Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie, bei denen die elektrische Energie zur Herstellung von Ethin genutzt wird.

Der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Windenergie und Solarenergie, gewinnt eine immer größere Bedeutung zur Stromerzeugung. Elektrische Energie wird typischerweise über langreichweitige, überregionale und länderübergreifend gekoppelte Stromversorgungsnetze, kurz als Stromnetze bezeichnet, an eine Vielzahl von Verbrauchern geliefert. Da elektrische Energie im Stromnetz selbst nicht in

signifikantem Umfang speicherbar ist, muss die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung auf den

verbraucherseitigen Leistungsbedarf, die sogenannte Last, abgestimmt werden. Die Last schwankt bekanntermaßen

zeitabhängig, insbesondere je nach Tageszeit, Wochentag oder auch Jahreszeit. Für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung ist ein kontinuierlicher Gleichlauf von Stromerzeugung und Stromabnahme notwendig. Eventuell auftretende kurzfristige Abweichungen werden durch

sogenannte positive oder negative Regelenergie bzw.

Regelleistung ausgeglichen. Bei regenerativen

Stromerzeugungseinrichtungen tritt die Schwierigkeit auf, dass bei bestimmten Typen, wie Windenergie und

Solarenergie, die Energieerzeugungsleistung nicht zu jedem Zeitpunkt vorhanden und in bestimmter Weise steuerbar ist, sondern tageszeitlichen und witterungsbedingten

Schwankungen unterliegt, die nur bedingt vorhersagbar sind und in der Regel nicht mit dem jeweils aktuellen

Energiebedarf übereinstimmen.

Die Differenz zwischen der Erzeugungsleistung aus

fluktuierenden erneuerbaren Energien und dem aktuellen Verbrauch wird üblicherweise durch andere Kraftwerke bereitgestellt, wie beispielsweise Gas-, Kohle- und

Kernkraftwerke. Mit zunehmendem Ausbau und Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien an der Stromversorgung müssen immer größere Schwankungen zwischen deren Leistung und dem aktuellen Verbrauch ausgeglichen werden. So werden bereits heute neben Gaskraftwerken zunehmend auch

Steinkohlekraftwerke in Teillast gefahren oder ganz heruntergefahren, um die Schwankungen auszugleichen. Da diese variable Fahrweise der Kraftwerke mit beträchtlichen Zusatzkosten verbunden ist, wird seit geraumer Zeit die Entwicklung alternativer Maßnahmen untersucht.

Ein Ansatz ist es, bei einem Überschuss an elektrischer Energie alternativ oder ergänzend zur Veränderung der Leistung eines Kraftwerks überschüssige elektrische Energie zur elektrothermischen Herstellung von Ethin zu nutzen. Ein Beispiel dafür war die Ethin-Anlage der chemischen Werke Hüls, die 19 parallel angeordnete Lichtbogenreaktoren aufwies und bei der abhängig vom Angebot an elektrischer Energie die Zahl der betriebenen Lichtbogenreaktoren variiert wurde. Während sich Lichtbogenreaktoren zur elektrothermischen Herstellung von Ethin schnell ein- und ausschalten lassen, ist für eine effiziente und

wirtschaftliche Abtrennung von Ethin aus dem bei der elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltenen

Produktgasstrom ein möglichst konstanter Produktgasstrom erforderlich. Die Ethin-Anlage der chemischen Werke Hüls mit einer Ethinkapazität von 120.000 t/a Ethin umfasste dazu Pufferspeicher für den Produktgasstrom mit einem

Gesamtvolumen von 350.000 m ³ . Der Bau und Betrieb von solch großen Pufferspeichern ist allerdings technisch aufwendig und mit Sicherheitsrisiken verbunden.

Es besteht deshalb ein Bedarf für Anlagen und Verfahren, mit denen sich überschüssige elektrische Energie über die Herstellung von Ethin nutzen lässt und die nicht die

Nachteile des oben beschriebenen Verfahrens aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie, umfassend: eine erste Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs, die einen ersten Ethin enthaltenden Produktgasstrom

erzeugt,

eine zweite Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin, die einen zweiten Ethin enthaltenden

Produktgasstrom erzeugt, und

eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin aus einem Gasstrom, der sowohl der erste als auch der zweite

Produktgasstrom zugeführt wird. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer

Energie, bei dem in einer erfindungsgemäßen Anlage die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben wird. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur

Bereitstellung von Regelenergie für ein Stromnetz, bei dem in einer erfindungsgemäßen Anlage sowohl die erste

Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle

Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs als auch die zweite Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin in Teillast betrieben werden, zur Bereitstellung von Regelenergie die Leistung der zweiten Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin verändert wird und mit einer Steuervorrichtung die Leistung der ersten

Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle

Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs so angepasst wird, dass die Gesamtmenge an in der Trennvorrichtung abgetrenntem Ethin in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird . Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine erste Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation

mindestens eines Kohlenwasserstoffs, die einen ersten Ethin enthaltenden Produktgasstrom erzeugt. Die erste Vorrichtung kann dabei einen oder mehrere Apparate umfassen, in denen Ethin durch partielle Oxidation erzeugt wird. Wenn die erste Vorrichtung mehrere Apparate zur Erzeugung von Ethin umfasst, sind diese vorzugsweise parallel angeordnet und können unabhängig voneinander betrieben werden. Die

Verwendung von mehreren parallel angeordneten Apparaten ermöglicht durch An- und Abschalten einzelner Apparate eine stufenweise Veränderung der Erzeugung von Ethin bei

Einhaltung der optimalen Betriebsbedingungen in den

einzelnen Apparaten und vermeidet Wirkungsgradverluste durch einen Teilastbetrieb.

Als erste Vorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage können alle aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation eingesetzt werden, beispielsweise die aus Ullmann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. AI, Seiten 107-110 und 113-114 bekannten Vorrichtungen des Sachsse-Bartholome- Verfahrens und des Tauchflammenverfahrens der BASF oder die aus GB 1,000,480 bekannte Vorrichtung des Montecatini- Verfahrens . Vorzugsweise umfasst die erste Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens einen Brenner, dem eine Mischung aus mindestens einem

Kohlenwasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Anlage umfasst neben der ersten

Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle

Oxidation noch eine zweite Vorrichtung zur

elektrothermischen Herstellung von Ethin, die einen zweiten Ethin enthaltenden Produktgasstrom erzeugt. Die zweite Vorrichtung kann dabei einen oder mehrere Apparate

umfassen, in denen Ethin elektrothermisch erzeugt wird. Wenn die zweite Vorrichtung mehrere Apparate zur Erzeugung von Ethin umfasst, sind diese vorzugsweise parallel angeordnet und können unabhängig voneinander betrieben werden. Die Verwendung von mehreren parallel angeordneten Apparaten ermöglicht durch An- und Abschalten einzelner Apparate eine stufenweise Veränderung der Erzeugung von Ethin bei Einhaltung der optimalen Betriebsbedingungen in den einzelnen Apparaten und vermeidet Wirkungsgradverluste durch einen Teilastbetrieb.

Bei einer elektrothermischen Herstellung von Ethin wird Ethin in einer endothermen Reaktion aus Kohlenwasserstoffen oder Kohle hergestellt und die zur Durchführung der

Reaktion erforderliche Wärme wird durch elektrischen Strom erzeugt. Vorzugsweise werden gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoffe eingesetzt, besonders bevorzugt

aliphatische Kohlenwasserstoffe. Besonders geeignet sind Methan, Ethan, Propan und Butane, insbesondere Methan.

Geeignete Vorrichtungen zur elektrothermischen Herstellung von Ethin sind aus dem Stand der Technik bekannt,

beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. AI, Seiten 115-122, aus

DE 1 900 644 AI und aus EP 0 133 982 A2.

Die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin umfasst vorzugsweise einen Lichtbogenreaktor. Die elektrothermische Herstellung von Ethin kann dabei in einem einstufigen Prozess erfolgen, bei dem mindestens ein

Kohlenwasserstoff mit einem Gasstrom durch den Lichtbogen geführt wird. Alternativ kann die elektrothermische

Herstellung von Ethin in einem zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem Wasserstoff durch den Lichtbogen geführt wird und mindestens ein Kohlenwasserstoff hinter dem

Lichtbogen in das im Lichtbogen erzeugte Wasserstoffplasma eingespeist wird. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin mehrere parallel angeordnete Lichtbogenreaktoren, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Die erfindungsgemäße Anlage umfasst außerdem eine

Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin aus einem

Gasstrom, wobei der Trennvorrichtung sowohl der erste

Produktgasstrom aus der ersten Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens eines

Kohlenwasserstoffs als auch der zweite Produktgasstrom aus der zweiten Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin zugeführt wird. Vorzugsweise umfasst die

Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin einen Verdichter, eine unter Druck betriebene Absorptionskolonne und eine unter einem geringeren Druck als die Absorptionskolonne betriebene Desorptionskolonne . Zur selektiven Absorption von Ethin können Wasser oder geeignete Lösungsmittel, wie zum Beispiel N-Methylpyrrolidon, Dimethylformamid oder Methanol verwendet werden. Geeignete Trennvorrichtungen zur Abtrennung von Ethin sind aus dem Stand der Technik

bekannt, beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of

Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. AI, Seiten 110-112.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die

erfindungsgemäße Anlage zusätzlich eine Steuervorrichtung, die die Erzeugung von Ethin in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so aufeinander abstimmt, dass die Gesamtmenge an in der Trennvorrichtung abgetrenntem Ethin in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird. Vorzugsweise wird die Gesamtmenge an in der Trennvorrichtung

abgetrenntem Ethin im Wesentlichen konstant gehalten. Die Steuervorrichtung umfasst dazu vorzugsweise

Messvorrichtungen zur Bestimmung des Massenstroms oder Volumenstroms des ersten und des zweiten Produktgasstroms, Analysenvorrichtungen zur Bestimmung des Gehalts an Ethin im ersten und zweiten Produktgasstrom, sowie Vorrichtungen zur Veränderung der Leistung der ersten Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation und der zweiten Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin. Vorzugsweise umfassen die erste und die zweite Vorrichtung zur Herstellung von Ethin jeweils eine Vorrichtung zum raschen Abkühlen (Quenchen) von Produktgasstrom. Die nach diesen getrennten Vorrichtungen zum raschen Abkühlen erhaltenen Gasströme werden der Trennvorrichtung zur

Abtrennung von Ethin zugeführt. Die Produktgasströme werden dabei vorzugsweise auf Temperaturen von weniger als 250 °C abgekühlt. Zum raschen Abkühlen kann ein direktes

Quenchverfahren wie zum Beispiel die Einspeisung von

Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser oder ein indirektes

Quenchverfahren, wie zum Beispiel die rasche Abkühlung in einem Wärmetauscher mit Dampfgewinnung eingesetzt werden. Direktes Quenchen und indirektes Quenchen können auch miteinander kombiniert werden. In einer ersten

Ausführungsform wird die aus der Reaktionszone austretende Gasmischung nur mit Wasser gequencht . Diese Ausführungsform zeichnet sich durch relativ geringe Investitionskosten aus. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die aus der

Reaktionszone austretende Gasmischung mit einem

kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder einer

kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeit gemischt, wobei zumindest ein Teil der Kohlenwasserstoffe endotherm

gespalten wird. Je nach Prozessführung wird dabei ein mehr oder minder breites Produktspektrum erzeugt, z. B. neben Ethin, Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenmonoxid auch Anteile an Ethan, Propan, Ethen und anderen niederen

Kohlenwasserstoffen. Hierdurch kann die entstehende Wärme in einem wesentlich höheren Umfang einer weiteren

Verwendung wie der endothermen Spaltung der

Kohlenwasserstoffe zugeführt werden. Geeignete

Vorrichtungen zum Quenchen des Produktgasstroms sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. AI, Seiten 108-110 und 116-118.

Besonders bevorzugt umfassen die erste und die zweite

Vorrichtung zur Herstellung von Ethin jeweils eine Vorrichtung zum raschen Abkühlen von Produktgasstrom und eine dazu nachgeschaltete Vorrichtung zur Abtrennung von Ruß. Die nach den Vorrichtungen zur Abtrennung von Ruß erhaltenen Gasströme werden der Trennvorrichtung zur

Abtrennung von Ethin zugeführt. Zur Abtrennung von Ruß können alle zu diesem Zweck in bekannten Verfahren zur Herstellung von Ethin eingesetzten Vorrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise Zyklone, Wäscher oder Elektrofilter . Geeignete Vorrichtungen sind beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Vol. AI, Seiten 108-110 und 118 bekannt. Durch die Verwendung getrennter Vorrichtungen zur Abtrennung von Ruß für die erste und die zweite Vorrichtung zur Herstellung von Ethin kann der im Verfahren anfallende Ruß besser genutzt werden, beispielsweise der in der Vorrichtung zur

elektrothermischen Herstellung von Ethin erhaltene Ruß als Pigmentruß und der in der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation erhaltene Ruß als

Brennstoff . Die erfindungsgemäße Anlage umfasst vorzugsweise zwischen der Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin und der Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin zusätzlich einen Pufferspeicher für einen Produktgasstrom der Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Anlage auch zwischen der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation und der Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin zusätzlich einen Pufferspeicher für einen Produktgasstrom der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation umfassen. Als

Pufferspeicher eignen sich insbesondere Gasometer. Ein Pufferspeicher ermöglicht einen Betrieb der

erfindungsgemäßen Anlage, bei dem bei einer Änderung der Leistung der zweiten Vorrichtung die Änderung der Erzeugung von Ethin in der ersten Vorrichtung zeitlich versetzt oder unterschiedlich schnell erfolgt und eine so verursachte größere oder kleinere Erzeugung von Produktgas durch eine Einspeisung von Produktgas in den Pufferspeicher oder eine Entnahme von Produktgas aus dem Pufferspeicher ausgeglichen wird . Das erfindungsgemäße Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie wird in einer

erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt und die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin wird mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben. Die

überschüssige elektrische Energie kann von einem neben der erfindungsgemäßen Anlage befindlichen Stromerzeuger stammen, beispielsweise von einem benachbarten Kraftwerk, einem benachbarten Windgenerator oder einer benachbarten Photovoltaikanlage . Vorzugsweise wird die überschüssige elektrische Energie einem Stromnetz entnommen. Besonders bevorzugt wird überschüssige elektrische Energie einem Stromnetz als negative Regelenergie entnommen, um einen Überschuss der Stromeinspeisung in das Netz gegenüber der aktuellen Stromentnahme auszugleichen. Für das

erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise überschüssige elektrische Energie eingesetzt, die aus Windenergie oder Solarenergie erzeugt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie wird die

Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin vorzugsweise in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie betrieben. Die Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin kann dazu

wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden, beispielsweise abhängig vom aktuellen Strompreis an einer Strombörse.

Alternativ kann die erste Vorrichtung auch mit variabler Last so betrieben werden, dass ihr Stromverbrauch einem aktuellen Überschuss an elektrischer Energie entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das

erfindungsgemäße Verfahren zur effizienten Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie in einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt, die einen

Pufferspeicher für einen Produktgasstrom umfasst und die Steuervorrichtung wird so betrieben, dass bei einer

Änderung der Erzeugung von Ethin in der zweiten Vorrichtung in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie die Erzeugung von Ethin in der ersten Vorrichtung langsamer geändert wird als die Erzeugung von Ethin in der zweiten Vorrichtung und die dadurch bewirkte vorübergehend größere oder kleinere Gesamterzeugung von Produktgas durch eine Einspeisung von Produktgas in den Pufferspeicher oder eine Entnahme von Produktgas aus dem Pufferspeicher

ausgeglichen wird. Der Pufferspeicher kann dabei wahlweise der ersten Vorrichtung oder der zweiten Vorrichtung

nachgeschaltet sein. Ebenso kann auch beiden Vorrichtungen ein Pufferspeicher nachgeschaltet sein. Bei dieser

Ausführungsform kann die Erzeugung von Ethin in der zweiten Vorrichtung schneller in Abhängigkeit vom Angebot an überschüssiger elektrischer Energie verändert werden und es lassen sich Beschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeit von Lastveränderungen überwinden, die Vorrichtungen zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation

verfahrensbedingt aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Gasstrom, der in der Trennvorrichtung zur Abtrennung von Ethin von Ethin abgereichert wurde, mit dem zweiten Ethin enthaltenden Produktgasstrom in die Trennvorrichtung zurückgeführt. Die Menge des zurückgeführten Gasstroms wird dabei so eingestellt, dass der Anteil an Ethin bezogen auf die Gesamtmenge an Gasströmen, die der Trennvorrichtung zugeführt werden, im Wesentlichen konstant bleibt.

Besonders bevorzugt wird der zurückgeführte Gasstrom zusammen mit dem ersten und zweiten Produktgasstrom der Trennvorrichtung zugeführt. Verfahrensbedingt weist der erste Produktgasstrom aus der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation einen signifikanten Anteil an Kohlenmonoxid auf. Außerdem weist er in der Regel einen wesentlich geringeren Gehalt an Ethin auf als der zweite Produktgasstrom aus der Vorrichtung zur

elektrothermischen Herstellung von Ethin. Durch das

Zurückführen eines an Ethin abgereicherten Gasstroms lässt sich der Unterschied im Ethingehalt der beiden

Produktgasströme ausgleichen und vermeiden, dass sich ein Wechsel in der Lastverteilung zwischen der ersten und der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung von Ethin wegen des

Unterschieds in der Zusammensetzung der Produktgasströme aus den beiden Vorrichtungen nachteilig auf die Funktion der Trennvorrichtung auswirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung von

Regelenergie für ein Stromnetz wird in einer

erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt, die eine

Steuervorrichtung umfasst, die die Erzeugung von Ethin in der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung so aufeinander abstimmt, dass die Gesamtmenge an in der

Trennvorrichtung abgetrenntem Ethin in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird. Bei diesem Verfahren wird sowohl die erste Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs als auch die zweite Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin in Teillast betrieben. Zur Bereitstellung von

Regelenergie wird die Leistung der zweiten Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin verändert und mit der Steuervorrichtung die Leistung der ersten Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation

mindestens eines Kohlenwasserstoffs so angepasst, dass die Gesamtmenge an in der Trennvorrichtung abgetrenntem Ethin in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird.

Wird in das Stromnetz, aus dem Strom zum Betrieb der

Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin entnommen wird, weniger elektrische Energie eingespeist als aktuell verbraucht wird, kann mit diesem Verfahren positive Regelenergie bereitgestellt werden, indem die Leistung der Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin entsprechend dem Bedarf an Regelenergie verringert wird und über die Steuervorrichtung die Leistung der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs dementsprechend erhöht wird. Wird in das Stromnetz dagegen mehr elektrische Energie

eingespeist als aktuell verbraucht wird, kann mit diesem Verfahren negative Regelenergie bereitgestellt werden, indem die Leistung der Vorrichtung zur elektrothermischen Herstellung von Ethin entsprechend dem Bedarf an

Regelenergie erhöht wird und über die Steuervorrichtung die Leistung der Vorrichtung zur Herstellung von Ethin durch partielle Oxidation mindestens eines Kohlenwasserstoffs dementsprechend verringert wird.