Kraftwerk Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas mit Mitteln zur Extraktion und Speicherung von Kohlendioxid aus im Kraftwerk erzeugtem Rauchgas sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftwerks.

Herkömmliche Kraftwerke verbrennen fossile Brennstoffe wie Kohle und erzeugen dabei elektrische Energie, also Strom. Der Fokus beim Aufbau dieser Kraftwerke liegt auf einer möglichst hohen Effizienz beim Betrieb, womit die Menge an erzeugtem Abgas, das u.a. das triebhauswirksame Kohlendioxid enthält, für eine gegebene Leistung minimiert wird. Nichtsdestotrotz entstehen beim Betrieb hohe Mengen an Kohlendioxid und es wird nach Methoden gesucht, damit umzugehen. Bei einer solchen Methode, dem sog. Carbon Capture and Se ^¬ questration (CCS) , wird das Kohlendioxid eingefangen und bei ^¬ spielsweise zur endgültigen umweltverträglichen Lagerung in unterirdische Lagerstätten gepumpt. Der hierfür nötige Ener ^¬ gieaufwand ist aber nicht unerheblich im Vergleich zum Ener- gieertrag des jeweiligen Kraftwerks.

Den fossilen Kraftwerken, die in vielen Ländern neben Atomkraftwerken für eine stabile Grundversorgung mit Energie sorgen, gegenüber stehen die Kraftwerke, die mit erneuerbaren Energiequellen arbeiten. Diese produzieren keine Abgase, sind aber im Falle von Wind- und Sonnenenergie in ihrem Energieer ^¬ trag nicht stabil und auch nicht vorhersagbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas sowie ein Verfahren zum Betrieb eines sol ^¬ chen Kraftwerks anzugeben, mit denen eine verbesserte Behand ^¬ lung der Emission von Kohlendioxid ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen von Kraftwerk und Verfahren.

Das erfindungsgemäße Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas, beispielsweise entsprechende Brenneranlagen und Mittel zur Extraktion und Speicherung von Kohlendioxid aus im Kraftwerk erzeugtem

Rauchgas, beispielsweise eine Aminwäscheanlage . Weiterhin um ^¬ fasst das Kraftwerk eine Elektrolyseeinrichtung zur Wandlung des gespeicherten Kohlendioxids in andere Stoffe.

Ferner umfasst das Kraftwerk eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Elektrolyseeinrichtung, derart ausgestaltet, dass die Steuereinrichtung aktuelle Daten zum Strompreis bezieht, und wenn der Strompreis eine Strompreisschwelle unterschrei- tet, einen Betrieb der Elektrolyseeinrichtung bewirkt und wenn der Strompreis die Strompreisschwelle überschreitet, die Elektrolyseeinrichtung stilllegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Kraft- werks zur Erzeugung von elektrischer Energie wird das Kraft ^¬ werk in zwei sich wechselseitig ausschließenden Betriebsmodi betrieben, wobei in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas erzeugt wird, und Kohlendioxid aus im Kraftwerk erzeugtem Rauchgas extrahiert und gespeichert wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus aus dem gespeicherten Kohlendioxid Kohlenwas ^¬ serstoffe erzeugt werden, wobei dafür von außerhalb des

Kraftwerks zugeführte elektrische Energie verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftwerks zur Erzeugung elektrischer Energie wird elektrische Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas erzeugt und Kohlendioxid aus im Kraftwerk erzeugtem Rauchgas extrahiert und gespeichert. Weiterhin bezieht eine Steuerein ^¬ richtung aktuelle Daten zum Strompreis und vergleicht diese mit einer Strompreisschwelle. Wenn der Strompreis die Strom ^¬ preisschwelle unterschreitet, wird eine Elektrolyseeinrich- tung betrieben und damit das gespeicherte Kohlendioxid in an ^¬ dere Stoffe gewandelt. Überschreitet dagegen der Strompreis die Strompreisschwelle, wird die Elektrolyseeinrichtung stillgelegt und nicht betrieben. Für die Erfindung wurde erkannt, dass die Erzeugung wertvol ^¬ ler Stoffe wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder andere nutzbare Produkte wie z.B. CO oder Alkohole aus dem im Kraft ^¬ werk anfallenden Kohlendioxid am besten nicht im laufenden Betrieb stattfindet, während dem die nötige Energie zur Ver- arbeitung des energiearmen Kohlendioxid die Energiebilanz des Kraftwerks verschlechtert, sondern vorteilhaft zu Zeiten stattfindet, in denen die vom Kraftwerk erzeugte elektrische Energie nicht oder nur mit Einschränkungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit verkauft werden kann. Solche Zeiten sind durch stark fluktuierende Strompreise mit zeitweisem Überan ^¬ gebot zunehmend gegeben.

Bei den Mitteln zur Erzeugung elektrischer Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas handelt es sich um die kraftwerkstypischen Zusammenstellungen von Verbrennungseinrichtungen, also zweckmäßig gespeisten Brennern zusammen mit umgebenden Einrichtungen wie Turbinen, in denen die in der Verbrennung erzeugte Wärme in eine Drehbewegung umgesetzt wird. Weiterhin umfassen die Mittel zur Erzeugung elektri- scher Energie aus fossilem Brennstoff, Biomasse oder Biogas einen oder mehrere Generatoren, die aus der Drehbewegung elektrische Spannung erzeugen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Energie für den Be- trieb der Elektrolyseeinrichtung von außerhalb des Kraftwerks bezogen wird und insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Dabei kann die Energie auch ausschließlich aus erneu ^¬ erbaren Energiequellen bezogen werden. Die Menge an Energie aus erneuerbaren Quellen hat keinen Bezug zum tatsächlichen Bedarf an elektrischer Energie, weshalb jetzt schon und bei weiterem Ausbau erneuerbaren Energie in Zukunft noch verstärkt die Situation entsteht, dass die erzeugte Energie aus erneuerbaren Quellen - und natürlich auch jede anderweitig erzeuge Energie zu diesem Zeitpunkt - kostenlos oder sogar mit negativem Preis abgegeben werden muss. Gemäß der Erfindung wird jedoch genau dann, wenn ein Überschuss an erneuerbaren Energien zur Verfügung steht, eine Verwendung dieser Energien im Kraftwerk ermöglicht.

Dabei kann vorteilhaft der gewöhnliche Betrieb des Kraftwerks ausgesetzt werden, d.h. dort kein Strom erzeugt werden und der überschüssige Strom von außerhalb des Kraftwerks verwen ^¬ det werden, um das Kohlendioxid in wertvollere Stoffe wie beispielsweise Methan oder Methanol umzusetzen. Dabei wird das Kraftwerk dann also insbesondere in zwei Betriebsmodi ge ^¬ steuert, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie und die Mittel zur Extraktion betrieben werden und die Elektrolyseeinrichtung stillliegt und in einem zweiten Betriebsmodus die Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie und die Mittel zur Extraktion stillliegen und die Elektrolyseeinrichtung betrieben wird, wobei die Betriebsmodi sich bevorzugt gegenseitig ausschließen.

Bei dem Kraftwerk handelt es sich bevorzugt um ein Gaskraft ^¬ werk, da bei diesen ein verhältnismäßig schnelles Umschalten zwischen den Betriebsmodi möglich ist. Bevorzugt handelt es sich um ein kombiniertes Gaskraftwerk, beispielsweise ein gasgefeuertes Dampfkraftwerk oder ein Gas-und-Dampf-Kombi ^¬ kraftwerk .

In einer alternativen Ausgestaltung schließen sich die Betriebsmodi nicht gegenseitig aus, sondern die Aktivität des Kraftwerks zur Erzeugung von elektrischer Energie wird auch in Zeiten geringen Strompreises fortgesetzt. Das ist bei ^¬ spielsweise sinnvoll, wenn es sich bei dem Kraftwerk um ein Kohlekraftwerk handelt, da diese nicht innerhalb kurzer Zeit zwischen Betrieb und Stillstand umschalten können. Sofern das Kraftwerk stets weiterarbeitet, kann der für die Elektrolyse verwendete Strom auch der Erzeugungsleistung des Kraftwerks selbst entnommen werden.

Die Elektrolyseeinrichtung kann eine Einrichtung für die Wasserelektrolyse sein oder - besonders vorteilhaft - eine Ein ^¬ richtung für die Kohlendioxidelektrolyse. Die letztere kann bei geringen Drücken und niedrigen Temperaturen arbeiten und stellt somit eine vergleichsweise energieeffiziente und auf ^¬ wandsarme Lösung dar. Eine vorteilhafte Möglichkeit, das Koh ^¬ lendioxid zu speichern und wieder freizugeben, ist eine Einrichtung zur Aminwäsche. Bei der Elektrolyse entstehender Sauerstoff kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung gespeichert werden. Der gespeicherte Sauerstoff kann ebenfalls als werthaltiger Rohstoff verwendet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem Rauchgas zusätzlich zum Kohlendioxid Wasser extrahiert. Die ^¬ ses Wasser kann beispielsweise als zusätzliches Edukt für die Umsetzung des Kohlendioxids verwendet werden. Dadurch wird die Menge an Frischwasser verringert, das von außen zugeführt werden muss.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Mittel zur Reaktion so gestaltet sein, dass sie den für das Kraftwerk nötigen Brennstoff erzeugen. In diesem Fall kann auch dieser Brennstoff nach Erzeugung gespeichert werden und bei Betrieb der Verbrennung, also im ersten Betriebsmodus verwendet werden. In diesem Fall agiert das Kraftwerk als große Batterie für überschüssige Energie, insbesondere aus erneuerbaren Quellen .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die einzige Figur noch weiter erläutert. Die Figur zeigt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel für ein Gaskraftwerk 10 gemäß der Erfindung. Das Gaskraftwerk 10 umfasst eine Zuführung 11 für Erdgas, die das Erdgas zu einer Brennkammer 22 führt. Nicht dargestellt, aber bekannt sind weiterhin ein Speicherbereich für flüssigen Brennstoff, beispielsweise Heizöl und eine entsprechende Zuführung zur Brennkammer 22. Die Brennkammer 22 ist zwischen einem Kompressor 13, der mit einer Luftzufuhr 12 versehen ist und einer Turbine 14 angeordnet, die beide auf einer gemeinsamen Welle 21 mit einem Generator 17 verbunden sind. Der Austritt der Turbine 14 ist mit einer Abgasabführung 24 verbunden. Der Generator 17 wird über die Welle 21 angetrieben und ist ausgangsseitig mit ei ^¬ nem Transformator 18 verbunden, der für eine Abführung erzeugter elektrischer Energie an das allgemeine Stromnetz sorgt . Die Abgasabführung 24 weist eine Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 auf, die mit einem Kohlendioxidspeicher 16 verbunden ist und aufgefangenes C02 dorthin leitet. Beispielsweise kön ^¬ nen die Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 und der Kohlendioxidspeicher 16 als Aminwäsche-Einrichtung ausgestaltet sein. Zusätzlich zu bekannten Schritten der Reinigung des Rauchgases kann in der Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 eine Einrichtung für zusätzliche Reinigungsschritte angeordnet sein. Diese Einrichtung kann ausgestaltet sein zur Entfernung von Stickstoffoxiden, Schwefeloxiden und/oder Phosphoroxiden.

Mit dem Kohlendioxidspeicher 16 verbunden ist wiederum eine Elektrolyseanlage 19, die als Kohlendioxid-Elektrolyseur aus ^¬ gestaltet ist. Zur elektrischen Versorgung ist die Elektroly ^¬ seanlage 19 ebenfalls mit dem Transformator 18 verbunden. Al- ternativ kann die Elektrolyseanlage 19 auch mit einem eigens dafür vorgesehenem eigenen Stromanschluss verbunden sein, der der Anlieferung von Strom von außerhalb des Gaskraftwerks 10 dient und in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Die Elektrolysean- läge 19 ist ausgestaltet, aus dem Kohlendioxid, das dem Koh ^¬ lendioxidspeicher 16 entnommen wird, beispielsweise Kohlenmo- noxid und Sauerstoff oder Methanol (CH30H) zu erzeugen. Wei ^¬ tere Ausgangsstoffe beispielsweise für die chemische Indust- rie, die von der Elektrolyseanlage 19 erzeugt werden können, sind HCOOH (Ameisensäure) , C2H2 (Ethin) , oder C2H4 (Ethen) . Es ist auch möglich, chemische Energieträger zu erzeugen, beispielsweise Methan (CH4) oder Ethan (C2H6) . Die Elektroly ^¬ seanlage 19 kann vorteilhaft auch eine Einrichtung zur Tren- nung der Elektrolyseprodukte umfassen. Damit werden die An ^¬ teile an nicht erwünschtem Elektrolyseprodukt von dem eigent ^¬ lich gewünschten Produkt abgetrennt und somit die Reinheit und damit der Wert und die technische Verwendbarkeit des Pro ^¬ dukts erhöht.

Eine Steuereinrichtung 20 steuert die einzelnen Anlagen des Gaskraftwerks 10. Die Steuereinrichtung 20 ist ausgestaltet, Informationen über den aktuellen Preis von erzeugtem Strom einzuholen und in regelmäßigen Abständen, beispielsweise minütlich oder halbstündlich mit einer festlegbaren Preisschwelle zu vergleichen.

Ist der Strompreis oberhalb der Preisschwelle, wird das Gas ^¬ kraftwerk 10 in einem ersten Betriebsmodus als Kraftwerk be- trieben und liefert in herkömmlicher Weise Strom. In diesem Fall wird also fossiler Brennstoff oder Biogas oder Biomasse verbrannt und daraus im Generator 17 Strom erzeugt und in das Netz eingespeist. Das bei der Verbrennung anfallende Kohlen ^¬ dioxid wird mittels der Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 im Kohlendioxid-Speicher 16 eingespeichert. Die Elektrolyseanla ^¬ ge 19 arbeitet in diesem ersten Betriebsmodus nicht.

Sinkt der Strompreis unter die Preisschwelle, schaltet die Steuereinrichtung 20 das Gaskraftwerk 10 in einen zweiten Be- triebsmodus um. In diesem Betriebsmodus wird das Gaskraftwerk 10 nicht mehr als solches betrieben, d.h. Kompressor 13 und Turbine 14 werden heruntergefahren und das Gaskraftwerk 10 produziert keinen Strom mehr. In diesem zweiten Betriebsmodus 20 wird die Elektrolyseanlage 19 betrieben. Die Elektrolyse ^¬ anlage 19 entnimmt dem Kohlendioxidspeicher 16 das gespei ^¬ cherte Kohlendioxid und wandelt es in einen energiehaltigeren Stoff wie beispielsweise Erdgas oder Ameisensäure. Die dazu nötige elektrische Energie wird dabei von außerhalb des Gas ^¬ kraftwerks 10 bezogen. Sie kann beispielsweise aus erneuerba ^¬ ren Quellen wie Windkraftwerken o.ä. stammen. Da dieser Betriebsmodus bei geringen Strompreisen verwendet wird, exis ^¬ tiert üblicherweise ein Überangebot an Strom aus erneuerbaren Quellen, was sogar zu negativen Strompreisen führen kann und den Betrieb im zweiten Betriebsmodus sehr vorteilhaft gestal ^¬ tet. Die elektrische Energie kann auch aus Stromspeichern stammen, die außerhalb des Gaskraftwerks 10 angeordnet sind. In der Elektrolyseanlage 19 fällt bei der Elektrolyse des Kohlendioxids Sauerstoff an. Es ist möglich, diesen Sauer ^¬ stoff in einem SauerstoffSpeicher, der in Fig. 1 nicht gezeigt ist, zu speichern. Der Sauerstoff wird somit im zweiten Betriebsmodus erzeugt. Schaltet das Gaskraftwerk 10 wieder in den ersten Betriebsmodus, in dem der Betrieb der Elektrolyse ^¬ anlage 19 gestoppt wird und das Gaskraftwerk 10 wieder als solches arbeitet, so kann der gespeicherte Sauerstoff bei ^¬ spielsweise vorteilhaft zur Optimierung der Verbrennung des fossilen Brennstoffs verwendet werden.

Eine besondere Betriebsform für das Gaskraftwerk 10 ergibt sich, wenn der fossile Brennstoff, der für die Energieerzeu ^¬ gung verwendet wird, von der Elektrolyseanlage 19 erzeugt und im Gaskraftwerk 10 gespeichert wird. Verwendet das Gaskraft- werk 10 beispielsweise Erdgas als Energieträger für die Ver ^¬ brennung, so ist in dieser Ausführungsform die Elektrolyseanlage 19 ausgestaltet, Methan zu produzieren, sobald das Gas ^¬ kraftwerk 10 im zweiten Betriebsmodus arbeitet. Das Methan wird in einen kraftwerkseigenen, in Fig. 1 nicht dargestell- ten Erdgasspeicher eingefüllt. Arbeitet das Gaskraftwerk 10 wieder im ersten Betriebsmodus, so wird das gespeicherte Me ^¬ than als Brennstoff anstelle des oder zusätzlich zum von au ^¬ ßen bezogenen Erdgas verwendet, solange der Vorrat ausreicht. In dieser Ausführungsform stellt das Gaskraftwerk 10 zusätzlich zu seiner Kraftwerksfunktion eine Batterie, also einen Speicher für elektrischen Strom dar. Besteht ein Überangebot an elektrischem Strom, das typischerweise durch ein hohes Angebot aus erneuerbaren Quellen verursacht wird, so wandelt das Gaskraftwerk 10 diesen typischerweise billigen Strom unter Verwendung des bereits gespeicherten Kohlendioxids in den Energieträger, der im Gaskraftwerk 10 zur Verbrennung genutzt wird. Später, wenn das Überangebot an Strom verebbt ist und daher der Strompreis wieder angestiegen ist, wird dieser Energieträger wieder in Strom gewandelt.

Eine andere, alternative Ausführungsform für die Erfindung ergibt sich durch ein entsprechend ausgestattetes Kohlekraft ^¬ werk. Das Kohlekraftwerk umfasst demnach neben den bekannten Elementen zur Erzeugung von Energie eine Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15, die mit einem Kohlendioxidspeicher 16 verbunden ist und aufgefangenes C02 dorthin leitet. Bei- spielsweise können die Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 und der Kohlendioxidspeicher 16 als Aminwäsche-Einrichtung ausgestaltet sein. Zusätzlich zu bekannten Schritten der Reinigung des Rauchgases kann in der Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 eine Einrichtung für zusätzliche Reinigungsschritte angeord- net sein. Diese Einrichtung kann ausgestaltet sein zur Entfernung von Stickstoffoxiden, Schwefeloxiden und/oder Phosphoroxiden .

Mit dem Kohlendioxidspeicher 16 verbunden ist wiederum eine Elektrolyseanlage 19, die als Kohlendioxid-Elektrolyseur aus ^¬ gestaltet ist. Zur elektrischen Versorgung ist die Elektroly ^¬ seanlage 19 ebenfalls mit dem Transformator 18 verbunden. Die Elektrolyseanlage 19 ist ausgestaltet, aus dem Kohlendioxid, das dem Kohlendioxidspeicher 16 entnommen wird, beispielswei- se Kohlenmonoxid und Sauerstoff oder Methanol (CH30H) zu er ^¬ zeugen. Weitere Ausgangsstoffe beispielsweise für die chemi ^¬ sche Industrie, die von der Elektrolyseanlage 19 erzeugt wer ^¬ den können, sind HCOOH (Ameisensäure) , C2H2 (Ethin) , oder C2H4 (Ethen) . Es ist auch möglich, chemische Energieträger zu erzeugen, beispielsweise Methan (CH4) oder Ethan (C2H6) . Die Elektrolyseanlage 19 kann vorteilhaft auch eine Einrichtung zur Trennung der Elektrolyseprodukte umfassen. Damit werden die Anteile an nicht erwünschtem Elektrolyseprodukt von dem eigentlich gewünschten Produkt abgetrennt und somit die Rein ^¬ heit und damit der Wert und die technische Verwendbarkeit des Produkts erhöht.

Eine Steuereinrichtung 20 steuert die einzelnen Anlagen des Kohlekraftwerks. Die Steuereinrichtung 20 ist ausgestaltet, Informationen über den aktuellen Preis von erzeugtem Strom einzuholen und in regelmäßigen Abständen, beispielsweise minütlich oder halbstündlich mit einer festlegbaren Preisschwelle zu vergleichen. Ist der Strompreis oberhalb der Preisschwelle, wird das Kohlekraftwerk als Kraftwerk betrie ^¬ ben und liefert in herkömmlicher Weise Strom. In diesem Fall wird also fossiler Brennstoff oder Biogas oder Biomasse ver ^¬ brannt und daraus im Generator 17 Strom erzeugt und in das Netz eingespeist. Das bei der Verbrennung anfallende Kohlen ^¬ dioxid wird mittels der Kohlendioxid-Einfangeinrichtung 15 im Kohlendioxid-Speicher 16 eingespeichert. Die Elektrolyseanla ^¬ ge 19 arbeitet in diesem ersten Betriebsmodus nicht. Sinkt der Strompreis unter die Preisschwelle, schaltet die Steuereinrichtung 20 das Kohlekraftwerk ebenfalls in einen zweiten Betriebsmodus um. In diesem Betriebsmodus wird das Kohlekraftwerk weiterhin betrieben. Kohlekraftwerke eignen sich zumeist nicht zum kurzfristigen Herunterfahren und Star- ten, weshalb ein unveränderter Betrieb oder ein leicht veränderter Betrieb während einer Phase geringen Strompreises vor ^¬ teilhaft ist. Zusätzlich wird nun aber die Elektrolyseanlage 19 betrieben. Die Elektrolyseanlage 19 entnimmt dem Kohlendi ^¬ oxidspeicher 16 das gespeicherte Kohlendioxid und wandelt es in einen energiehaltigeren Stoff wie beispielsweise Erdgas oder Ameisensäure. Die dazu nötige elektrische Energie wird dabei vom Kohlekraftwerk selbst bezogen. Da dieser Betriebsmodus bei geringen Strompreisen verwendet wird, ist ein Ein- speisen des Stroms in das Netz wirtschaftlich ungünstig, was die Herstellung von werthaltigen Stoffen in der Elektrolyseanlage 19 begünstigt und somit den Betrieb im zweiten Be ^¬ triebsmodus sehr vorteilhaft gestaltet.