinger, P., Lohmüller, R. and Watson, A. M.2000. Hydrogen, 2. Production. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry). d

Derzeit werden viele wichtige Hochtemperaturprozesse jedoch ausschließlich unter Ver wendung von Energiequellen durchgeführt, die über oxidative Verfahren (autotherm und/o der allotherm) gespeist werden. Die Nachteile dieser oxidativen Verfahren, d.h. die Roh stoffabhängigkeit und die begrenzte Verfügbarkeit der Rohstoffe sowie die mit den oxidati ven Verfahren verbundenen C02-Emission, sind hinreichend bekannt. In industriellem Maß stab laufen diese energie-intensiven Prozesse kontinuierlich ab und benötigen deshalb eine konstante Wärmeversorgung. Der Energiebedarf dieser Prozesse in Deutschland wird auf 300 bis 600 TWh geschätzt. Das entspricht ungefähr der aktuelle Nettostromerzeugung in Deutschland. Endotherme Hochtemperaturprozesse besitzen also eine nennenswerte Kapa zität, um Überschussstrom aufzunehmen.

Bei einigen wichtigen wärmeverbrauchenden Prozessen handelt es sich um Hochtempera turprozesse, d.h. Prozesse, die bei Temperaturen zwischen 500 und 2.500° C ausgeführt werden. Als Vertreter dieser sehr energie-intensiven Verfahren seien die Dampf- und die Trocken-Reformierung, Dehydrierungen, beispielsweise von primären Alkoholen zu Aldehy den, von sekundären Alkoholen zu Ketonen, von Alkanen zu Alkenen und von Cycloalkanen zu Cycloalkenen, die Herstellung von Blausäure durch Formamidspaltung oder aus Methan und Ammoniak, die Herstellung von Stickstoffmonoxid aus Luft, die Dampfspaltung bzw. die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen und die Thermolyse von Wasser genannt. Die Dampf- und die Trockenreformierung sind Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, einer Mi schung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie beispielsweise Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse sowie Wasser bzw. Kohlendioxid. Die Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen ist das industriell etab lierte Verfahren zur Herstellung von kurzkettigen Olefinen, insbesondere Ethylen und Propy len sowie aromatischen Verbindungen aus kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgern wie beispielsweise aus Schiefergas, Naphtha, Flüssiggasen. Dieser Prozess läuft bei kurzen Re aktionszeiten im kinetisch kontrollierten Regime ab. Die Pyrolyse ist ein Verfahren, bei dem Kohlenwasserstoffe in ihre stabilen Endprodukte Kohlenstoff und Wasserstoff umgesetzt werden. Dieser Prozess läuft bei längeren Verweilzeiten im gleichgewichtskontrollierten Re gime ab.

Gemäß Stand der Technik benötigen endothermen Hochtemperaturprozesse wie Dampf spaltung oder Dampfreformierung einen Wärmeeintrag, der deutlich über dem Wärmebedarf der endothermen Reaktion liegt. Typischerweise beträgt der Überschuss der eingetragenen Heizleistung 80% bis 200% bezogen auf den Wärmebedarf der endothermen Reaktion. In chemischen Verbundstandorten wird die überschüssige Heizleistung zu nachgeschalteten Stufen exportiert, beispielsweise um Dampf in unterschiedlichen Druckstufen zu erzeugen. Dadurch kann der thermische Nutzungsgrad solcher Anlagen auf 90% oder mehr gesteigert werden. Nachteilig an diesen Prozessen ist jedoch, dass der Primärenergiebedarf und die damit verbundenen Treibhausemissionen deutlich höher sind als der eigentliche Bedarf der Hochtemperaturreaktion. Ein weiterer Nachteil resultiert aus der starren energetischen Kopplung zwischen verschiedenen Anlagen eines Verbindstandortes; diese Kopplungen füh ren dazu, dass der Betriebspunkt der einzelnen Anlagen nur in engen Grenzen eingestellt werden kann.

Um die chemische Produktion im Sinne des Energiewandels als Senke für Überschussstrom aus regenerativen Energiequellen nutzbar zu machen, sind Konzepte zur elektrischen Behei zung energieverbrauchender chemischer Prozesse erforderlich. Da diese Prozesse i.d.R. kontinuierlich betrieben werden, muss die Energiezufuhr von der Volatilität der Überschuss stromverfügbarkeit entkoppelt werden. Neben der Einbindung von Überschussstrom ist demnach mindestens eine weitere Energiequelle erforderlich.

Eine Möglichkeit, die Wärmezufuhr in den Reaktor hybrid, d.h. wahlweise fossil-beheizt oder elektrisch-basiert, zu realisieren, wird in der WO 2014/090914 offenbart. In der WO

2014/090914 findet sich zum ersten Mal der Hinweis, chemische Prozesse als Minutenre serve unter Verwendung von Überschlussstrom zu verwenden. Es wird ein Verfahren zur Durchführung wärmeverbrauchender Hochtemperarturprozesse beschrieben, wobei die be nötigte Gesamtenergie im Jahresmittel aus mindestens zwei verschiedenen Energiequellen stammt, mindestens einer elektrischen Energiequelle, wobei diese zwischen 0 und 100% der benötigten Gesamtenergie aufbringt, insbesondere unter Verwendung von Überschuss strom, und einer weiteren nicht-elektrischen Energiequelle, die ggf. den Rest der benötigten Energie bereitstellt. Eine große Herausforderung bei diesem Konzept stellt die apparative Belastung beim Umschalten zwischen den zwei Energiequellen dar und ferner ein möglichst verlustfreies und dynamisches Umschalten, d.h. ohne Umsatz- und Selektivitätsverluste. Weiterhin kann an dieser Lösung nachteilig sein, dass ggf. zwei unabhängige Vorrichtungen zur Wärmeerzeugung in den Bereich des Prozesses installiert werden müssen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Hierdurch steigen die Komplexität und die Defektanfälligkeit des Prozesses.

EP3249027 beansprucht ein emissionsreduziertes Verfahren zur Herstellung von Olefinen durch Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen. Dabei können die Spaltrohre sowohl durch die Verbrennungswärme eines Brennstoffs als auch durch Elektrowärme beheizt werden.

Bei konstanter Gesamtleistung kann der Anteil der Elektrowärme zur Verbrennungswärme variiert werden. Denkbar ist auch die Parallelschaltung von Spaltrohren, die ausschließlich elektrisch oder ausschließlich durch Verbrennungswärme beheizt werden. Nachteilig an die ser Erfindung ist die Tatsache, dass zwei unterschiedliche Wärmequellen im Spaltofen in stalliert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, chemische Hochtemperaturprozesse im Sinne des Energiewandels als Senke für Überschussstrom aus regenerativen Energiequel len nutzbar zu machen. Eine weitere Aufgabe ist, chemische Prozesse als Energieabnehmer bei einer negativen Sekundärregelung und / oder Minutenreserve zur Frequenzregelung in elektrischen Netzen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, den endothermen chemi schen Prozess so zu flexibilisieren, dass er die Stromquelle abhängig vom Großhandelss trompreis wählen kann und so eine wirtschaftliche Optimierung ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe ist es, beim Umschalten zwischen den Stromquellen die Sollwertab weichung des Leistungseintrags in den endothermen Prozess so gering zu halten, dass die Produktionsleistung nicht verändert wird. Eine weitere Aufgabe ist, dass die lokalen Strom quellen einen möglichst hohen Wirkungsgrad und einen möglichst niedrigen C0 ₂ -Ausstoß haben.

Eine weitere Aufgabe ist es, die lokalen Stromquellen in den Material- und Wärmeverbund des endothermen Prozesses zu integrieren. Wenn lokale Stromquellen eingesetzt werden, die schnell zu- oder abgeschaltet werden können, müssen Energieträger zur Verfügung ste hen, die ausreichend schnell zu- oder abgestellt werden können.

Ferner war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wege zu finden, die es ermögli chen, die Flexibilität im Hinblick auf Speicherung und Nutzung von elektrischer Energie ge genüber dem Stand der Technik zu erhöhen.

Ferner sollte durch die vorliegende Erfindung trotz Verwendung von Überschussstrom die Produktionsrate der betreffenden wärmeverbrauchenden Prozesse vergleichmäßigt und die Belastung der Maschinen und Apparate minimiert werden.

Ferner sollte durch die vorliegende Erfindung die Planbarkeit von Downstream-Prozessen verbessert werden, in dem die Auslastung des vorgeschalteten wärmeverbrauchenden Pro zesses, unabhängig von der Verfügbarkeit von Überschussstrom, durch den Bedarf der Downstream-Prozesse gesteuert wird.

Die Anlage und das Verfahren sollten weiterhin einen möglichst hohen Wirkungsgrad besit zen. Weiterhin sollte das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der herkömmli chen und weithin vorhandenen Infrastruktur durchgeführt werden können. Darüber hinaus sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden kön nen, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.

Riesige Mengen thermischer Energie werden heute in unterschiedlichen industriellen Pro zessen in Form von Abgas- oder Abwärme-Strömen vergeudet und belasten die Umwelt.

Die Rückführung und Nutzung dieser Abfallwärmeströme können nennenswert die energeti sche und wirtschaftliche Effizienz vieler Prozessanlagen in unterschiedlichen Industriezwei gen verbessern. In Verbundstandorten der Chemischen Industrie bieten sich als Energieträ ger fluide Medien an, die über zusammenhängende Leitungsnetze und Speicherbehälter über den gesamten Standort verteilt sind (lokale Energieträgernetze). Diese Energieträger können Rohstoffe wie Erdgas oder Flüssiggas, Grundprodukte wie Wasserstoff oder Synthe- segas und Hilfsstoffe wie Wasserdampf oder Druckluft sein. Diese lokalen Energieträger netze bieten eine ausreichend große Kapazität, um mechanische Energie, Wärme und/oder brennbare Stoffe zu speichern und diese bei Bedarf verzögerungsfrei für die Versorgung lo kaler Stromquellen zur Verfügung zu stellen.

Verfahren:

Diese gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur kontinuierli chen Durchführung eines oder mehrerer wärmeverbrauchender chemischer Prozesse gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine wärmeverbrauchende Prozess elektrisch beheizt wird, die maximale Temperatur in der Reaktionszone des wärmeverbrau chenden Prozesses größer als 500° C ist, mindestens 70 % der Produkte des mindestens einen wärmeverbrauchenden Prozess in Downstream-Prozessen kontinuierlich weiterverar beitet werden und/oder einem lokalen Energieträgernetz zugeführt werden und die benö tigte elektrische Energie für den mindestens einen wärmeverbrauchenden Prozess aus dem externen Stromnetz und aus mindestens einer lokalen Stromquelle bezogen wird, wobei die mindestens eine lokale Stromquelle zu mindestens 50 % ihres jährlichen Energiebedarfs aus mindestens einem lokalen Energieträgernetz gespeist wird und zu maximal 50 % ihres jährli chen Energiebedarfs mit Produkten aus dem wärmeverbrauchenden Prozess ohne Zwi schenspeicherung gespeist wird, wobei im mindestens einem lokalen Energieträgernetz als Energieträger Erdgas, Naphtha, Wasserstoff, Synthesegas und/oder Wasserdampf gespei chert werden, wobei das mindestens eine lokale Energieträgernetz mit mindestens einem weiteren Produkt und/oder Nebenprodukt aus mindestens einem weiteren chemischen Pro zess gespeist wird und wobei das lokale Energieträgernetz eine Gesamt-Kapazität von min destens 5 GWh aufweist.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von mindestens einem lokalen Energieträgernetz von Chemie-Standorten zur Speicherung von elektrischer Energie, wobei als Energieträger Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha, Wasserstoff, Ammoniak, Synthesegas, Ethylen, Propylen, Armgas, Druckluft und/oder Wasserdampf verwendet werden und wobei das Energieträgernetz eine Gesamt-Kapazität von mindestens 5 GWh aufweist.

Die lokalen Energieträgernetze lassen sich aufteilen in Netze/Speicher für Wärmeträger, wie z.B. Wasserdampf, Netze/Speicher für Zwischenprodukte, wie z.B. Wasserstoff und Synthesegas und Netze/Speicher für Rohstoffe, wie z.B. Erdgas und Naphtha. Bevorzugt werden mindestens zwei lokale Energieträgernetze verwendet.

Bevorzugt werden mindestens zwei verschiedene lokale Energieträgernetze verwendet für Energieträger ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wärmeträger, bevorzugt Wasser dampf, Zwischenprodukte, bevorzugt Wasserstoff und/oder Synthesegas, insbesondere Wasserstoff und Rohstoffe, bevorzugt Erdgas und Naphtha, insbesondere Erdgas. Bevorzugt wird die zweier Kombination Wärmeträger und Zwischenprodukte oder die dreier Kombina tion Wärmeträger, Zwischenprodukte und Rohstoffe verwendet. Vorteilhaft werden mindestens 50 %, bevorzugt 70 %, insbesondere 90 % der Produkte des mindestens einen wärmeverbrauchenden Prozess in Downstream-Prozessen kontinuierlich weiterverarbeitet und/oder einem lokalen Energieträgernetz zugeführt. Bevorzugt liegt der prozentuale Produktbereich bei 50 bis 100 %, bevorzugt 70 bis 100 %, insbesondere 90 bis 100 %. Unter Downstream-Prozess wird die nachgeschaltete Umsetzung der Produkte aus dem wärmeverbrauchenden Prozess zu weiteren Produkten verstanden.

Vorteilhaft wird die mindestens eine lokale Stromquelle zu mindestens 50 % ihres jährlichen Energiebedarfs aus einem lokalen Energieträgernetz gespeist werden; bevorzugt zu mindes tens 70 %, weiter bevorzugt zu mindestens 80 %, weiter bevorzugt zu mindestens 90 %. Vor teilhaft liegt der prozentuale Bereich bei 50 bis 100, bevorzugt 70 bis 100, weiter bevorzugt 80 bis 100, insbesondere 90 bis 100. Besonders bevorzugt wird die mindestens eine lokale Stromquelle ausschließlich aus dem lokalen Energieträgernetz gespeist.

Vorteilhaft wird die mindestens eine lokale Stromquelle zu maximal 50 % ihres jährlichen Energiebedarfs, bevorzugt zu maximal 20 %, besonders bevorzugt zu maximal 10 %, mit Pro dukten, die direkt aus dem wärmeverbrauchenden Prozess stammen, gespeist. Vorteilhaft liegt der prozentuale Bereich bei 50 bis 0, bevorzugt 20 bis 0, insbesondere 10 bis 0.

Dies bedeutet, dass diese Produkte zur Speisung der lokalen Stromquelle direkt und ohne Zwischenspeicherung aus dem wärmeverbrauchenden Prozess entnommen und zur lokalen Stromquelle geleitet werden. Besonders bevorzugt werden keine Produktströme aus dem wärmeverbrauchenden Prozess direkt und ohne Zwischenspeicherung zur lokalen Strom quelle geleitet.

Die lokalen Energieträgernetze werden vorteilhaft mit jeweils mindestens einem weiteren Produkt und/oder Nebenprodukt aus mindestens einem weiteren chemischen Prozess ge speist. Diese weiteren chemischen Prozesse sind beispielsweise Olefin-Prozesse, Synthe segas-Prozesse, partielle Oxidationen, Pyrolysen von Kohlenwasserstoffen, Wasserelektro lysen, Hüttenprozesse und/oder Hydrierungen.

Beispielsweise wird das Wasserstoff-Energieträgernetz aus Prozessen wie Steamcracking, Steamreforming, Methanpyrolyse, Styrolsynthese, Propandehydrierung, Synthesegasher stellung, Formaldehydsynthese gespeist. Beispielsweise wird das Wasserdampf-Energieträ gernetz aus Prozessesn wie Steamcracking, Steamreforming, Acetylenprozess, Synthese gasherstellung, Acrylsäuresynthese, Phthalsäureanhydrid-Synthese, Maleinsäureanhydrid- Synthese, Ethylenoxid-Synthese, Formaldehydsynthese gespeist. Beispielsweise wird das Kohlenwasserstoff-Energieträgernetz aus den Rohstoffen Naphtha, Erdgas und Flüssiggas gespeist.

Die endothermen Prozesse, wie beispielsweise Steamcracking, Steam-/Dryreforming, Sty rolsynthese, Propandehydrierung, Butandehydrierung, Blausäuresynthese, Methanpyrolyse, stellen demnach Energieträgerquellen und Energieträgerabnehmer dar; während die exothermen Prozesse, wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Acrol- ein und Acrylsäure, Ethylenoxid, Formaldehyd, TD l/M D I , ausschließlich Energieträgerquel len darstellen. Stromquelle:

Der Bezug der benötigten elektrischen Energie für den wärmeverbrauchenden Prozess kann zu jeder Tageszeit, abhängig vom aktuellen Stromangebot, aus unterschiedlichen Quellen stammen. Es sind drei Modi möglich: (i) ausschließlich aus einer externen Stromquelle, ins besondere dem öffentlichen Stromnetz, (ii) ausschließlich aus mindestens einer lokalen Stromquelle oder (iii) gemeinsam aus einer externen und aus mindestens einer internen, lo kalen Stromquelle bezogen werden.

Bevorzugt können alle drei Modi (i), (ii) und (iii) zumindest vorübergehend die gesamte be nötigte Energie für den mindestens einen wärmeverbrauchenden Prozess aufbringen.

Vorteilhaft wird in Jahresmittel 10 bis 90% der benötigten Energie, bevorzugt 25 bis 75 % der benötigten Energie, besonders bevorzugt 50% bis 75% der benötigten Energie der externen Stromquelle entnommen. Vorteilhaft wird in Jahresmittel 10 bis 90% der benötigten Energie, 25 bis 75 %, besonders bevorzugt 25% bis 50% der benötigten Energie der lokalen Strom quelle entnommen.

Vorteilhaft wird die benötigte Energie des wärmeverbrauchenden Prozesses zu mindestens 50 % durch elektrische Energie bereitgestellt, bevorzugt zu mindestens 75%, weiter bevor zugt zu mindestens 90%, insbesondere wird die benötigt Energie ausschließlich elektrisch bereitgestellt. Vorteilhaft liegt der prozentuale Bereich bei 50 bis 100, bevorzugt 75 bis 100, insbesondere 90 bis 100.

Eine kontinuierliche Durchführung dauert vorteilhaft länger als ein Tag, bevorzugt länger als eine Woche, besonders bevorzugt länger als ein Monat, besonders bevorzugt länger als zwei Monate, insbesondere länger als ein Halbjahr, wobei in diesem Zeitraum die Prozessleis tung nicht mehr als 50 %, bevorzugt nicht mehr als 30 %, bevorzugt nicht mehr als 20 %, ins besondere nicht mehr als 10 %, bezogen auf die maximale Prozessleistung, variiert. Vorteil haft liegt der prozentuale Bereich bei 50 bis 0, bevorzugt 30 bis 0, weiter bevorzugt bei 20 bis 0, insbesondere 10 bis 0.

Die Prozessleistung des erfindungsgemäßen Prozesses wird vorteilhaft an den Edukt-Be darf der Downstream-Prozesse, d.h. der nachgeschalteten Umsetzung der Produkte aus dem wärmeverbrauchenden Prozess zu weiteren Produkten, angepasst.

Die lokalen Energieträgernetze haben vorteilhaft eine Gesamt-Kapazität größer als 5 GWh, bevorzugt größer als 10 GWh, weiter bevorzugt größer als 20 GWh, insbesondere größer als 50 GWh. Vorteilhaft liegt die Gesamt-Kapazität im Bereich von 10 GWh bis 1000 GWh, be vorzugt von 20 GWh bis 500 GWh, besonders bevorzugt von 50 GWh bis 200 GWh.

Externe Stromquelle:

Als externe Stromquelle wird das Stromnetz bezeichnet; hierunter fällt auch ein Verbund kraftwerk; insbesondere ein Verbundkraftwerk mit einer Anfahrtzeit von größer als 15 min. Der Begriff Stromnetz bezieht sich auf alle oder einen bestimmten Teil eines Netzes von Übertragungsleitungen, Umspannwerken und lokalen Verteilungsnetzen, die den Transport und die Regulierung von Strom zwischen den verschiedenen physischen Knoten des Netzes sowie den verschiedenen gewerblichen, privaten und Großverbrauchern, die an das Netz angeschlossen sind, ermöglichen.

Der Unterschied zwischen der externen Stromquelle und der lokalen, internen Stromquelle ist, dass das mit der externen Stromquelle erzeugte Strom in ein Stromnetz eingespeist wird, aus dem viele Abnehmer Strom entnehmen können. Die lokale, interne Stromquelle ist nur wenigen chemischen, wärmeverbrauchenden Prozessen, bevorzugt 1 bis 10 Prozessen, weiter bevorzugt 1 bis 5 Prozessen, insbesondere 1 bis 3 Prozessen, zugeordnet. Der in der internen, lokalen Stromquelle produzierte Strom wird durch lokale Stromleitungen transpor tiert, die bezüglich Frequenz und Spannung unabhängig vom allgemeinen Stromnetz betrie ben werden. Somit wird der in der internen, lokalen Stromquelle produzierte Strom zu vor teilhaft weniger als 20 %, bezogen auf die insgesamt in der internen Stromquelle produ zierte elektrische Energie, bevorzugt weniger als 10% in das allgemeine Stromnetz einge speist. Vorteilhaft liegt der prozentuale Bereich bei 20 bis 0, bevorzugt 10 bis 0. Besonders bevorzugt wird der in der internen, lokalen Stromquelle produzierte Strom nicht in ein allge meines Stromnetz eingespeist.

In Zeiten von niedriger Auslastung der wärmeverbrauchenden Prozesse und/oder hohen ex ternen Verbrauchs können die lokalen Stromquellen Strom ins externe Stromnetz abgeben. So können die lokalen Stromquellen zusätzlich als positive Sekundärregelleistung oder Mi nutenreserveleistung genutzt werden.

Falls keine Verbindung von der lokalen Stromquelle zum öffentlichen, allgemeinen Strom netz benötigt wird, können aufwendige Regelungs-Vorrichtungen eingespart werden. Ferner muss der der lokal erzeugte Strom nicht auf die Netzspezifikation gebracht werden.

Lokale Stromquelle:

Als mindestens eine lokale Stromquelle kommt vorteilhaft die Stromgewinnung auf Basis einer Gasturbine (GT) und/oder einer Dampfturbine (DT) und/oder einer Brennstoffzelle in Betracht.

Gasturbinen sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in (C. Lechner, J. Seume (H rsg.) : Stationäre Gasturbinen. Springer, Berlin 2003.) beschrieben. Als Brennstoff für die Gasturbine werden vorteilhaft brennbare Rohstoffe und/oder Abgasströme innerhalb des jeweiligen Verbundstandortes und die jeweiligen Prozessströme des wärmeverbrauchenden Prozesses, vorteilhaft die Edukte und/oder die Produkte des wärmeverbrauchenden Prozes ses, in Betracht. Ein Verbundstandort der Chemischen Industrie ist eine Produktionsstätte mit geschlosse nen Stoff- und Energiekreisläufen, indem Produktionsbetriebe, Rohstoffe, chemische Pro dukte, Energie- und Abfallströme, Logistik und Abfallströme miteinander vernetzt sind (www.basf.com/global/en/investors/calendar-and-publications/ factbook/basf-group/ver- bund.html). Ein Verbundstandort ist durch eine kaskadierte Produktionskette gekennzeich net. Entlang dieser Kaskade steigt die Vielfalt der Produktstoffe. Typischerweise weist ein Verbundkraftwerk 3 Stufen auf: In der ersten Stufe werden die Grundprodukte hergestellt, in der zweiten Stufe die Zwischenprodukte, in der dritten Stufe die Spezial- oder Endpro dukte. Jede Stufe dieser Kaskade kann ihrerseits aus einer oder mehreren Stufen bestehen. Ein Verbundstandort benötigt die Einfuhr einer geringen Anzahl von Rohstoffen, beispiels weise LPG, Naphtha, Leichtbenzin, Rückstände der Vakuumdestillation, Aromaten, Schwe fel, dazu Wasser und Luft und elektrische Energie, um daraus tausende unterschiedliche chemische Verbindungen und Formulierungen zu produzieren. Das zahlenmäßige Verhältnis der Produkte, die in einem Verbundstandort hergestellt werden und der eingesetzten Roh stoffe ist größer als 10, bevorzugt größer als 100, besonders bevorzugt größer als 500.

Unter brennbaren Abgasströmen sind wasserstoffreiche Abgasströme vorteilhaft.

Beispielhaft sind Abgasströme aus dem Steamcracking, dem Steamreforming, der Ammoni aksynthese, der Methanolsynthese, der Formaldehydsynthese, der Styrolherstellung, der Koksherstellung und der Stahlherstellung zu nennen. Diese Abgasströme haben unter schiedliche Zusammensetzungen und abhängig von ihrer Entstehung, unterschiedliche Be zeichnungen, wie Gichtgas, Koksgas, Kuppelgas, Dehydriergas, Formalingas etc (WO 2014/095661 Al). Gemeinsames Merkmal dieser Gase ist der vergleichsmäßig niedrige Heizwert, verglichen mit dem Heizwert gängiger Brennstoffe wie Erdgas. Abhängig vom Heizwert werden Gase als Armgase (Heizwert bis ca.1200 kcal/Nm ³ ), Schwachgase (Heiz wert bis 3000 kcal/Nm ³ ) oder Reichgase (Heizwert bis 6000 kcal/Nm ³ ) bezeichnet (G. Wa- gener. Gas- und Wasserfach 91, 73, 1950).

Brennstoffzellen sind beispielsweise in (Hoogers, G. (Ed.). (2002). Fuel cell technology hand- book. CRC press.) beschrieben, beispielsweise Polymer- Elektrolyt- Membran -Brennstoff zelle (PEMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Alkali-Brennstoffzelle (AFC), Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC).

Ferner kommt als lokale Stromquelle Oxy-Fuel-Kraftwerke in Betracht, die sauerstoffreiche Abgasströme nutzen.

Alternativ oder zusätzlich kommt als lokale Stromquelle die Stromgewinnung aus Dampftur binen in Betracht.

Falls Wasserstoff als Quelle der lokalen Stromerzeugung verwendet wird, sind folgende Ver fahren besonders vorteilhaft: Gasturbine, SOFC und / oder MCFC und/oder PEMFC und/o der AFC. Eine mit Wasserstoff angetriebene Gasturbine arbeitet vorteilhaft mit Eintrittstem peraturen bis 1500° C und erreicht einen Wirkungsgrad bis 41%. Eine SOFC wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 650° C und 1000° C betrieben und erreicht einen Wirkungs grad bis 60%. Eine MCFC wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 650° C und 1000° C betrieben und erreicht einen Wirkungsgrad bis 60%. Eine PEMFC arbeitet vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 50° C und 180° C und erreicht einen Wirkungsgrad bis 50%. Eine AFC arbeitet vorteilhaft zwischen 20° C und 80° C und erreicht einen Wirkungsgrad bis 70%.

Falls Kohlenwasserstoffe als Quelle zur lokalen Stromerzeugung verwendet werden, sind folgende Verfahren besonders vorteilhaft: Gasturbine und/oder SOFC und/oder MCFC. Eine mit Erdgas betriebene Gasturbine hat vorteilhaft eine Eintrittstemperatur bis 1230° C und einen Wirkungsgrad bis 39%. Eine SOFC wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 650° C und 1000° C betrieben und erreicht einen Wirkungsgrad bis 60%. Eine SOFC wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 550° C und 700° C betrieben und erreicht einen Wirkungsgrad bis 55%.

Anbei eine tabellarische Übersicht der bevorzugten lokalen Stromquellen:

Gasturbine:

(la): Die Anfahrzeit aus dem Stillstand bis zur vollen Leistung ist vorteilhaft von 30 Sekun den bis 30 Minuten, bevorzugt von 60 Sekunden bis 20 Minuten, besonders bevorzugt von 90 Sekunden bis 10 Minuten (Beispiel: Für den Typ SIEMENS SGT-A65 wird eine Kaltstart zeit bis zur vollen Leistung < 7Min angegeben).

(lb): Die Leistung ist vorteilhaft von 40% bis 120% der Nennleistung, bevorzugt von 50% bis 110% der Nennleistung, besonders bevorzugt von 60% bis 105% der Nennleistung. (Ref: C. Lechner, J. Seume (Hrsg.): Stationäre Gasturbinen, S.190).

(lc), (5c), (6c): Die Abgase dieser Generatoren sind so heiß, dass die in ihnen enthaltene Energie für die Dampferzeugung genutzt werden kann. Der Dampf kann eine Dampfturbine antreiben und zusätzliche elektrische Leitung erzeugen. Auf diesem Weg kann der Wir kungsgrad der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie deutlich (bis zu 20%) gesteigert werden. Im quasistationären Betrieb beträgt die Austrittstemperatur einer Gas turbine ca.650° C (Ref: C. Lechner, J. Seume (Hrsg.): Stationäre Gasturbinen, S.124), einer SOFC ca.700° C einer MCFC ca.550° C (Ref. Wikipedia„Fuel Cell“,:T(op)-100K).

Dampfturbine:

(2a): Die Anfahrzeit einer Dampfturbine aus einem Standby-Zustand beträgt vorteilhaft 10 Minuten bis 60 Minuten. Im Standby-Zustand ist die Turbine vorteilhaft auf 300° C vorge heizt und wird mit geringer Drehzahl (ca.1 Hz) gedreht (Ref: Wikipedia„Dampfturbine“).

(2b): Die Leistung ist vorteilhaft von 10% bis 120% der Nennleistung, bevorzugt von 20% bis 110% der Nennleistung, besonders bevorzugt von 40% bis 105% der Nennleistung (Ref: Sta tusbericht Flexibilitätsbedarf im Stromsektor, Kapitel 4). Eine Dampfturbine kann drehzahl geregelt bis zum absoluten Leerlauf heruntergeregelt werden, solange die Dampfversorgung sichergestellt ist.

(2c): Die Dampfturbine ist vorteilhaft von der Verbrennung entkoppelt, die die Energie für die Dampferzeugung und Dampfüberhitzung liefert. In einem Verbundstandort kann die Dampfturbine vorteilhaft aus dem vorhandenen Dampfnetz gespeist werden. Mit dieser Konfiguration können diverse Brennstoffe für die Dampferzeugung verwertet werden. Der Dampf kann im voluminösen Dampfnetz, z.B.10 m3 bis 100000 m3, gespeichert werden und dadurch Schwankungen in der Verfügbarkeit der chemischen Energie abpuffern.

(2d): Der Dampfturbinengenerator kann vorteilhaft direkt oder indirekt mit Generatortypen gekoppelt werden, die heiße Abgase erzeugen, beispielsweise GT, SOFC oder MCFC. Di rekte Kopplung bedeutet, dass der Abgasstrom aus dem vorgeschalteten Generator zur Dampferzeugung der Dampfturbine eingesetzt wird, beispielsweise in einem GuD-Kraft- werk. Indirekt bedeutet, dass der Abgasstrom aus dem vorgeschalteten Generator Dampf erzeugt, der in das Dampfnetz des Verbundstandortes eingespeist wird. Aus diesem Netz kann die Dampfturbine gespeist werden. Brennstoffzellen:

(3a), (4a): Die Anfahrzeit der PEMFC und der AFC beträgt vorteilhaft von 10 Sekunden bis 15 Minuten, bevorzugt von 20 Sekunden bis 10 Minuten, besonders bevorzugt von 30 Se kunden bis 5 Minuten. Die PEMFC und die AFC haben Betriebstemperaturen um die 80° C. Die Kinetik der Elektrodenreaktionen ist bereits bei Raumtemperatur ausreichend, um elektrische Feistung zu erzeugen. In einem Verbundstandort können vorteilhaft Abfallwär meströme genutzt werden, um die Brennstoffzellen problemlos auf Betriebstemperatur zu halten.

(3b), (4b): Die durch den Betrieb von PEMFC und AFC verursachten C0 ₂ -Emission sind ge ringer als 50 g C0 ₂ /kW _e| , bevorzugt kleiner als 20 g C0 ₂ /kW _e| , besonders bevorzugt kleiner als 5 g C0 ₂ /kW _e| , insbesondere wird kein C0 ₂ emittiert. Die PEMFC und AFC verwenden vor teilhaft Wasserstoff als Brennstoff.

(3c), (4c), (5b), (6b): Der nutzbare Feistungsbereich der Brennstoffzellengeneratoren ist vorteilhaft von 1% bis 100% der Maximalleistung, bevorzugt von 5% bis 90% der Maximal leistung, besonders bevorzugt von 10% bis 70% der Maximalleistung.

(3d), (4d), (5c), (6c): Der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzellengeneratoren ist vor teilhaft streng monoton steigend von der Zellspannung abhängig und die Fast ist vorteilhaft streng monoton steigend von der erzeugten Stromstärke abhängig. Die Zellspannung ist bei Feerlauf am höchsten und fällt mit steigender Stromabgabe ab. Das heißt, bei Teillast ist der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle höher als bei Volllast. Diese Charakteristik ist entge gengesetzt zur Charakteristik von Turbinengeneratoren, die bei Volllast den höchsten Wir kungsgrad besitzen. Aus diesem Grund haben die Brennstoffzellengeneratoren einen breite ren nutzbaren Feistungsbereich und sind geeignet für die kontinuierliche Feistungsregelung.

An- und Abfahren der lokalen Stromquelle:

Die Zeit zum An- oder Abfahren der lokalen Stromquelle ist vorteilhaft kürzer als die gefor derte Ansprechzeit der Minutenreserve in elektrischen Netzwerken (< 15 Minuten), bevor zugt kürzer als die geforderte Ansprechzeit der Sekundärregelung (< 5 Minuten) und beson ders bevorzugt kürzer als die geforderte Ansprechzeit der Primärregelung (< 30 Sekunden).

Aus dem Stand heraus erreichen folgende Stromquellen Volllast innerhalb einer Anfahrzeit von 15 Minuten: Der Gasturbinengenerator, der PEMFC-Generator und der AFC-Generator. Weiterhin aus dem Stand heraus erreichen folgende Stromquellen Volllast innerhalb einer Anfahrzeit von 5 Minuten: PEMFC und AFC.

Aus dem Teillastbetrieb heraus sind alle aufgeführten Stromquellen geeignet, um innerhalb einer Übergangszeit von 15 Minuten Volllast zu erreichen. Weiterhin aus dem Teillastbetrieb heraus erreichen folgende Stromquellen innerhalb einer Übergangszeit von 5 Minuten Vol I - last: GT, PEMFC, AFC, SOFC, MCFC. Beim Dampfturbinengenerator ist die Rate der Feis- tungssteigerung durch die Verfügbarkeit des Dampfes limitiert. Wenn die Dampfturbine di rekt aus dem Dampfnetz gespeist wird, erreicht der Dampfturbinengenerator innerhalb ei ner Übergangszeit von 5 Minuten Volllast. Weiterhin erreichen ein Gasturbinengenerator o- der ein Dampfturbinengenerator innerhalb 30 Sekunden Volllast ausgehend von einem Be triebszustand von vorteilhaft 80% Fast, bevorzugt 85% Fast, besonders bevorzugt 90% Fast. Weiterhin erreichen ein PEMFC-Generator oder ein AFC-Generator innerhalb 30 Sekunden Volllast ausgehend von 60% Fast, bevorzugt 70% Fast, besonders bevorzugt 80% Fast. Wei terhin erreichen ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator innerhalb 30 Sekunden Volllast ausgehend von 70% Fast, bevorzugt 80% Fast, besonders bevorzugt 90% Fast.

Ausgehend von einem beliebigen Betriebszustand sind alle aufgeführten Stromquellen ge eignet, um innerhalb 30 Sekunden die elektrische Feistung auf Null zu fahren.

Energieträger:

Als Energieträger für den Betrieb der lokalen Stromquellen kommen vorteilhaft Medien zum Einsatz, die in einem Verbundstandort mit ausreichender Kapazität gespeichert werden können. Vorteilhaft sind diese Medien brennbare flüssige oder gasförmige Rohstoffe, brenn bare gasförmige oder flüssige Grundprodukte, für welche im Verbundstandort ein Vertei lungsnetz zur Verfügung steht oder nicht reagierende gasförmige, flüssige oder feste Ener gieträger, die mechanische Energie, fühlbare Wärme oder latente Wärme speichern können und über den Standort verteilt werden können. Bevorzugt sind diese Medien Erdgas, Flüs siggas oder Naphtha, Wasserstoff, Ammoniak, Synthesegas, Druckluft, Dampf oder regene rativer Feststoffspeicher. Besonders bevorzugt sind die Medien Erdgas, Wasserstoff und Wasserdampf.

Feste oder flüssige Produkte werden vorteilhaft drucklos oder mit dem eigenen Dampfdruck gelagert. Dieses liegt daran, dass Flüssigkeiten quasi inkompressibel sind.

Anders bei Gasen und Dämpfen: Diese Medien sind kompressibel, d.h. ihre Dichte - dadurch auch die Energiedichte - nehmen mit steigendem Druck zu.

Beispiele:

1. Erdgas wird vorteilhaft in Feitungen unter 50 bar transportiert.

2. Wasserstoff wird vorteilhaft in zwei Druckstufen, bei 40 bar und 325 bar gespeichert und im Verbundnetz verteilt. Der hohe Druck ist der Tatsache geschuldet, dass Hyd rierungen als Molzahl verringernde Reaktionen durch hohe Reaktionsdrücke begüns tigt werden.

3. Wasserdampf wird vorteilhaft bei unterschiedlichen Druckstufen gespeichert, um die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur / Kondensationstemperatur zu nutzen. Dampf funktioniert als Wärmeträger im Bereich des Siedepunktes. Durch die Pha senumwandlung können große Wärmemengen bei einer sehr guten Wärmeübergang ohne Temperaturänderung aufgenommen (bei Verdampfung) oder abgegeben (bei Kondensation) werden. Aus diesem Grund wird Wasserdampf bei unterschiedlichen Druckstufen gespeichert. Jeder Druckstufe wird ein wirksamer Temperaturbereich zugeordnet: 1,5 bar ^ 110° C

4 bar 140° C

6 bar 155° C

11 bar ^ 180° C

16 bar ^ 200° C

24 bar ^ 220° C

40 bar ^ 250° C

100 bar ^ 310° C

117 bar ^ 320° C

Abhängig vom Energieträger kann das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedliche Weise ausgestaltet werden.

Wasserdampf als Energieträger

Vorteilhaft weist diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine oder zwei Arten von lokalen Stromquellen auf. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren eine Art von lokaler Stromquelle aufweist, ist diese vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein Dampfturbi nengenerator, ein PEMFC-Generator, ein AFC-Generator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator. Bevorzugt ist die eine Stromquelle ein Dampfturbinengenerator, ein PEMFC-Generator oder ein AFC-Generator. Besonders bevorzugt ist die eine Stromquelle ein Dampfturbinengenerator. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zwei Arten von loka len Stromquelle aufweist, ist die erste Stromquelle vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein PEMFC-Generator, ein AFC-Generator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator und die zweite Stromquelle ein Dampfturbinengenerator, bevorzugt ist die erste Stromquelle ein Gasturbinengenerator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator und die zweite Stromquelle ein Dampfturbinengenerator, besonders bevorzugt ist die erste Stromquelle ein Gasturbinengenerator und die zweite Stromquelle ein Dampfturbinengenerator. Von jeder Stromquellenart ist vorteilhaft eine Einheit bis zehn Einheiten, bevorzugt eine Einheit bis fünf Einheiten, besonders bevorzugt eine Einheit bis zwei Einheiten einem wärmeverbrau chenden Prozess zugeordnet.

Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt dem Dampfturbinen generator eine besondere Rolle zu. Die Dampfturbine wird vorteilhaft mit Dampf aus einem lokal angeordneten Dampfkessel, aus der Dampfleitung eines lokal angeordneten Apparates oder aus einem Dampfnetz versorgt. Bevorzugt bezieht die Dampfturbine ihren Dampf aus dem Dampfnetz des Verbundstandortes. Dadurch ist der Antriebsdampf für die Dampftur bine permanent verfügbar und limitiert nicht mehr die Dynamik des Dampfturbinengenera tors wie der Dampfkessel oder die Dampfleitung des Verdampfungskühlers. Das Dampfnetz wird vorteilhaft aus einem zentralen Dampfgenerator oder aus mehreren Dampfgeneratoren gespeist, die über den Verbundstandort verteilt sind. Bevorzugt wird das Dampfnetz aus mindestens zwei Dampfgeneratoren gespeist. Besonders bevorzugt wird das Dampfnetz über verteilt im Verbundstandort angeordnete Dampfgeneratoren gespeist, die lokale Wär mequellen verwerten. Dampfgeneratoren können Verdampfungskühler chemischer Reakto ren oder Dampfkessel sein, die über einen Brennstoff, einen brennbaren Abgasstrom oder auch elektrisch beheizt sein können. Der Druck im Dampfnetz beträgt vorteilhaft von 4 bar bis 200bar, bevorzugt von 6 bar bis 150 bar, besonders bevorzugt von 8 bar bis 130 bar. Die Temperatur im Netz beträgt vorteilhaft von 150° C bis 700° C, bevorzugt von 200° C bis 650° C, besonders bevorzugt von 250° C bis 600° C.

Das Volumen des Dampfnetzes beträgt vorteilhaft 1000 m3 bis 10000000 m3, bevorzugt von 5000 m3 bis 5000000 m3, besonders bevorzugt von 10000 m3 bis 2000000 m3. Die im Dampfnetz gespeicherte innere Energie des Dampfes beträgt vorteilhaft von 1 MWh bis 150000 MWh, bevorzugt von 10 MWh bis 75000 MWh, besonders bevorzugt von 20 MWh bis 50000 MWh.

Wasserstoff als Energieträger

Vorteilhaft weist diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine oder zwei Arten von lokalen Stromquellen auf. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren eine Art von lokaler Stromquelle aufweist, ist diese vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein Dampfturbi nengenerator, ein PEMFC-Generator, ein AFC-Generator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator. Bevorzugt ist die eine Stromquelle ein PEMFC-Generator oder ein AFC- Generator. Besonders bevorzugt ist die eine Stromquelle ein AFC-Generator. Wenn das er findungsgemäße Verfahren zwei Arten von Stromquelle aufweist, ist die erste Stromquelle vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein PEMFC-Generator, ein AFC-Generator, ein SOFC- Generator oder ein MCFC-Generator und die zweite Stromquelle ein PEMFC-Generator o- der ein AFC-Generator, bevorzugt ist die erste Stromquelle ein Gasturbinengenerator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator und die zweite Stromquelle ein PEMFC-Genera tor oder ein AFC-Generator, besonders bevorzugt ist die erste Stromquelle ein Gasturbinen generator und die zweite Stromquelle ein AFC-Generator. Von jeder Stromquellenart ist vor teilhaft eine Einheit bis zehn Einheiten, bevorzugt eine Einheit bis fünf Einheiten, besonders bevorzugt eine Einheit bis zwei Einheiten einem wärmeverbrauchenden Prozess zugeordnet.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kommt den Niedertemperatur-Brennstoffzellen eine besondere Funktion zu. Die Brennstoffzellen werden vorteilhaft aus dem Wasserstoffnetz des Verbundstandortes versorgt. Wasserstoff wird im industriellen Maßstab durch Kohle vergasung, durch die Spaltung von Kohlenwasserstoffen, durch die partielle Oxidation, die Dampfreformierung oder die autotherme Reformierung von Erdgas, Flüssiggas oder Naph tha, durch die Reformierung von Methanol, durch die Dehydrierung organischer Verbindun gen, durch Wasser-Elektrolyse von Wasser oder durch Chlor-Alkali-Elektrolyse hergestellt. Vorteilhaft wird der Wasserstoff durch Druckwechseladsorption oder durch Membranver fahren gereinigt, verdichtet und in das Wasserstoffnetz eingeleitet. Beispielsweise hat der Verbundstandort der BASF in Fudwigshafen ein 40 bar und ein 325 bar-Netz für Wasser stoff. Über dieses Netz wird der Wasserstoff an ca.80 Betriebe verteilt und teilweise auch exportiert. Brennstoffzellen, die als lokale Stromquellen eingesetzt werden, können in zwei Modi betrieben werden: im normalen Modus als Stromgeneratoren oder, im inversen Mo dus, als Wasserstoffgeneratoren, wobei elektrischer Strom genutzt wird, um Wasser in Was serstoff und Sauerstoff zu spalten. Das Volumen des Wasserstoffnetzes beträgt vorteilhaft 100 m3 bis 100000 m3, bevorzugt von 200 m3 bis 50000 m3, besonders bevorzugt von 500 m3 bis 20000 m3. Die im Wasser stoffnetz gespeicherte Heizenergie beträgt vorteilhaft von 250 MWh bis 250000 MWh, be vorzugt von 500 MWh bis 120000 MWh, besonders bevorzugt von 1000 MWh bis 50000 MWh.

Erdgas als Energieträger

Vorteilhaft weist diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine oder zwei Arten von lokalen Stromquellen auf. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren eine Art von lokaler Stromquelle aufweist, ist diese vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein Dampfturbi nengenerator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator. Bevorzugt ist die eine Strom quelle ein Gasturbinengenerator oder ein SOFC-Generator. Besonders bevorzugt ist die eine Stromquelle ein Gasturbinengenerator. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zwei Arten von Stromquelle aufweist, ist die erste Stromquelle vorteilhaft ein Gasturbinengenerator, ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator und die zweite Stromquelle ein SOFC-Generator oder ein MCFC-Generator, bevorzugt ist die erste Stromquelle ein Gasturbinengenerator, und die zweite Stromquelle ein SOFC-Generator. Von jeder Stromquellenart ist vorteilhaft eine Einheit bis zehn Einheiten, bevorzugt eine Einheit bis fünf Einheiten, besonders bevor zugt eine Einheit bis zwei Einheiten einem wärmeverbrauchenden Prozess zugeordnet.

Das Volumen des Erdgasnetzes beträgt vorteilhaft 1000 m3 bis 1000000 m3, bevorzugt von 2000 m3 bis 500000 m3, besonders bevorzugt von 5000 m3 bis 200000 m3. Die im Erdgas netz gespeicherte Heizenergie beträgt vorteilhaft von 500 MWh bis 500000 MWh, bevorzugt von 1000 MWh bis 200000 MWh, besonders bevorzugt von 2000 MWh bis 100000 MWh.

Lastumschalter:

Das erfindungsgemäße Verfahren steuert den Bezug der elektrischen Energie vorteilhaft mit einem Lastumschalter, der die Umschaltung zwischen der lokalen und der externen Strom quelle oder ein Erhöhen bzw. Drosseln einer der Stromquellen regelt. Vorteilhaft lässt sich der Anteil der Stromquellen diskret und/oder kontinuierlich einstellen. Lastumschalter sind dem Fachmann der Elektrotechnik bekannt.

Vorteilhaft erfolgt die Umschaltung in diskreten Schritten, insbesondere bei n ic ht-tei 11 astfä - higen lokalen Stromquellen. Alternativ erfolgt die Umschaltung kontinuierlich, insbesondere bei teillastfähigen lokalen Quellen.

Als Steuergröße für den Lastumschalter wird vorteilhaft der Strompreis genommen. Bevor zugt wird die benötigte Energie aus der externen Stromquelle entnommen, wenn der ex terne Strom günstiger als der lokal produzierte Strom der lokalen Stromquellen ist; z.B. in Zeiten, in denen sog. Überschussstrom und/oder Nachtstrom zur Verfügung steht (wobei Nachtstrom als solche elektrische Energie definiert ist, die bei Nacht geliefert wird - bei spielsweise zwischen 22 und 6 Uhr und einen Niedrigtarif aufweist). Überschussstrom wird gemäß Bundestagsbericht als die Differenz zwischen der elektri schen Leistung definiert, die zu einem Zeitpunkt mit den verfügbaren Kapazitäten produ ziert werden könnte und der elektrischen Leistung, die von den Verbrauchern abgenommen wird. Überschussstrom wird auf dem Strommarkt deutlich unterhalb seiner Gestehungskos ten oder zu Preisen, die bezogen auf seinen Energiegehalt niedriger sind als für einen fossi len Brennstoff mit demselben Brennwert, oder umsonst (d.h. ohne Gegenleistung) oder so gar zu negativen Preisen angeboten wird.

Vorzugsweise werden im Jahresmittel mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 50%, der elektrischen Energie aus dem öffentlichen Stromnetz durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom, bevorzugt Überschussstrom, bereitgestellt.

Vorzugsweise werden im Jahresmittel 25 bis 100%, besonders bevorzugt 50 bis 100%, der benötigten Energie der externen Stromquelle durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom bereitgestellt. Besonders bevorzugt wird jedoch die gesamte Energie der externen Strom quelle durch Überschussstrom und/oder Nachtstrom, bevorzugt Überschussstrom, bereitge stellt.

Wechsel der Stromquellen

Vorteilhaft erfolgt ein Wechsel der Stromquellen während der Durchführung des wärmever brauchenden Prozesses. Unter einem Wechsel der Stromquellen ist ein Zu- bzw. Abschalten einer oder mehrerer lokaler Stromquellen oder das Zu- bzw. Abschalten der externen Stromquelle, insbesondere des öffentlichen Stromnetzes, zu verstehen. Ferner ist unter ei nem Wechsel der Stromquellen ein Erhöhen oder Drosseln des Anteils einer der Stromquel len zu verstehen.

Vorteilhaft verringert sich bzw. schwankt die dem Prozess zugeführte elektrische Energie während des Umschaltens maximal um 10% der Gesamtleistung, bevorzugt maximal um 5% und insbesondere maximal um 1%. Vorteilhaft liegt der prozentuale Bereich bei 10 bis 0, be vorzugt 5 bis 0, insbesondere 1 bis 0. Die geringen Schwankungen können durch die schnel len Ansprechzeiten der lokalen Stromquellen und des Lastenumschalters erreicht werden. Diese Ansprechzeiten sind vorteilhaft kleiner als 30 Minuten, bevorzugt kleiner als 15 Minu ten, besonders bevorzugt kleiner als 5 Minuten.

Der wärmeverbrauchende Prozess behält erfindungsgemäß vorteilhaft seinen Betriebszu stand während des Umschaltens bei: Vorteilhaft ändert sich der Umsatz des wärmeverbrau chenden Prozesses während der Übergangszeit maximal um 2 %, bevorzugt maximal um 1 %, besonders bevorzugt maximal um 0,5 %, insbesondere maximal um 0,2 %. Vorteilhaft än dert sich durch den Wechsel der Energiequellen die Nebenproduktselektivität der Hochtem peraturprozesse nur wenig, bevorzugt erhöht sich die Nebenproduktselektivität um maximal 1 %, bevorzugt um maximal 0,5 %, insbesondere um maximal 0,2 % (absolut).

Reaktorkonzept Das erfindungsgemäße endotherme Verfahren wird vorteilhaft in gepackten Reaktoren, in Rohrreaktoren oder in Lichtbogenreaktoren durchgeführt (siehe Henkel, K.D. (2000). Reac- tor types and their industrial applications. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry).

Beheizung:

Um thermische Energie für einen wärmeverbrauchenden Prozess über elektrischen Strom bereitzustellen, finden sich im Stand der Technik unterschiedliche Lösungen: Beispielhaft sind hier induktive oder resistive Verfahren, Plasmaverfahren, ein Erwärmen durch elektrisch leitfähige Heizelemente/Kontaktflächen und/oder Mikrowellen zu nennen.

Die direkte elektrische Energiezufuhr kann sowohl induktiv als auch resistiv erfolgen. In bei den Fällen stellen vorteilhaft die Reaktorwände oder Packungen im Reaktorraum einen ent sprechenden Widerstand dar. Besonders bevorzugt ist die resistive Variante, da hierbei alle elektrischen Verluste, die ab Ende der äußeren Stromzuführung entstehen, direkt der Auf heizung der Packungen zugutekommen.

Die Packungen können dabei sowohl als Wirbelbett, Wanderbett oder als auch als Festbett ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführung werden zwei oder mehrere Elektroden in die Packungen installiert, zwischen denen die Packungen als elektrischer Widerstand fungieren und sich beim Durchleiten des Stromes aufgrund der elektrischen Durchleitungsverluste erhitzen.

Der Stromfluss kann dabei sowohl quer zu den Strömungsrichtungen der Packungen als auch längs dazu erfolgen.

Bei der indirekten elektrischen Energiezufuhr werden elektrische Heizkörper, beispielsweise Heizstäbe oder Heizpatronen über den Umfang der Reaktorwand angeordnet oder in die Pa ckungen eingebettet. Diese elektrischen Heizkörper erhitzen sich, wenn Strom durch sie fliest und geben diese Wärme an die Reaktorwand oder an die sie umgebende Packungen ab.

Neben den elektrischen Energiequellen sind weitere nicht-elektrische Energiequellen denk bar, z.B. Wärmeträger wie Rauchgase, überhitzte Dämpfe oder Schmelzen. Die in den Wär meträgern enthaltene fühlbare und / oder die latente Wärme kann über Einbauten wie Wär meüberträgerrohre oder Wärmerohre (heat pipes) auf die Packungen oder auf den fluiden Prozessstrom übertragen werden.

Wanderbettreaktor:

Der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Reaktor enthält vorteilhaft eine regel lose Packung fester Partikeln aus elektrisch leitfähigem Material. Die Packung kann homo gen oder in der Höhe strukturiert sein. Eine homogene Packung kann vorteilhaft ein Fest bett, ein Wanderbett oder ein Wirbelbett bilden. Eine in der Höhe strukturierte Packung bil- det vorteilhaft im unteren Abschnitt ein Festbett und im oberen Abschnitt ein Wirbelbett. Al ternativ bildet die strukturierte Packung vorteilhaft im unteren Abschnitt ein Wanderbett und im oberen Abschnitt ein Wirbelbett.

Die Trägermaterialien des Reaktors sind vorteilhaft temperaturbeständig im Bereich von 500 bis 2000° C, bevorzugt 1000 bis 1800° C, weiter bevorzugt 1300 bis 1800° C, beson ders bevorzugt 1500 bis 1800° C, insbesondere 1600 bis 1800° C.

Die Trägermaterialien sind vorteilhaft elektrisch leitfähig im Bereich zwischen 10 S/cm und 10 ⁵ S/cm.

Die T rägermaterialien weisen vorteilhaft eine volumenspezifische Wärmekapazität von 300 bis 5000 kJ/(m ³ K)auf, bevorzugt 500 bis 3000 kJ/(m ³ K).

Als temperaturbeständige Trägermaterialien, insbesondere für die Methanpyrolyse, kom men vorteilhaft kohlenstoffhaltige Materialien, z.B. Koks, Siliciumcarbid und Borcarbid in Betracht. Gegebenenfalls sind die Träger mit katalytischen Materialien beschichtet. Diese Wärmeträgermaterialien können gegenüber dem darauf abgesetzten Kohlenstoff ein unter schiedliches Ausdehnungsvermögen aufweisen.

Die Trägermaterialien besitzen vorteilhaft eine regelmäßige und/oder eine unregelmäßige geometrische Form. Regelmäßig geformte Partikel sind vorteilhaft kugelförmig oder zylind risch.

Die Trägermaterialien besitzen vorteilhaft eine Körnung, d.h. einen Äquivalenzdurchmesser, der durch Siebung mit einer bestimmten Maschengröße bestimmbar ist, von 0,05 bis 100 mm, bevorzugt 0,1 bis 50 mm, weiter bevorzugt 0,2 bis 10 mm, insbesondere 0,5 bis 5 mm.

Wanderbettfahrweise

Die Trägermaterialien werden vorteilhaft im Gegenstrom zu den Eduktgasen geführt. Der Reaktionsraum ist hierfür sinnvollerweise als senkrechter oder von oben nach unten sich erweiternder Schacht ausgeführt, so dass die Bewegung des Wanderbetts unter Wirkung der Schwerkraft zustande kommt. Das Trägermaterial kann jedoch auch als Wirbelbett durch den Reaktionsraum geführt werden. Beide Varianten erlauben eine kontinuierliche o- der quasi-kontinuierliche Betriebsweise.

Der Wärmetransportwiderstand beim Wärmeaustausch zwischen dem Gas und der Fest stoffpackung in den Wärmeübertragungszonen weist vorteilhaft eine Länge der Übertra gungseinheiten oder Fleight-of-Transfer Units (FITU) von 0,01 bis 5 m, bevorzugt 0,02 bis 3 m, besonders bevorzugt von 0,05 bis 2 m, insbesondere von 0,1 bis 1 m auf. Die Definition der FITU wird übernommen von http://elib.uni-stutt- gart.de/bitstream/11682/2350/l/docu_FU.pdf Seite 74. Der Wärmekapazitätsstrom ist das Produkt aus Massenstrom und spezifische Wärmekapa zität eines Stoffstroms. Vorteilhaft beträgt das Verhältnis der Wärmekapazitätsströme von 0,5 bis 2, bevorzugt von 0,75 bis 1,5, besonders bevorzugt von 0,85 bis 1,2, insbesondere von 0,9 bis 1,1. Das Verhältnis der Wärmekapazitätsströme wird über die Zulaufströme und ggf. über die Seiteneinspeisung oder den Seitenabzug von Teilströmen eingestellt.

Unter Verwendung eines Wander- oder Wirbelbettes ist die Temperatur des Trägers vorteil haft beim Reaktoreintritt zwischen 0 und 300 ° C, bevorzugt 10 und 150° C, insbesondere 50 bis 100° C. Die Temperatur der Edukt-Gase ist beim Reaktoreintritt vorteilhaft zwischen 0 und 100 ° C, bevorzugt 10 bis 50° C.

Bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, die in der Hochtemperaturzone gebildeten Pro duktgase sehr rasch, vorteilhaft mit > 200 K/s, bevorzugt mit > 300 K/s, besonders bevor zugt mit > 500 K/s, insbesondere mit > 1000 K/s, abzukühlen.

Reaktor:

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe einer elektrisch-beheizten ge packte drucktragende Vorrichtung durchgeführt, wobei die Vorrichtung vorteilhaft in einen oberen, mittleren und unteren Vorrichtungsabschnitt aufgeteilt ist. Im mittleren Abschnitt ist vorteilhaft mindestens ein vertikal angeordnetes Elektrodenpaar eingebaut ist und alle Elektroden sind vorteilhaft in einer elektrisch-leitenden Feststoff-Packung angeordnet. Der obere und untere Vorrichtungsabschnitt weist vorteilhaft eine spezifische Leitfähigkeit von 10 ⁵ S/m bis 10 ⁸ S/m auf. Der mittlere Vorrichtungsabschnitt ist vorteilhaft gegen die Fest stoff-Packung elektrisch isoliert. Der obere und untere Vorrichtungsabschnitt ist vorteilhaft gegen den mittleren Vorrichtungsabschnitt elektrisch isoliert. Die obere Elektrode ist vor teilhaft über den oberen Vorrichtungsabschnitt und die untere Elektrode vorteilhaft über den unteren Vorrichtungsabschnitt angeschlossen oder die Elektroden sind jeweils über ein oder mehrere an diesen Abschnitten elektrisch kontaktierte Verbindungselemente ange schlossen.

Das Verhältnis der Querschnittsfläche der oberen und unteren Elektrode zur Querschnitts fläche des jeweiligen stromleitenden Verbindungselements oder, ohne Verwendung eines Verbindungselements, das Verhältnis der Querschnittsfläche der oberen und unteren Elekt rode zur Querschnittsfläche des jeweiligen stromleitenden Vorrichtungsabschnitts beträgt vorteilhaft 0,1 bis 10, bevorzugt 0,3 bis 3, insbesondere 0,5 bis 2.

Vorteilhaft liegt die Querschnittsfläche der Elektrode (z.B. die Querschnittsfläche aller Elektrodenstege einer gitterförmigen Elektrode) im Bereich von 0,1 cm ² bis 10000 cm ² , be vorzugt 1 cm ² bis 5000 cm ² , insbesondere 10 cm ² bis 1000 cm ² . Vorteilhaft liegt die Quer schnittsfläche des oder der stromleitenden Verbindungselemente im Bereich von 0,1 cm ² bis 10000 cm ² , bevorzugt 1 cm ² bis 5000 cm ² , insbesondere 10 cm ² bis 1000 cm ² . Ohne Verwendung eines Verbindungselements (zwischen der Elektrode und dem oberen bzw. unteren Vorrichtungsabschnitt) beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche der obe ren und/oder unteren Elektrode, bevorzugt der oberen und unteren Elektrode, zur Quer schnittsfläche des jeweiligen stromleitenden Vorrichtungsabschnitts vorteilhaft 0,1 bis 10, bevorzugt 0,3 bis 3, insbesondere 0,5 bis 2. Vorteilhaft liegt die Querschnittsfläche der Elektrode im Bereich von 0,1 cm ² bis 10000 cm ² , bevorzugt 1 cm ² bis 5000 cm ² , insbeson dere 10 cm ² bis 1000 cm ² . Vorteilhaft liegt die Querschnittsfläche des oberen und/oder un teren Vorrichtungsabschnitts im Bereich von 0,1 cm ² bis 10000 cm ² , bevorzugt 1 cm ² bis 5000 cm ² , insbesondere 10 cm ² bis 1000 cm ² .

Die Reaktorpackung ist vorteilhaft als Wanderbett ausgeführt. Entsprechend ist der Reaktor vorteilhaft in mehrere Zonen aufgeteilt. Vorteilhaft gibt es von unten nach oben angeordnet: den Auslauf der Träger, die Gaseinleitung, die untere Wärmeübertragungszone, die untere Elektrode, die beheizte Zone, die obere Elektrode mit optional einem Seitenabzug, die obere Wärmeübertragungszone, den Austritt des gasförmigen Produktstroms und die Zuführung des T rägerstroms.

Die untere Wärmeübertragungszone ist die vertikale Strecke zwischen dem oberen Rand der Gaseinleitung und dem oberen Rand der unteren Elektrode.

Die obere Wärmeübertragungszone ist die vertikale Strecke zwischen dem unteren Ende der oberen Elektrode und dem oberen Ende der Feststoffpackung.

Die beheizte Zone an jedem Punkt des Reaktorquerschnitts ist als der vertikale Abstand zwischen dem unteren Ende der oberen Elektrode und dem oberen Ende der unteren Elekt rode definiert.

Vorteilhaft sind die untere Seite der oberen Elektrode und die obere Seite der unteren Elektrode über den gesamten Reaktorquerschnitt horizontal. Folglich ist die Länge der be heizten Zone, insbesondere die Strecke zwischen den Elektroden, vorteilhaft einheitlich über den gesamten Reaktorquerschnitt. Der beheizte Reaktorquerschnitt beträgt vorteilhaft von 0,005 m ² bis 200 m ² , bevorzugt von 0,05 m ² bis 100 m ² , besonders bevorzugt von 0,2 m ² bis 50 m ² , insbesondere von 1 m ² bis 20 m ² . Die Länge der beheizten Zone beträgt vorteil haft zwischen 0,1 m und 100 m, vorzugsweise zwischen 0,2 m und 50 m, besonders bevor zugt zwischen 0,5 m und 20 m, insbesondere zwischen 1 m und 10 m. Das Verhältnis der Länge zum äquivalenten Durchmesser der beheizten Zone beträgt vorteilhaft von 0,01 bis 100, bevorzugt von 0,05 bis 20, besonders bevorzugt von 0,1 bis 10, ganz besonders bevor zugt von 0,2 bis 5.

Die Elektroden sind vorteilhaft im Inneren der Feststoff-Packung positioniert (siehe Figuren 1 und 2). Der vertikale Abstand zwischen dem oberen Rand der Feststoffpackung (bei einer Böschung der tiefste Punkt) und dem unteren Rand der Elektrodenplatten bzw. ohne Ver wendung von Elektrodenplatten dem unteren Rand der Elektrodenstege an der oberen Elektrode beträgt vorteilhaft von 10 mm bis 5000 mm, bevorzugt von 100 mm bis 3000 mm, weiter bevorzugt von 200 mm bis 2000 mm. Dieser Abschnitt beträgt vorteilhaft von 1% bis 50%, bevorzugt von 2% bis 20%, besonders bevorzugt von 5% bis 30% der gesamten Höhe der Feststoffpackung.

Die Elektroden können alle dem Fachmann bekannte Formen annehmen. Beispielhaft sind die Elektroden als Gitter oder als Stäbe ausgebildet. Bevorzugt weisen die Elektroden eine Gitterform auf. Für die Gitterform sind verschiedene Gestaltungsvarianten denkbar, bei spielsweise sind wabenförmige Gitter aus vorteilhaft regelmäßigen Vielecken, rechteckför mige Gitter gebildet aus parallelen Stegen, speichenförmige Gitter oder Gitter aus konzent rischen Ringen. Besonders bevorzugt sind speichenförmige Gitter mit vorteilhaft 2 bis 30 sternförmig angeordneten Stegen und Gitter aus konzentrischen Ringen.

Die Querschnittsversperrung der Elektroden liegt vorteilhaft zwischen 1 % und 50 %, bevor zugt zwischen 1 % und 40 %, besonders bevorzugt zwischen 1 % und 30 %, insbesondere zwischen 1 % und 20 %.

Besonders bevorzugt ist eine Elektrode in Gitterform, die an der Innenseite des oberen bzw. unteren Vorrichtungsabschnittes, z.B. einer Haube, oder an einem Verbindungselement, z.B. einer an dem Vorrichtungsabschnitt befestigten Schürze, fest gelagert ist.

Als Festlager wird die Verbindung eines starren Körpers mit seiner Umgebung verstanden, mit deren Hilfe eine Relativbewegung zwischen dem Körper und seiner Umgebung in allen Richtungen unterbunden wird.

Bei den sternförmigen und den fraktal skalierten Gittern sind die Elektrodenstege vorteilhaft an ihrem äußeren Ende mit der Reaktorhaube oder mit der Schürze der Reaktorhaube ver bunden.

Die Kontaktfläche zwischen der Elektrode und der Reaktorhaube oder Schürze beträgt vor teilhaft zwischen 0,1 cm ² und 10000 cm ² , bevorzugt zwischen 1 cm ² und 5000 cm ² , insbe sondere zwischen 10 cm ² und 1000 cm ² .

Das Verhältnis der Querschnittfläche der Schürze der stromführenden Reaktorhaube zum Querschnitt der Feststoffpackung beträgt vorteilhaft 0,1% bis 20%, bevorzugt 0,2% bis 10%, besonders bevorzugt 0,5% bis 5%.

In der Hauben-Elektroden-Einheit wird vorteilhaft weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 2 %, bevorzugt weniger als 1%, insbesondere als 0,1% der insgesamt eingetragenen elektri schen Energie dissipiert. Bevorzugt liegt der Bereich der dissipierten Energie bei 0 bis 5 %, bevorzugt bei 0 bis 2 %, insbesondere bei 0 bis 1 %. Dadurch kann die elektrische Energie annähernd vollständig für die Beheizung der Packung zwischen den Elektroden genutzt.

Der Werkstoff der Elektroden, d.h. Stege und Elektrodenplatten, ist vorteilhaft Eisen, Guss eisen oder eine Stahllegierung, Kupfer oder eine Legierung auf Kupferbasis, Nickel oder eine Legierung auf Nickelbasis, ein Refraktärmetall oder eine Legierung auf Basis von Re fraktärmetallen und/oder eine elektrisch leitfähige Keramik. Insbesondere bestehen die Stege aus einer Stahllegierung, beispielsweise mit der Werkstoffnummer 1.0401, 1.4541, 1.4571, 1.4841, 1.4852, 1.4876 nach DIN EN10027-2 (Ausgabedatum 2015-07), aus Nickel basis-Legierungen, beispielsweise mit der Werkstoffnummer 2.4816, 2.4642, aus Ti, insbe sondere Legierungen mit der Werkstoffnummer 3.7025, 3.7035, 3.7164, 3.7165, 3.7194, 3.7235. I nnerhalb der Refraktärmetalle sind Zr, Hf, V, N b, Ta, Cr, Mo, W oder Legierungen hieraus besonders vorteilhaft; bevorzugt Mo, W und/oder N b oder Legierungen hieraus, ins besondere Molybdän und Wolfram oder Legierungen hieraus. Ferner können Stege Kerami ken wie Siliziumcarbid und/oder Kohlenstoff, z.B. Grafit, enthalten, wobei die Keramiken monolithische oder faserverstärkte Verbundwerkstoffe (z.B. Ceramic Matrix Compound, CMC, z.B. Carbon Fiber Composite, CFC) sein können.

Endotherme Prozesse:

Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem wärmeverbrauchenden Prozess vorteilhaft um ei nen endothermen Hochtemperaturprozess, bevorzugt um einen Prozess, dessen Energiever brauch in der Reaktionszone größer als 0,5 MW/m ³ ist, besonders bevorzugt größer 1 MW/m ³ , insbesondere größer als 2 MW/m ³ . Beispielsweise kann der Energieverbrauch zwi schen 0,5 und 10 MW/m ³ in der Reaktionszone liegen.

Die wärmeverbrauchenden Prozesse werden vorteilhaft bei einer Sauerstoffkonzentration von kleiner als 5 vol.-%, insbesondere kleiner als 2 Vo I . -%, insbesondere sauerstofffrei durchgeführt.

Die Maximaltemperatur in der Reaktionszone liegt vorteilhaft bei größer 500° C, bevorzugt bei größer 800° C. Beispielsweise liegt die Temperatur in der Reaktionszone in einem Be reich von 500 bis 2500° C, bevorzugt 700 bis 1800° C; beispielsweise bei 500 bis 800° C bei Dehydrierungs-Reaktionen, beispielsweise bei 700 bis 1000° C bei Reformierungs-Re aktionen, beispielsweise bei 800 bis 1100° C bei Dampf-Spaltungs-Reaktionen, beispiels weise bei 800 bis 1500° C bei Pyrolyse-Reaktionen, beispielsweise bei 800 bis 1200° C bei Kohlenstoff-Vergasungs- Reaktionen.

Als wärmeverbrauchende Prozesse kommen vorteilhaft folgende Verfahren in Betracht: die Herstellung von Synthesegas, von Wasserstoff, von Styrol, von Olefinen, insbesondere Ethy len, Propylen und Buten, von Propen, von Benzol, von Acetylen, von, Naphthalin, von Koh lenstoffmonoxid, von Blausäure, von Stickstoffmonoxid, von Cyanwasserstoff und/oder von Pyrolyse-Kohlenstoff, sowie bei der Kalzinierung von Aluminiumhydroxid eingesetzt. Bevor zugt sind folgende Verfahren: Dampf- und Trockenreformierung, die Dampf- oder die tro ckene Spaltung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere die Pyrolyse von Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, die Thermolyse von Wasser, die Dehydrierung Ethylbenzol zu Sty rol, von Propan zu Propen, von Butan zu Buten und/oder von Cyclohexan zu Benzol, sowie die pyrolytische Acetylenherstellung, die Herstellung von Benzol aus Methan, die Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid, die Herstellung von Cyanwasserstoff aus Erdgas und Stickstoff und die Herstellung von Blausäure aus Methan und Ammoniak sowie die Herstel lung von Stickstoffmonoxid aus Stickstoff und Sauerstoff.

Bevorzugt werden folgende Hochtemperaturreaktionen durchgeführt, besonders bevorzugt in einem Wanderbettreaktor:

die Herstellung von Synthesegas durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf und / oder Kohlenstoffdioxid, Koppelproduktion von Wasserstoff und Pyrolyse-Kohlenstoff durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen. Geeignete Trä germaterialien sind insbesondere kohlenstoffhaltige Granulate, Siliciumcarbid-hal- tige Granulate, nickelhaltige metallische Granulate.

Herstellung von Blausäure aus Methan und Ammoniak oder aus Propan und Ammo niak. Geeignete Trägermaterialien sind insbesondere kohlenstoffhaltige Granulate. Herstellung von Olefinen durch Wasserdampfspaltung von Kohlenwasserstoffen. Ge eignete Trägermaterialien sind insbesondere kohlenstoffhaltige Granulate, Silici- umcarbid-haltige Granulate.

Kupplung von Methan zu Ethylen, Acetylen und zu Benzol.

Herstellung von Olefinen durch die katalytische Dehydrierung von Alkanen, bei spielsweise Propylen aus Propan oder Buten aus Butan. Geeignete Trägermateria lien sind insbesondere mit Dehydrierkatalysatoren beschichtete Siliciumcarbid-hal- tige Granulate oder eisenhaltige Formkörper.

Herstellung von Styrol durch katalytische Dehydrierung von Ethylbenzol. Geeignete Trägermaterialien sind insbesondere mit Dehydrierkatalysatoren beschichtete Silici- umcarbid-haltige Granulate oder eisenhaltige Formkörper.

Herstellung von Diolefinen durch die katalytische Dehydrierung von Alkanen oder Olefinen, beispielsweise Butadien aus Buten oder aus Butan. Geeignete Trägermate rialien sind insbesondere mit Dehydrierkatalysatoren beschichtete Siliciumcarbid- haltige Granulate oder eisenhaltige Formkörper.

Aldehyde durch katalytische Dehydrierung von Alkoholen, beispielsweise wasser freies Formaldehyd aus Methanol. Geeignete Trägermaterialien sind insbesondere silberhaltiges Granulat oder mit Dehydrierkatalysatoren beschichtete Siliciumcarbid- haltige Granulate oder eisenhaltige Formkörper.

Herstellung von CO durch die Boudouard-Reaktion aus C02 und Kohlenstoff. Geeig nete Trägermaterialien sind insbesondere kohlenstoffhaltige Granulate.

Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch katalytische Wasserthermolyse an katalytischen Kontakten. Geeignete Trägermaterialien sind insbesondere Silici- umcarbid-haltige oder eisenhaltige Granulate, die mit einem Spaltkontakt, beispiels weise einem Ferrit beschichtet sind.

Synthesegas wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen wie Methanolsynthese, Ammoniak synthese, Oxosynthese, Fischer-Tropsch-Synthese eingesetzt (Seite„Synthesegas“. In: Wi- kipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 10. März 2020, 17:41 UTC. URF:

h ttps ://d e. wi ki ped ia.o rg/ w/i n d ex. php?title=Synthesegas&oldid = 197642178). Wasserstoff wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen wie Kohlehydrierung, Ammoniaksyn these, Fetthärtung, selektive Hydrierung von Alkinen, Hydrierung von Nitrogruppen zu Ami nen eingesetzt (Seite„Wasserstoff“. I n: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungs stand: 15. März 2020, 16:31 UTC. URL: https://de. wikipedia. org/w/index.php?title=Wasser- stoff&oldid= 197790800).

Zu den industriell wichtigsten Olefinen gehören Ethylen, Propylen und Butene.

Ethlyen wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Polyethylen, Ethylendichlorid, Ethylenoxid, Ethylbenzol umgesetzt (Seite„Ethen“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 23. April 2020, 09:31 UTC. URL: https://de. wikipe dia. org/w/index.php?title=Ethen&oldid= 199192096).

Propylen wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Aceton, Acrol- ein, Acrylnitril, Acrylsäure, Allylverbindungen, Butanal, 1-Butanol, Polypropylen, Propylen oxid, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, Thymol umgesetzt (Seite„Propen“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 1. Oktober 2019, 18:51 UTC. URL: https://de. wikipe dia. org/w/index.php?title=Propen&oldid= 192770628).

Butene werden vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie 2-Butanol, 2- Butanon, Butadien, Methyl-tert-butylether oder Ethyl-tert-butylether umgesetzt (Seite„Bu tene“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. September 2019, 07:11 UTC. URL: https://de. wikipedia. org/w/index.php?title=Butene&oldid=191929887).

Butadien wird in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Synthesekautschuk, Acryl- Butadien-Styrol-Copolymere, Adiponitril umgesetzt (Seite„1,3-Butadien“. I n: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 2. Mai 2020, 13:49 UTC. URL: https://de. wikipe dia. org/w/index.php?title=1 ,3-Butadien&oldid=199535563).

Wasserstoff wird vorteilhaft in Downstream-Prozesse wie ··· eingesetzt (Häussinger, P., Lohmüller, R. and Watson, A. M. 2000. Hydrogen, 2. Production. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry).

Benzol wird in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Ethylbenzol, Cumol, Cycohe- xan, Nitrobenzol umgesetzt werden (Seite„Benzol“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 20. April 2020, 18:09 UTC. URL: https://de.wikipedia.Org/w/index.php7ti· tle=Benzol&oldid=199100597).

Styrol wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Polystyrol, Acrylni tril -Butadien -Styrol -Co polymere, Styrol-Acrylnitril -Co polymere, Styrol -Butadien -Co poly mere, Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere, Polyesterharze umgesetzt (Seite„Styrol“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 21. April 2020, 09:59 UTC. URL: https://de.wi kipedia.org/w/index.php?title=Styrol&oldid=199119904).

Blausäure wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Adiponitril, Acetocyanhydrin, Cyanurchlori umgesetzt (Seite„Cyanwasserstoff“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 23. April 2020, 13:21 UTC. URL: https://de. wikipe dia. org/w/index.php?title=Cyanwasserstoff&oldid= 199198613).

Kohlenstoffmonoxid wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie Phosgen, Ameisensäure, Methylformiat, Essigsäure, Essigsäureanhydrid umgesetzt. Dar über hinaus ist Kohlenstoffmonoxid eine Komponente des Synthesegases (Seite„Kohlen stoffmonoxid“. I n: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 19. April 2020, 06:01 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Kohlenstoffmon- oxid&oldid=199031788) .

Formaldehyd wird vorteilhaft in Downstream-Prozessen zu Folgeprodukten wie 1,4-Butan- diol, Methylendiphenylisocyanate, Polyoxymethylen, Phenoplaste und Aminoplaste umge- setzt (Seite„Formaldehyd“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. Mai 2020, 12:08 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Formalde- hyd&oldid= 199572039).

Für die bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Bereiche der Sollwerte der Maximaltemperatur tabellarisch zusammengefasst:

Stark wärmeverbrauchende Prozesse, bevorzugt Hochtemperaturprozesse, insbesondere Hochtemperaturprozesse in direkt elektrisch beheizten gepackten Reaktoren eignen sich besonders gut für die Nutzung elektrischer Energie, da die Umwandlung elektrischer Ener gie in Wärme hier mit einem hohen exergetischen Wirkungsgrad möglich ist. Exergie ist der Anteil der inneren Energie eines Systems, der in mechanische Energie ohne Entropiezu nahme umsetzbar ist. Generell wird bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme ein gewisser Anteil der Exergie vernichtet. Dieser Anteil sinkt mit steigendem Temperaturni veau der Wärmesenke, im vorliegenden Fall mit steigender Temperatur des stark endother men Hochtemperaturprozesses.

Die Produkte der wärmeverbrauchenden Prozesse, insbesondere Wasserstoff, Synthesegas und/oder Olefine, können vorteilhaft in ein Versorgungsnetz des Verbundstandortes einge speist werden.

Sekundärregelung und Minutenreserve:

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfah rens als Lastabwurfkapazität für die Sekundärregelung und / oder als Minutenreserve für das öffentliche Stromnetz. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Hochtemperatur verfahren als Lastabwurfkapazität für die Sekundärregelung und / oder als Minutenreserve bei Frequenzregelungen in elektrischen Netzen einzusetzen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind diese Hochtemperaturverfahren schnell zuschaltbar und können ferner hohe Energiemengen von 300 bis 600 TWh abnehmen. Kontinuierlich betrieben sind diese Ver fahren permanent für die Einspeisung von Überschussstrom, beispielsweise von Nacht strom, verfügbar.

Vorteile

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine dauerhafte Abnahme von Überschussstrom durch kontinuierlich betriebene, elektrisch-beheizte wärmeverbrauchende Prozesse. Somit stehen chemische Großverfahren als Lastabwurfkapazität für die Sekundärregelung und / oder als Minutenreserve zur Verfügung. Dadurch kann die Netzstabilität verbessert und die Auslas tung der regenerativen Energiequellen deutlich gesteigert werden. Ferner wird die Profitabi- lität der wärmeverbrauchenden Prozesse dadurch verbessert, dass ihre Lastabwurfkapazität für die Netzregelung vergütet wird.

Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung eine bedarfsgesteuerte Auslastung der wärme verbrauchenden Prozesse, unabhängig von der Verfügbarkeit von Überschussstrom im all gemeinen Stromnetz. Dadurch wird die Planbarkeit der Produktion in den Downstream-Pro- zessen verbessert, der Speicherbedarf an hochwertigen, aber auch hochreaktiven und folg lich gefährlichen Zwischenprodukten wird minimiert. Ferner wird die Versorgungssicherheit der internen Stromquellen verbessert, dadurch dass sie mit Energieträgern aus einem Ver bundnetz mit hoher Kapazität gespeist werden und Störungen einzelner Prozesse ausgegli chen werden.

Die direkt elektrisch beheizten Wanderbettreaktoren wirken als ohmsche Last mit hoher Wärmekapazität. Dadurch können sie auch aus Quellen gespeist werden, die nicht die Spe zifikationen für die Einspeisung ins öffentliche Netz erreichen. Insbesondere ist es ferner möglich, Überschussstrom ohne Zwischenspeicherung, d.h. annährend verlustfrei, mit ei nem Wirkungsgrad von vorteilhaft größer als 90 %, bevorzugt größer als 95 %, insbesondere größer als 98 %, d.h. in einem Bereich von vorteilhaft 95 bis 100 %, bevorzugt 98 bis 100 %, für den wärmeverbrauchenden Prozess einzusetzen und so seine Kostenvorteile ohne we sentliche Einschränkungen zu nutzen.

Bedingt durch das hohe Temperaturniveau auf dem die Heizleistung zugeführt wird, liegt der Exergieverlust bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise bei weniger als 60%, bevorzugt bei weniger als 50%, besonders bevorzugt bei weniger als 40%, insbesondere bei weniger als 25 % der eingetragenen elektrischen Energie.

Damit kann die zugrundeliegende Erfindung als Technologieplattform für den Übergang zu elektrisch angetriebenen chemischen Prozessen dienen (Energiewandel). Dies bietet die Grundlage für die wirtschaftlich attraktive Nutzung von Überschussstrom und Bereitstellung von Minutenreserve. Es ist somit eine Reduzierung der Energiekosten möglich.

Ein Verbundstandort besitzt die Infrastruktur, Energieträger wie Erdgas, Leichtbenzin, Was serstoff oder Wasserdampf in großen Mengen zu speichern und diese verzögerungsfrei für den Antrieb passender Stromquellen zu nutzen.

Wasserstoff hat den Vorteil, dass er gleichzeitig als Grundprodukt und als universell er setzbarer Speicher für chemische Energie nutzbar ist. Wasserstoff ist geeignet für den An trieb sowohl von Turbinengeneratoren als auch von Brennstoffzellengeneratoren. Die Ener gieerzeugung aus Wasserstoff ist frei von C0 ₂ -Emissionen.

Im Wasserstoff kann Energie verlustfrei über längere Zeiträume gespeichert werden. Druck wasserstoff bei 40bar besitzt eine hohe Energiedichte ca.57 kWh/m ³ gegenüber ca.11 kWh/m ³ von Dampf bei 500° C und 100bar.

Wasserdampf hat den Vorteil, dass er gleichzeitig als Energiespeicher als auch Betriebsme dium für Antrieb von Dampfturbinen nutzbar ist. Darüber hinaus wird Wasserdampf in ver schiedenen Druckstufen für die Versorgung verfahrenstechnischer Prozesse genutzt. Im Werk Ludwigshafen der BASF werden pro Stunde 2000 tn Dampf verbraucht. Dieses ent spricht einer Leistung von 1300 MW, was ca. doppelt so hoch wie der mittlere Bedarf des Standortes an elektrischer Energie ist. Für die Dampferzeugung können sämtliche Brenn stoffe, brennbare Rohstoffe, brennbare Produkte, brennbare Abgasströme, Wärme aus Son nenkollektoren, elektrisch erzeugte Wärme genutzt werden. Durch die Abstufung der Druck stufen im Dampfnetz kann die eingetragene Wärme mit hohem Wirkungsgrad in Dampf um gewandelt werden. Insbesondere wenn Strom aus dem Netz importiert wird und die lokalen Stromquellen abgeschaltet sind, kann die aus brennbaren Abgasströmen gewonnene Wärme in Form von Dampf im Dampfnetz gespeichert werden.

Die Verwendung von parallel geschalteten Stromquellen, wobei die eine direkt durch einen Brennstoff und die zweite durch eine aus dem Dampfnetz gespeiste Dampfturbine ist, lie fert einen sehr guten Wirkungsgrad, vergleichbar zum Wirkungsgrad von GuD-Kraftwerken. Die direkte Versorgung der Dampfturbine mit Dampf aus dem Dampfnetz des Verbundstan dortes ermöglicht ein sehr schnelles Ansprechen der Stromquellen auf veränderte Leis tungsbedarf.

Figuren

Die Figur 1 zeigt schematisch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem direkt widerstandsbeheizten Fließbettreaktor, einem induktiv beheizten Festbettreaktor und einem indirekt widerstandsbeheizten Festbettreaktor in einem Verbundstandort. Jeder Pro zess wird sowohl aus dem allgemeinen Stromnetz und aus einer jeweils lokalen Stromquelle mit elektrischer Energie gespeist.

Die Figur 2 zeigt ein Schema des Vergleichsprozesses nach dem Stand der Technik. Die in terne Stromquelle ist ein GuD-Kraftwerk mit Dampfexport welches die höchsten Wirkungs grade unter den konventionellen Kraftwerken aufweist. Die Dampfturbine ist direkt an den Abhitzekessel des Gasturbinengenerators angeschlossen. Das Ansprechverhalten der Dampfturbine ist durch die Trägheit des Abhitzekessels der Gasturbine bestimmt.

Die Figur 3 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Prozesses. Die interne Stromquelle besteht - identisch zum GuD-Kraftwerk - aus einem Gasturbinen- und einem Dampfturbi nengenerator. Die Dampfturbine ist nicht direkt an den Abhitzekessel der Gasturbine, son dern an dem Dampfnetz eines Verbundstandortes angeschlossen. Dadurch kann die Dampfturbine praktisch verzögerungsfrei auf Lastwechsel reagieren.

Die Figur 4 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Prozesses. Der wärmeverbrauchende Prozess wird aus dem allgemeinen Stromnetz und aus lokalen Stromquellen gespeist. Die lokalen Stromquellen werden mit Energieträgern aus dem Verbundnetz versorgt. Das Ver bundnetz speichert Energieträger, die im wärmeverbrauchenden Prozess und / oder ande ren Prozessen innerhalb des Verbundbetriebs erzeugt werden. Die Flauptprodukte des wär meverbrauchenden Prozesses werden einem Downstream-Prozess innerhalb des Verbund betriebs geleitet.

Die Figur 5 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Prozesses. Der wärmeverbrauchende Prozess wird aus dem allgemeinen Stromnetz und aus einer lokalen Stromquelle gespeist. Die lokale Stromquelle wird mit Wasserdampf aus dem Verbundnetz versorgt. Wasserstoff, der als Nebenprodukt des wärmeverbrauchenden Prozesses anfällt, wird im Verbundnetz gespeichert. Die lokale Stromquelle wird über einen Dampfturbinen-Generator angetrieben. Der Wasserdampf dafür wird aus dem Verbundnetz gezogen. Die Flauptprodukte des wär meverbrauchenden Prozesses werden einem Downstream-Prozess innerhalb des Verbund betriebs geleitet. Legende

1 Elektrisch beheizter wärmeverbrauchender Prozess

2 Trennvorrichtung zur Abtrennung der Haupt- und Nebenprodukte des wärmever brauchenden Prozesses

3 Verbundnetz für Wasserdampf

4 Verbundnetz für Wasserstoff

5 Verbundnetz für Erdgas

6 Verbundnetz für Armgas

7 Leitung für Wasserstoff enthaltenden Gasstrom

8 Dampfleitung

10a Leitung zur Versorgung einer internen Stromquelle mit Wasserdampf

10b Leitung zur Versorgung einer internen Stromquelle mit Wasserstoff

10c Leitung zu Versorgung einer internen Stromquelle mit Erdgas

lOd Leitung zur Versorgung einer internen Stromquelle mit Armgas

11a Interne Stromquelle angetrieben mit Wasserdampf

11b Interne Stromquelle angetrieben mit Wasserstoff

11c Interne Stromquelle angetrieben mit Erdgas

11 d Interne Stromquelle angetrieben mit Armgas

Stromleitung aus der mit Wasserdampf angetriebenen Stromquelle zum wärmever

12a

brauchenden Prozess

Stromleitung aus der mit Wasserstoff angetriebenen Stromquelle zum wärmever

12b

brauchenden Prozess

Stromleitung aus der mit Erdgas angetriebenen Stromquelle zum wärmeverbrau

12c

chenden Prozess

Stromleitung aus der mit Armgas angetriebenen Stromquelle zum wärmeverbrau

12d

chenden Prozess

16 Allgemeines Stromnetz

Produktleitung für den Transport der Hauptprodukte des wärmeverbrauchenden

17

Prozesses zu einem Downstream-Prozess

Stromleitung zur Einspeisung elektrischen Stroms aus dem allgemeinen Netz in den

20

wärmeverbrauchenden Prozess

Stromschiene zur Einspeisung von elektrischem Strom aus den internen Stromquel

21

len in den wärmeverbrauchenden Prozess

31 Weiterer Prozess innerhalb des Verbundbetriebs

Trennvorrichtung im weiteren Prozess innerhalb des Verbundbetriebs, das Energie

32

träger abtrennt und in das Verbundnetz einleitet

Leitung für Wasserstoff enthaltenden Gasstrom aus dem weiteren Prozess inner

36

halb des Verbundbetriebs

37 Dampfleitung aus dem weiteren Prozess innerhalb des Verbundbetriebs

Downstream-Prozess des wärmeverbrauchenden Prozesses innerhalb des Verbund

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betriebs Beispiele

Vergleichsprozess 1: GuD-Kraftwerk

GuD: CH ₄ + 20 ₂ ^ C0 ₂ + 2H ₂ 0 + 481kJ _el /mol (1)

Mit diesem Prozess kann in einer lokalen Stromquelle bedarfsgesteuert aus Erdgas, einem Rohstoff des Verbundstandortes, elektrischer Strom erzeugt werden. Pro Mol eingesetztes Methan werden in einem GuD-Generator 481 KJ elektrische Energie erzeugt. Dabei wird ein Mol C0 ₂ emittiert. Dieser Prozess ist jedoch nicht geeignet, um überschüssige elektrische Energie aus dem Netz zu speichern.

Vergleichsprozess 2: Regenerative Energie in Elektrolyse zu Wasserstoff / Rückumwandlung in Brennstoffzelle zu elektrischer Energie

RegGen + EL: H ₂ 0 _(l) + (l/75%*286) kJ _el /mol H ₂ + V ₂ 0 ₂ (2)

AFC: H ₂ + y _z 0 ₂ H ₂ 0 _(i) + (70%*237) kJ _el /mol (3)

RegGen + EL + AFC: 381 kJ _e| /mol- 166 kJ _e ,/mol (4)

Mit diesem Prozess kann elektrische Energie aus dem Stromnetz für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden. Der Wasserstoff kann in das Rohrleitungsnetz des Verbund standortes eingespeist werden. Der Wasserstoff kann stofflich genutzt oder bei Bedarf in einer lokalen Brennstoffzelle in elektrischen Strom zurückgewandelt werden. Pro kJ elektri sche Energie, die in diesen Prozess eingesetzt wird, können ca. 0,44 kJ elektrische Energie zurückgewonnen werden. Diese Menge an elektrischer Energie ist frei von C0 _2- Emissionen.

Vergleichsprozess 3: Kombination von GuD und Elektrolyse/Brennstoffzelle

RegGen + EL + AFC + GuD: CH4 + 20 ₂ + 92 kJ _e ,/mol C0 ₂ + 2H ₂ 0 + 521,5 kJ _e ,/mol (5)

Erfindungsgemäßer Prozess: Kombination aus Methanpyrolyse und wasserstoffgetriebene Stromquelle

Überschussenergie aus regenerativen Quellen, die im externen Stromnetz verfügbar ist, wird für den Betrieb einer Anlage zur Methanpyrolyse genutzt (Gl. 6). Der thermische Wirkungs grad der Pyrolyse bezogen auf die Standardreaktionsenthalpie beträgt 81,3%. Der erzeugte Wasserstoff wird in das Versorgungsnetz des Verbundstandortes eingespeist. Dort kann er stofflich oder energetisch verwertet werden. Der produzierte Kohlenstoff ist hochrein, inert und rieselfähig. So kann er transportiert und stofflich verwertet oder deponiert werden. Der Wasserstoff wird bedarfsgesteuert, simultan oder zeitlich versetzt zu seiner Erzeugung, in einer AFC mit 70% Spannungswirkungsgrad (Gl.7) oder in einem kombinierten Gasturbi nen- und Dampfturbinengenerator mit einem thermischen Wirkungsgrad von 60% (Gl.8) zur Stromerzeugung eingesetzt. Pro kJ elektrischer Energie aus dem externen Stromnetz, das in die Methanpyrolyse eingespeist wird, können durch die Verstromung des dabei produzierten Wasserstoffs, abhängig von der lokalen Stromquelle, ca.3,1 kJ bis 3,6 kJ elektrische Energie werden (Gl.9, 10), die praktisch frei von C0 ₂ -Emissionen ist. Im Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie nach dem Stand der Technik in einem Elektrolyse-Brennstoffzellen- Kreislauf wird mit erfindungsgemäßen Verfahren durch den Einsatz von Methan eine sechs- bis achtfach größere Menge elektrischer Energie, frei von C0 ₂ -Emissionen, erzeugt.

Ein Teil der im Methan enthaltenen chemischen Energie bleibt im Koppelprodukt Kohlen stoff gespeichert und kann in einem konventionellen thermischen Kraftwerk - begleitet von C0 ₂ -Emissionen - verströmt werden (Gl.11). Wenn die energetische Verwertung des Koh lenstoffs zugelassen wird, beträgt die Menge an elektrischer Energie, die durch den Prozess bestehend aus Methanpyrolyse mit externem Überschussstrom und Verstromung des pro- duzierten Wasserstoffs und Kohlenstoffs erzeugt wird, ca.97% bis 106% der elektrischen Energie, die ein GuD-Kraftwerk nach dem Stand der Technik bei gleichem Methaneinsatz produziert (Gl.1, 12, 13). Der mögliche Überschuss im erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich durch Nutzung des elektrischen Stroms aus dem externen Netz in der Methanpyrolyse. Unter Berücksichtigung des gesamten Stoff- und Energieeinsatzes ist die Menge an elektri- scher Energie, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren produziert wird, ca.90% bis 98% der elektrischen Energie, die ein Prozess bestehend aus einem Elektrolyse/-Brennstoffzel- len-Kreislauf und einem GuD-Kraftwerk produziert (Gl.5, 12, 13).

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass importierte elektrische Energie ge- nutzt werden kann, um mit den internen Stromquellen ein Vielfaches an elektrischer Ener gie, frei von C0 ₂ -Emissionen, zu erzeugen.

(1): Die Stoff- und Energiemengen in Gl.2, Gl.3 und Gl.4 wurden skaliert, dass die impor tierten elektrischen Energiemengen im Vergleichsprozess und im erfindungsgemäßen Pro zess identisch sind. Dadurch sind die Zahlenwerte direkt miteinander vergleichbar.

(2a): Die eingesetzte elektrische Energiemenge gibt die auf 1 Mol Methan bezogene Ener- giemenge an, die aus dem externen Stromnetz in den Verbund importiert wird.

(2b): Die erzeugte elektrische Energiemenge gibt die auf 1 Mol Methan bezogene Energie menge an, die im lokalen Stromnetz aus dem eingesetzten Methan und der vorher einge setzten elektrischen Energie, bzw. den daraus hergestellten Produkten, erzeugt werden kann.

(2c): Die speicherbare elektrische Energiemenge gibt die auf 1 Mol Methan bezogene Ener giemenge an, die im lokalen Stromnetz aus Produkten erzeugt werden kann, die mit der vor her eingesetzten elektrischen Energie im Verbund produziert worden sind.

Legende

AFC: Alkalische Brennstoffzelle

BK: Brennkammer

DT: Dampfturbine

EL: Elektrolyse

G: Generator

GT: Gasturbine

GuD: Gas- und Dampf-Kraftwerk

HD-Dampf: Hochdruck-Dampf

KKW: Mit Kohle betriebenes thermisches Kraftwerk

MePy: Methanpyrolyse

ND-Dampf: Niederdruck-Dampf

RegGen: Strom aus regenerativer Energiequelle

TKW: Thermisches Kraftwerk

VD: Verdichter

VE-Wasser: Speisewasser für den Abhitzekessel der Gasturbine