DE-102024210567-A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage sowie Steuergerät

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, umfassend mindestens einen Stack (1), der über einen Zwischenkreis (2) an eine externen Stromversorgung (3) angeschlossen ist, wobei der mindestens eine Stack (1) in einem Lademodus betrieben wird, in dem vom Stack (1) elektrische Energie aufgenommen wird, und der Stack anschließend in einem Entlademodus betrieben wird, in dem zuvor aufgenommene elektrische Energie vom Stack (1) freigesetzt und in den Zwischenkreis (2) rückgeführt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches geeignet ist das erfindungsmäßige Verfahren oder einzelne Schritte des Verfahrens durchzuführen.

Inventors

• Frank Dallinger
• Franz Sebastian Krueger
• Celine Kopp

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241104

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, umfassend mindestens einen Stack (1), der über einen Zwischenkreis (2) an eine externen Stromversorgung (3) angeschlossen ist, wobei der mindestens eine Stack (1) in einem Lademodus betrieben wird, in dem vom Stack (1) elektrische Energie aufgenommen wird, und der Stack (1) anschließend in einem Entlademodus betrieben wird, in dem zuvor aufgenommene elektrische Energie vom Stack (1) freigesetzt und in den Zwischenkreis (2) rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die in den Zwischenkreis (2) rückgeführte elektrische Energie zum Betreiben mindestens eines weiteren Stacks (1) im Lademodus verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die in den Zwischenkreis (2) rückgeführte elektrische Energie in einem Zwischenspeicher (7), vorzugsweise in einem Kondensator, temporär gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die in den Zwischenkreis (2) rückgeführte elektrische Energie in ein Netz der externen Stromversorgung (3) zugeführt wird, wobei vorzugsweise mit Hilfe eines AC/DC-Wandlers (4), der zwischen dem Zwischenkreis (2) und der externen Stromversorgung (3) geschaltet ist, Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass über einen zwischen dem mindestens einen Stack (1) und dem Zwischenkreis (2) geschalteten Umrichter (5) im Lademodus eine konstante Spannung an den mindestens einen Stack (1) angelegt wird und im Entlademodus ein konstanter Stromfluss vom mindestens einen Stack (1) in den Zwischenkreis (2) rückgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass im Lade- und/oder Entlademodus mit Hilfe des Umrichters (5) die Spannung gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass im Lade- und/oder Entlademodus mit Hilfe eines Stromsensors (6) der Stromfluss gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass aus der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Stromfluss mindestens eine Zustandsgröße, insbesondere ein individueller Beladungszustand und/oder ein individueller Alterungszustand, des mindestens einen Stacks (1) ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet , dass abhängig von der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Stromfluss, vorzugsweise abhängig von mindestens einer aus der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Stromfluss ermittelten Zustandsgröße, der mindestens eine Stack (1) temporär abgeschaltet wird, wobei an dem temporär abgeschalteten Stack (1) eine konstante Erhaltungsspannung angelegt wird.
10. Steuergerät für eine elektrochemische Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein Verfahren oder einzelne Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das zur Ausführung des Verfahrens oder einzelner Schritte des Verfahrens geeignet ist. Stand der Technik Elektrochemische Zellen, welche zur Kohlenstoffdioxidabscheidung genutzt werden, weisen typischerweise zwei beschichtete Elektroden auf, welche elektrisch verschaltet und durch einen Separator getrennt sind. Der Separator ist durchlässig für Ionen und dient dem Ladungsausgleich zwischen den Zellen. An einer kathodenseitigen ersten Elektrode wird ein Gas, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, aus einem Gasstrom durch einen elektrochemischen Prozess gebunden. Die Gasabscheidung wird dabei typischerweise durch eine Änderung der elektrischen Spannung initiiert. Der Vorgang ist reversibel, das heißt, dass ein Entfernen oder Umpolen der Spannung zu einer kontrollierten Freisetzung des zuvor gebundenen Gases führt. Eine anodenseitige zweite Elektrode fungiert als Elektronendonor und stellt die für die Abscheidungsreaktion notwendigen Elektronen zur Verfügung. Um die Effizienz und die Menge an gebundenem Gas zu erhöhen, wird in praktischen Anwendungen eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen gestapelt und elektrisch verbunden. Innerhalb eines solchen Zellstapels, genannt Stack, befinden sich Versorgungskanäle durch welche den einzelnen Zellen und insbesondere der kathodenseitigen ersten Elektrode ein Abgas als Eingangsgas zugeführt sowie das prozessierte Abgas als Ausgangsgas abtransportiert wird. Der zugeführte Gasstrom stammt üblicherweise aus Verbrennungsprozessen oder anderen Produktionsprozessen, bei denen Gasgemische als Abgas oder Nebenprodukte entstehen. Häufig sind diese Gasgemische kohlenstoffdioxidhaltig. Das Gas bzw. Kohlenstoffdioxid (CO2) kann mithilfe derartiger elektrochemischer Zellen aus dem Gasstrom abgebunden werden. Bei der Abscheidungsreaktion des Gases muss eine elektrische Energie aufgewendet werden. Diese wird bei der kontrollierten Freisetzung des abgebundenen Gases durch Umpolung der elektrischen Spannung teilweise wieder frei. Üblicherweise dissipiert diese freigesetzte elektrische Energie im System. Hierdurch kommt es zu Energieverlusten und damit einer reduzierten Effizienz der elektrochemischen Zelle bzw. des elektrochemischen Stacks. Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu lösen und die Effizienz im Betrieb von mindestens einem elektrochemischen Stack zu erhöhen. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens oder einzelner Schritte des Verfahrens angegeben. Offenbarung der Erfindung Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Anlage zur Gasabscheidung, insbesondere zur Kohlenstoffdioxidabscheidung, umfassend mindestens einen Stack, der über einen Zwischenkreis an eine externen Stromversorgung angeschlossen ist, wobei der mindestens eine Stack in einem Lademodus betrieben wird, in dem vom Stack elektrische Energie aufgenommen wird, und der Stack anschließend in einem Entlademodus betrieben wird, in dem zuvor aufgenommene elektrische Energie vom Stack freigesetzt und in den Zwischenkreis rückgeführt wird. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Rückführung der im Entlademodus freigesetzten elektrischen Energie in einen Zwischenkreis und dadurch deren Nutzung. Durch die Rückführung und Nutzung der elektrischen Energie werden Energieverluste minimiert und die insgesamt benötigte Menge an Energie der Anlage sinkt. Hierdurch kommt es zu einer Steigerung der Effizienz der elektrochemischen Anlage. Bevorzugt wird die in den Zwischenkreis rückgeführte elektrische Energie zum Betreiben mindestens eines weiteren Stacks im Lademodus verwendet. Die Nutzung der rückgeführten Energie in einem weiteren Stack ist aufgrund der Ähnlichkeit der Komponenten hinsichtlich benötigter Spannung, Stromstärke und elektrischer Leistung insbesondere vorteilhaft. Hierdurch kann die rückgeführte Energie besonders effizient genutzt und Energieverluste minimiert werden. Insbesondere ein gleichzeitiger Betrieb von mindestens einem Stack im Lademodus und mindestens einem Stack im Entlademodus derselben Anlage ist vorteilhaft, da aufgrund der örtlichen Nähe die rückgeführte Energie aus dem Entlademodus direkt für den mindestens einen elektrochemischen Stack im Lademodus genutzt werden kann. Vorteilhaft ist zudem ein energetisch ausgewogenes Verhältnis der von mindestens einem Stack freigesetzten und der von mindestens einem weiteren Stack benötigten elektrischen Energie. Weist beispielsweise die Anlage mehr als zwei Stacks mit der gleichen elektrischen Kapazität auf, sollte idealerweise die Anzahl der Stacks im Entlademodus der Anzahl der Stacks im Lademodus e