CN107810252A

CN107810252A - 用于制造甲烷的结合水的水解作用的布杜阿尔反应

Info

Publication number: CN107810252A
Application number: CN201680031286.7A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·维尔纳·迪特里希
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2016-05-21
Publication date: 2018-03-16
Also published as: DE112016002823A5; WO2016206669A1

Abstract

将来自天然气燃烧或释放的二氧化碳与煤炭的碳元素在高于800℃的温度下转化为一氧化碳(在一氧化碳一侧达到布杜阿尔平衡)。一氧化碳与通过由电能的电解水得到的氢气转化为甲烷。将甲烷导入到天然气输气网络中并且在天然气输气网络中储存和运输。天然气以无二氧化碳排放的方式燃烧。将二氧化碳作为用于甲烷制造的电能的原料在天然气输气网络中储存和运输。煤炭的碳元素在计算方面二次燃烧。

Description

用于制造甲烷的结合水的水解作用的布杜阿尔反应

本发明涉及一种用于二次燃烧碳的方法，其中碳与水蒸气通过添加二氧化碳转化为合成气体或一氧化碳，并且合成气体或一氧化碳与附加的氢气转化为甲烷，利用电能通过电解得到所述氢气，并且将甲烷导入到天然气输气网络中，并且从输气网络中提取和燃烧或排出甲烷或在天然气中的甲烷的等价物，并且从燃烧气体中分离和收集二氧化碳，其中收集的二氧化碳使用在合成气体的或一氧化碳的制造中。

在天然能利用过程中，最大的问题是因为自然条件而产生了过剩的风能和太阳能。目前业内已达成共识，仅仅通过电力手段不能找到相应的解决办法。作为出路，多余的电能可以用来电解水来制造氢气。

氢气可以被导入进天然气中，并且与天然气混合在一起共同输送。但是这样又遇到了另一个问题：氢气和天然气的基本物理特征和燃烧特性区别明显。从体积上看，天然气的密度是氢气的八倍，热值是氢气的三倍，而且在燃烧过程中的耗氧量是氢气的四倍。

波动的风能和太阳能在电解作用下，也会产生波动的氢气流，并且当氢气流被引入天然气之后，就会产生波动的混合气流。这种类型的氢气和天然气的混合气体，其存储、运输以及使用方法，在已经公布的专利《DE 10 2010 020 762 A1》(可再生能源的运输和稳定)以及专利《DE 10 2010 031 777 A1》(氢气在天然气容器中的存储)。此外，在所述专利中，对于如何稳定可再生能源，也描述了一个通用的方法。这些方法对于所述波动型的混合气体推向市场也是一种障碍。

还有另外一种方法输送氢气，即通过化学方法将氢气和二氧化碳合成为甲烷。甲烷差不多就是天然气的主要成分，因此可以没有障碍地存储在气体管道中。有许多项目都和这个课题有关。这里所说的二氧化碳，可以从火力发电厂的燃烧废气中分离而得到，或者从沼气中分离得到。从沼气中分离二氧化碳的工艺对原材料并没有详细的描述；二氧化碳从燃烧废气中的分离直至存储工艺(CCS)，由于缺少大众的认可，因此前景如何，还是个未知数。

从经济性角度看，为了运用过剩的可再生能源，可以选用传统的碳化学反应，即煤炭和水(碳元素以及水道德摩尔比为1:1之间的反应，按照化学反应式1)，在高压和高温下，产生一氧化碳和氢气。氢气和一氧化碳以相同摩尔比构成的混合气体，在下文简称为“合成气体”。然后再通过风能和太阳能按照化学反应式3进行电解水，从而制造氢气，并且按照两倍的摩尔比，将电解水而产生的氢气导流进“合成气体”中。接着按照以化学家“萨巴蒂尔”命名的化学反应，制造甲烷和水，两者的摩尔比为1:1(参见化学反应式2)。

化学反应式1.)C+H₂O＝CO+H₂

化学反应式2.)(CO+H₂)+2H₂＝CH₄+H₂O

化学反应式3.)2H₂O＝2H₂+O₂

上文描述的方法，通过煤炭以及过剩的风能和太阳能生产出不影响气候的甲烷。此类甲烷属于混合型甲烷，其使用的碳元素来自于化石类能源，而氢元素则来自于风能和太阳能。在化学平衡中，供电网释放电能，并且通过添加煤炭产生甲烷，此类甲烷具备了天然气的特征(下文称为“混合甲烷”)，并且被引入输气管道。煤炭则是存储能量的载体。

按照所述化学反应式1至3产生的含有混合甲烷的合成气体，被输送到蓄能发电设施之后，将进行渗透和燃烧(即按照化学反应式4进行燃烧反应)。合成气体和天然气混合后通过燃烧反应(按照化学反应式5)，会产生重要的合成效应。

化学反应式4.)CO+H₂+O₂＝CO₂+H₂O

化学反应式5.)CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O

下文还将多次提及上面描述过的化学反应式1至5，这五个化学反应式分别被缩写为Rk.l至Rk.5。

除了煤炭之外，其它含有碳元素的化合物(优先选择来自于植物)也可用来生产所述合成气体。这里所说的植物原料，诸如树木，其最大含量的成分的就是碳水化合物，而碳水化合物中的碳和水经过反应后可以产生氢气和一氧化碳。

由于一氧化碳含有毒性，在通过电解水生产含有一氧化碳的合成气体的同时，必须严格按照化学反应式2规定的数量(按照剂量对称的原理)生产。为了保护人员的安全，即使按照化学反应式1和2生产，也必须避免生产或聚积过多量的一氧化碳。

所述发明的主要内容，在于利用碳元素以及来自于供电网络的过剩电能，制造甲烷，并且通过电解水制造氢气，然后将甲烷与氢气混合，最终产生氢气和一氧化碳的混合气体。这类混合气体就是通过转化煤炭或者含碳化合物与水蒸气混合，并按照化学均衡对称的剂量直接生成合成气体，其中的主要成分甲烷将被导入天然气输送管道中。

本发明的优选实施方式的内容尤其在权利要求中描述。

另一优选的实施方式的特征在于，由一氧化碳或合成气体与电解氢气得到的甲烷以关于在电解中使用的电能的60％至85％的效率回流。

为了避免一氧化碳被导入气体输送管道，需要注意的是，所有一氧化碳必须彻底转化为混合型甲烷，或者混合型甲烷中分解出的一氧化碳，在被导入输气管道之前，必须被充分燃烧。建议在将混合型甲烷导入输气管道之前，对其中未彻底反应掉的一氧化碳的含量进行检测。

一氧化碳彻底地转化为混合型甲烷，也可以降低对氢气的损耗量。过剩的氢气可以被保存在混合型甲烷中。按照现行标准，被导入天然气输气管的甲烷，其中的氢气含量最大允许比例5％(今后计划许可至10％)。

因此，所述发明还包含一项内容，即被导入进输气管道的混合型甲烷，可以含有最高10％的氢气。

按照本项发明设计的工艺，供电网络中过剩的风能或者太阳能，可以得到较大程度的吸收，并且在添加煤炭之后，可以转化为甲烷，并导入进供电网络中。本项发明的前提是，不仅要求设备具有较高的容量，而且要求与供电和输气管道相连。对于设备，已经考虑到了必要的容量。此外，在电路系统中，设备应当与高电压网络相连，在气路系统中，设备必须与高气压网络(远程供气网络)相连。为了满足这一要求，除了相关的输送管道之外，还需要额外投资变压器以及气体压缩机。

但是，在按照本相发明设计的工艺中，如果设备和燃气发电机相连，那么所述额外的投资就可以节省。在燃气发电设施内，设备可以连接到高压输电网络上，也可以和天然气输气网络相连。涡流中的电能在转换为高压之后，会被导入进高压输电网络中。此外，电能也可以从高压网络中降为低压，以供电解反应需要。本项专利“蓄能发电设施将煤炭(碳)元素转换为甲烷”，包含以下诸项设备，在各项设备中，则发生了括号内标注的化学反应1-5。

1.发电设施/燃气发电设施(可选化学反应式4以及/或者5)

2.煤炭干馏设备，以及合成气体的生产设备。(化学反应式1)

3.电解设备，用于将电能转换为氢气(化学反应式3)

4.氢化设备，用于氢化一氧化碳，使其转化为氢化甲烷(化学反应式2)

5.高压输电网的接口，并且配有变压器。

6.天然气输气网络的接口。

在使用所述设备时，在不同的、交替出现的运行阶段，会遇到能量运用方面两个最大的挑战：如何充分利用过剩的能量，以及在供电电能不稳定的情况下，如何让供电网络的电流保持稳定。

在一种运行阶段(在专利中称为第一阶段)，使用燃气发电设施(1)，从而当风能和太阳能等自然原因导致供电缺口时，可以弥补这一缺口，或者可以让供电网络稳定。混合型甲烷或者与其热值等效的天然气或者合成气体，从输气网络(6)中被送出或者溢出，电能通过变压器被输进供电网络(5)中。设备中的部件2至4，不处于运行状态。

另一种运行阶段(在专利中成为第二阶段)，供电网络5中释放出(过剩的)电能，并且在3中被转化为氢气。按照本项发明，在2中从煤炭等原材料生产的合成气体，与氢气在4中共同反应产生氢化甲烷。电流从供电网络(5)中被释放出，氢化甲烷被导入进天然气管道(6)中。设备1(发电设施)此时不处于运行状态。

通过本阶段，混合型甲烷可以将过剩的电能结合煤炭的燃烧值，以天然气或者同等燃烧值气体的形式，存储在输气管道中，在需要时释放到发电设施。这样就可以定义出蓄能型发电厂最大的特征，就是把尚未使用的能量存储起来，在需要的时候再次释放出。整个设备就是一种复合型蓄能发电设施，混合型甲烷被存储在输气管道中，复合甲烷所存储的全部能量中，只有一半来自于被存储的过剩电能(另一半能量来自于煤炭)。输气管道作为能量存储设备，其优点就是具有巨大的存储容量。

所述发明中，涉及的是一种复合型蓄能发电设施，此类发电设施中包含了前述设备1至6，在其中的设备5和6中，气体和电能的会朝着两个方向流动，并且大小会交替变化，而输气管道则起到了能量存储器作用。

根据不同的需求以及不同的运行阶段，可以开启或关闭所述设备1至4。但是为了在这些设备中进行能量和物质的转化，前提是设备必须具备较高的灵活性。这些灵活性体现在燃气发电设施(1)和电解水设备(3)中。一氧化碳的氢化过程(4)(其中的气相，会输入氮催化剂)则可以根据实际需求，执行或删减。

本项发明要求的灵活性和煤炭的干馏以及一氧化碳的制造过程(2)无关。虽然所述设备的功率可以调节，但是对于同步进行的电解过程(3)以及一氧化碳的氢化过程(4)，则不能随意开启或关闭。此外，正如前文告诫过的，对一氧化碳的重要的过渡产品，必须避免其聚积。

按照本项发明将设备2、3、4连接进发电设施(1)之后，还有一个优点：在设备2中制造出的合成气体，其热值已经很接近城市中日常使用的煤气，并且在发电设施运行的过程中，可以单独地(参见化学反应式4)或者与天然气共同(参见化学反应式5)被释放出。因此，负责制造合成气体的设备2，在所述两种运行状态下，都可以运行，所以在燃气发电设施(4)中制造电能以及在制造混合型甲烷(化学反应式2)时，可以切换地使用设备2。

在第一运行阶段中，有一种运行模式中，为了使供电网络稳定，让其中的燃气发电设施(1)与煤炭的干馏装置以及合成气体生产设备(2)共同运行，同时释放合成气体。此外，还可以从输气管道中提取天然气。必要的话，天然气还可以与合成气体混合在一起，并共同释放，同时将电能导入进供电网络中。在此模式中，设备3和4不运行。

本项发明的另一项内容是，可以选用合成气体，一方面作为可燃气体，可以与天然气混合使用，或者作为独立的燃料用于第一运行阶段中的燃气发电设施的发电能源，另一方面，与利用电能通过电解水而产生的氢气共同使用，在第二运行阶段中，用于生产混合型甲烷。因此，在两个运行阶段中，煤炭的干馏得以持续进行。

按照本项发明，在燃气发电设施内通过利用煤炭以及过剩的可再生能源来生产混合气体，还有另外一个“合成能源效应”，即可以拓宽电解水中的供水来源。合成气体中的可燃气体氢气或甲烷与氧气反应后(化学反应式4或5)，会形成冷凝水。这种冷凝水中不含任何盐，符合电解水的必要条件。一摩尔氢气可以产生一摩尔的水。而如果要通过电解水获得2摩尔的氢气，按照化学反应式3，则需要2摩尔的纯水，而按照化学反应式2，通过燃烧甲烷可以获得不含盐的冷凝水，正好提供这2摩尔的纯水。按照纯粹的计算，在整个工艺流程中可获得不含盐的水，电解时以及在按照本项发明通过风能和太阳能生产甲烷时都需要这种水。当天然气燃烧后，可以获得2摩尔的冷凝水(参见化学反应式5)，这2摩尔的水正好成为化学反应式3中必需的水。

在电解水的过程中，每消耗1兆瓦的电能，可以产生200至250立方米的氢气(取决于不同的能量利用效率)，并且需要消耗大约160至200升的不含盐的纯净水(蒸馏水)。假定一个产能为100MW/h的燃气发电设施，装备的设备对过剩电能的吸收容量也为100MW/h，那么该发电设施每小时电解水所需的蒸馏水为16000至20000升。这就意味着，购买蒸馏水用于电解，需要花费巨大的费用，因此成本和能源将成为一个大问题。

发电设施获得的冷凝水是一种恰当的输出物，可作为电解水工艺中廉价的原材料。从天然成份上来讲，这种冷凝水不含盐，含有微弱浓度的碳酸、硫酸和氢硫酸，但是酸度很低(pH值大约为4.5)。碳酸可以从水中排放掉，矿物酸可以通过阴离子交换，与冷凝水分离。

此外，还可以从气体取暖设施(“燃烧型取暖器”)中通过相同的原理获得冷凝水。对于功率在60千瓦以上的取暖设施，为了遵守公共道德原则，所有的冷凝水必须在确保其在化学上呈中性才能够排放到沟渠中。因此，如果把冷凝水聚积在一起，用于本项发明所涉及的工艺中则是一种经济有效的方案。

如果合成气体在燃气发电站中和天然气混合在一起燃烧，且燃烧后的冷凝水按照相同的方式用于电解水，则需事先对合成气体做特殊的处理。煤炭可以作为合成气体的生产原料，但是煤炭中也会含有最高达4％的硫化合物，而硫化合物必须得到充分的燃烧。煤炭燃烧后产生的气体中会结合硫化物，这一点已为人所知。还有，煤炭在干馏过程中，会产生氧化铁。因此，合成气体的清洗过程很重要，因为从合成气体中产生的混合型甲烷，会被导入进输气管道中，而且在输气管道中也会存在天然气，输气管道对清洁程度的要求很高。基于这一点，如果在燃气发电设施中把合成气体与天然气分开后再向外释放，并且只使用纯天然气燃烧后产生的冷凝水(2摩尔的水)用于电解，效果则会更好(请对比化学反应式3和5)。

上文所述的发明中，其内容还包括在燃气发电设施(1)中，对天然气燃烧后产生的冷凝水的收集和利用，把冷凝水作为电解反应(3)的原材料。按照化学反应式2、4和5而获得的冷凝水，正好提供电解反应(化学反应式3)以及在此之后的氢化反应(化学反应式2)所需。

按照本项发明设计的工艺对在所述设备2、3、4中的合成部分进行运用，即利用风能或者太阳能，从煤炭或者其它的碳化合物中，制造混合型甲烷。混合型甲烷的特征，和环保型的天然气不相上下。所述工艺与能源利用技术融合之后，输气管道中的天然气会逐步地被复合气体淘汰，也就不再需要依赖进口的天然气。

燃气发电设施中增加了煤炭干馏以及电解水和一氧化碳氢化反应之后，产生的“合成能源效应”分别简述如下：

若煤炭干馏过程(即按照化学反应式1制造合成气体的过程)是一个持续不间断的工艺流程时，则生产技术上可以体现出优势。这就意味着，在第二运行阶段(参照化学反应式2)制造混合型甲烷的过程中，以及在第一运行阶段在燃气发电设施(参照化学反应式4)释放气体时，则需要用到合成气体。

在电解水的过程中(参照化学反应式3)，为了按照化学反应式2进行氢化反应，为了保证必需的氢气，除了在合成气体中含有氢气之外，还需要2摩尔的水。其中一摩尔的水，可以从第二运行阶段(即化学反应式2)内，直接通过分离冷凝水获得并且储存；另一摩尔的水，可以在第一运行阶段中，从燃气发电设施的烟尘中冷凝获得，然后储存。这就是说，用来制造混合型甲烷的氢气来自于两个运行阶段中生产设备里的冷凝水。在此过程中，设备1、2、3和4相互连通，因此从化学上精确计算的、用于制造混合型甲烷所必需的纯净水，可以得到聚积和存储。

如果接通了天然气管道，并且还接通了高压输电网络，那么在不同的运行阶段内，气体和电流可以向着不同的方向输送，所有设备均可运用。即天然气管道及其接口以及高压输电网络和接口可以由所有设备共同使用。发电厂装备了量程广泛的变压器，从而可以在第一运行阶段内，将电流从涡流中进行转换，进而输入高压网络中。而在第二运行阶段，同一个变压器，则可以把高压网络中的电能转换为较低的电压，从而满足电解反应的需要。针对混合型蓄能发电厂，其所蓄电能中的一部分来自于过剩的电能，一部分来自于从煤炭生产出的混合型甲烷。这类混合型甲烷将被输送进输气管道，在需要使用的时可从输气管道中再次释放出。因此，输气管道在混合型蓄能发电厂中起到了蓄能器的作用。还有另一种蓄能器，就是蓄水池。

对于按照本项发明设计的混合型蓄能发电厂，为了注重其经济性，每存储1百万千瓦过剩电能并且再添加大约80吨煤炭，大约可以制造出13万立方米的混合型甲烷，假定燃气发电厂的能量利用效率为65％，并且使用冷凝水，那么在需求峰值时可以提供85万千瓦的电能，并且气体可以再次释放，在不使用煤炭的情况下，能量利用效率可以达到85％。

自然界的可再生能源会导致过多或者过少的能量输入到供电网络中，因此将导致两个运行阶段交替地更换。为了让供电网络的电流稳定，可以使用高热值的、应用范围广泛的煤炭。不过最好不要使用煤炭，而是使用对气候无害的天然气(混合型甲烷)。

为了考虑生态平衡，可以逐步地增加氢气的用量，氢气依旧通过电解水(化学反应式3)来获得。氢气和被导入天然气管道的混合型甲烷混合在一起。按照最新的标准，氢气在天然气中的添加量，可以达到10％。

按照化学反应式3，在电解水时产生的氧气，可以被收集和存储，在之后用于合成气体(化学反应式4)或者天然气/甲烷(化学反应式5)的燃烧。在去除了空气中的氮气后，也就可以避免在燃烧过程中产生氮氧化物。氮氧化物对气候的损害程度远远超过二氧化碳。在电解水之后，氧气因为密度较大而下沉，因此纯度比可燃气更高，容易液化并且以液态的形式存储。

在使用纯氧燃烧的过程中，可燃气体的燃烧温度较高，且能量密度较大，这有利于提高能量的利用效率，但是各种材料的温度也接近了各自的抗高温极限。这里推荐添加冷却水，并且优先使用冷凝水作为冷却水，以便监控燃烧温度。消耗掉的冷凝水以及蒸发能，可以通过在燃烧之后的冷凝水重新回收。并且可燃气中含有的一氧化碳也可以被回收，而且从烟尘中分离出的二氧化碳也可以回收利用。

如果合成气体在第一运行阶段中被燃烧，那么从二氧化碳排放方面评价，这一部分工艺属于增加碳排放。从生态平衡角度考虑，可以通过利用过剩的能量把煤炭转换为不损害气候环境的甲烷，以供以后使用。这样只有一个细微的缺点，就是在第一运行阶段内，在燃气发电厂内会产生过多的天然气与混合甲烷。除此之外，按照经验，总体上而言，可燃气的输送比煤炭等固体的输送更为有效。

另一方面，按照本项发明设计的工艺中，在按照化学反应式2对煤炭干馏时，运用一些木材等自然原料(或者局部地使用)，对生态平衡更有益处。木材作为碳水化合物，按照化学反应式1可以转换为合成气体。木炭和氢气可以合成“生物甲烷”。为了提高生态平衡，可在导入输气管道的甲烷中添加氢气，因为氢气可以完全燃烧，且不会释放任何有害气体。

从过剩的可再生能源以及煤炭中获得对气候无危害的混合型甲烷之后，实际经济利润显而易见。各个州只需要煤炭，因此对天然气的进口不再依赖。以煤炭和过剩的电能为基础能源的蓄能发电厂，逐渐转向可再生能源的利用，从而实现最经济节省的工艺流程。

按照本项发明设计的工业化，其经济效益大致估算如下：依靠1百万千瓦的过剩电能，大约可以制造出13.5万立方米的混合型甲烷，把这些混合型甲烷或者与其热值相当的天然气重新释放出，用于生产，可以获得大约85万千瓦的能量(请参照本文结束语中的“电化学模拟计算”)。

这些混合型甲烷中的碳元素，大约需要60至80吨的煤炭，这就是说，使用大约70吨的煤炭，以及1百万千瓦的过剩电能，可以产生85万千瓦的高价值能量，可在以后需求峰值时投入使用。

其它非灵活型的发电厂，诸如火力发电厂或者核能发电厂，当发电设施的发电量超出了输电网络的最大承载能力，也会产生过剩的电能。有个现状是大型发电厂对经济效益看的比较重，而且目前阶段扩大利用可再生能源的时间比较好，因为可再生能源在供电网络中具有优先使用权。可以想象，目前供电网络中的电能要么不足，要么就是过剩。

在此类非灵活型的发电厂内，可以按照本项发明建造混合型蓄能发电设施。首先，可以用过剩的电能制造混合型甲烷，并且将甲烷导入输气管道中，在此之后，当燃气发电厂对能量的需求达到高峰时，可以释放这些可燃气。(主)发电设施因此可以较优的能量效率持续运转。必要时可在主发电设施的燃烧室内输入合成气体，与甲烷共同燃烧。

在现有的发电厂内，发电机的输出电压一般都为5000伏。常见的电解设备的输入电压一般为200至300伏之间，而在电解装置中，所有电解单元依次串联接通后，各自连接的电压仅为2.2伏。这些串联的单元的总数，不得不受到限制，因为即使其中一个电解单元发生故障，整个电解设备都会被关闭，必须对整体设备维修。如果把所有的电解单元分成若干个模块，每个模块中具有相同数量的串联电解单元，并且还额外保留一个备用模块，则可以增加不少电解单元的总数。这些运行中的所有模块中即使有一个出现故障，那么额外保留的那个备用模块可以开启，受损的模块可以被关闭，等待修复。因此，电解装置就可以导入相对较高的电压，安全运行。电解装置的输入电压就可以和电厂发电机相匹配，并且高压输电网中的变压器，在两个运行阶段中，对两种设备都适用。发电机和电解设备之间的电压差(以及与主变压器之间的电压差)，可以通过变压器得到平衡。

如果混合型蓄能发电设施位于褐煤发电厂附近，那么在地理位置上就更具备优势，因为那里可以直接取用褐煤，当蓄能发电厂对能源的需求可以预见地增加时，褐煤可以一车接一车地运往发电厂。直接燃烧褐煤，这种尚有争议的举动，将来会被改进，褐煤作为经济型能源，应当得到更合理的运用，在能源企业中应该发挥更重要的功能。煤炭的使用必须遵守当前生态方面的法令。

化学反应方程式概览(化学反应式1-5)

Rk.1.)C+H₂O＝CO+H₂

Rk.2.)(CO+H₂)+2H₂＝CH₄+H₂O

Rk.3.)2H₂O＝2H₂+O₂

Rk.4.)CO+H₂+O₂＝CO₂+H₂O

Rk.5.)CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O

Rk.6.)CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O

混合型蓄能发电厂各设备概览(括号中标注的1-5是每台设备涉及的化学反应式的编号)

1.发电设施/燃气发电设施(化学反应式4以及/或者化学反应式5)

2.煤炭干馏设备以及合成气体生产设备(化学反应式1)

3.电解设备以及整流器，用于调节制造氢气的电能(化学反应式3)

4.用来水合一氧化碳(或者二氧化碳)、制造混合型甲烷的设备(化学反应式5和6)

5.高压输电网络以及变压器的接口(化学反应式4、5或者3)

6.天然气输气管道的接口(化学反应式5或者2)

关于储能装置或者能量存储媒质

最重要的储能装置，其实就是可燃气输送管道，其中的混合型甲烷就作为能量存储媒质。当需要消耗能量的时候，被存储的混合型甲烷或者与其同等燃烧值的可燃气可以被释放到可燃气输送管道中，与那里的天然气混合，这种释放过程最好在燃气发电厂进行，因此此类发电厂中应建有蓄能发电设施。各类设备整合之后，如何协同作用已在前文有详细描述。此外，储能气体的再释放也可以在一个独立的地点进行，那么天然气则应从天然气管道中排出，与甲烷或者同等燃烧值的可燃气混合。

二氧化碳业也可以从烟尘中分离并且存储。在燃烧过程中，如果用电解水产生的氧气来替代空气，那么在水冷凝之后，这些二氧化碳就显得多余。如果让这些二氧化碳也进入输气管道被输送，那么在煤炭燃烧时，煤炭不可避免会和二氧化碳反应而产生一氧化碳。这些一氧化碳可以被回流进燃烧室，以避免流入大气。

另外一个存储能量的媒质就是用于电解的水，这些水一般来自一个或多个燃气发电设施的烟尘中的冷凝水。如果燃气发电设施和复合型蓄能发电设施相连通的话，那么就可以在现场就地收集冷凝水，按照对应的容量存储在蓄水池中，为电解备用。如果燃气发电设施和复合型蓄能发电设施未连通，那么被收集的冷凝水，只能通过蓄水车被输送到混合型蓄能发电设施。在输送过程中，也可以同时收集供暖装置中的冷凝水。如何从天然气和混合型燃气的燃烧过程中收集和储存冷凝水，并因此可以从混合气体中重新分离出混合型甲烷(参见化学反应式2、3和5)，也是本项发明的内容之一。从天然气燃烧过程中收集出的冷凝水具有较高的纯度，因此，按照本项发明，用于电解的冷凝水将优先选用在由煤炭中提取的合成气体的燃烧过程中收集的冷凝水。

关于合成气体的制造和使用

在“费-托工艺流程”(Fischer-Tropsch)的第一级中，碳和水蒸气通过在高温下按照化学反应式1发生反应而产生合成气体。取决于煤炭或者碳化合物的不同质量，所述反应之后产生的主要物质是一氧化碳以及氢气，可能也会有一些甲烷。也可以把煤炭在隔绝空气的条件下，加热到1000至1300摄氏度，获得焦炭。这有助于提高碳元素的纯度，并有利于转换为合成气体。1吨煤可以产生大约300立方米的煤气，其中主要成分为大约50％的氢气和30％的甲烷，这些气体会直接被导入输气管道，也可以按照化学反应式2继续反应。煤炭干馏后，会产生其它的副产品，例如“煤焦油”其实是各种芳香类物质的混合物。煤焦油历来被视为化学工业的基础原料。按照本项发明设计的工艺，可以合理利用煤炭能源，改善生态环境，并获得大量的中间类化学品，而且对石油化工的依赖会逐渐降低。

在所述两种生产合成气体的工艺中，包括在气体的清洗过程，以及在蓄能发电设施的两个运行阶段中，不能持续不间断地切换。因此，本项发明有个特别的贡献，就是在两个运行阶段中，在不同的使用情况下，都可以使用合成气体(在第一运行阶段中按照化学反应式3使用合成气体，在第二运行阶段中按照化学反应式4使用合成气体)。

如果在混合型蓄能发电设施的旁边还建造了煤炭发电设施(火力发电设施)，那么在第二运行阶段中，合成气体也可以被吹入火力发电设施的燃烧室中并且在那里释放。当对能量的需求达到峰值时，可以额外添加别的气态燃料，可以快速达到较大功率。因此，煤炭发电设施拥有了较大的自主灵活性。

合成气体按照化学反应式2转换为复合型甲烷，其过程属于按照化学家萨巴蒂尔(Sabatier)命名的化学反应之一。在此类反应中，在氮催化剂或者铁催化剂的作用下，一氧化碳被氢气氢化，产生甲烷。此类化学反应属于放热反应，按照本项发明设计的其它工艺中，如果需要吸热，可以利用此反应释放的热量，因此合成气体释放时的能量利用效率可以得到进一步提升。

按照化学反应式3进行的反应中，如果适当改进，还能够获得大分子碳氢化合物，可以作为汽车的燃料。

合成气体/二氧化碳的释放和存储

释放合成气体，意味着直接或间接的利用其热值，以获得电能。

在合成气体被释放的阶段所产生的二氧化碳，也可以被存储或者筛分。例如，氢气燃烧后产生的水被冷凝之后，可以通过高压液化，从烟尘中分离出二氧化碳。电解水产生的氧气，如果取代空气被用于助燃，因此不需要吹入空气，那么在水蒸气被冷凝之后，二氧化碳成为唯一的气体，直接被存储。

在释放合成气体的过程中，合成气体除了直接燃烧之外，其中的一氧化碳还可以和水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气。由此产生的二氧化碳将被存储，在此之后，只有氢气被燃烧。就像通过电解水获得氢气一样，可以让二氧化碳换为甲烷，即让氢气和存储的二氧化碳按照化学反应式6进行反应，也可以让氢气与合成气体或者一氧化碳按照化学反应式2进行反应。合成气体也可以被分成两部分，其中一部分用来制造氢气和二氧化碳，另一部分合成气体与氢气按照化学反应式2发生反应用于制造甲烷。在合成气体的释放过程中，也会产生甲烷，这些甲烷既可以直接燃烧或者释放，也可以存储起来。

归纳而言，合成气体可以和纯氢气或者纯甲烷一样，被释放或燃烧。在总共三种类型的合成气体中，其中的二氧化碳都可以被分离出，并且存储。

在此建议：最好在复合型蓄能发电设施不需要消耗电能、并且不会产生排放的时候，将合成气体转换为甲烷。

按照本项发明设计的工艺中，如果合成气体来自于生物型能源(例如树木)，那么在释放合成气体的阶段，可以把二氧化碳存储在地下(因为二氧化碳容易被植物吸收)。在存储过剩电能的同时，制造出生物型甲烷。

在二氧化碳和甲烷的混合气体中，关于其生物型来源的证明

作为最终产物形成的气体二氧化碳和甲烷根据其来源(生物或化石)或者被输出或者经济地输送(例如生物甲烷)。因此重要的是，当例如木材与煤炭的变换的部分被气化时，确定在上述气体中的生物比例。

可以通过放射学中已有的“碳同位素放射法”(C14方法)来测定：所使用的生物型原材料以及由此制造的生物型甲烷，通过同位素测定在C14同位素部分方面具有相同的起始值。而化石类碳元素中不包含C14同位素。对于二氧化碳的来源，所述方法也同样适用。可以按照被称为“洛比法(Lobby)”的放射性计数管法则”对气体进行测量。

在利用煤炭和(过剩的)电能生产混合型甲烷时的电化学模拟计算

按照化学反应式3(电解水)开始生产。假定电解时的能量效率为80％，那么每生产一立方米的氢气需要4.2千瓦的电能。按照化学反应式2，合成气体中还需要2摩尔的氢气，用于与一氧化碳反应来制造混合型甲烷。因此，从合成气体中每生产1立方米的混合型甲烷，总共需要大约8.4千瓦的电能。

在此假定，混合型甲烷中的碳元素，全部来自煤炭。甲烷中的碳元素质量比例为75％(甲烷的分子量为16，其中的碳元素的原子量为12)。甲烷的气态密度为718克/立方米。因此，通过计算得知，1立方米的甲烷，其中含有539克的碳元素。通常使用的原煤，其中碳元素度含量为65％至90％(取决于原煤的质量)。所以，每立方米的混合甲烷需要580至830克的原煤。

综上所述，通过8.4千瓦(过剩的)电能以及580克至830克的(脱水的)原煤，可以生产1立方米的混合型甲烷。混合型甲烷的燃烧值与天然气相似。每立方米的混合型甲烷被释放后，可以提供7.5千瓦的电能(每立方米混合型甲烷的内能为11.5千瓦，燃气发电厂的能量使用效率假定为65％.如果原煤的使用量为标记在括号中的580克，则混合型甲烷释放后的能量使用效率为87％。

合成气体的释放/一氧化碳氢化反应的稳定化

在气体释放阶段，合成气体通过在发电设施内的燃烧被转换为热能。合成气体的释放可以在煤炭发电设施或者燃气发电设施内进行。根据对能量的需求量，在燃气发电设施内，在释放合成气体的同时，还可以同时释放天然气。

气体释放阶段，能量的存储过程暂时停止。按照本项发明设计的工艺中的能量存储过程和煤炭干馏过程一样，都属于一个化学流程，其中需要一氧化碳的参与。如果此时对功率的需求较低，那么最好把一氧化碳氢化进而生成甲烷的过程也设置在这个阶段。

即使没有电解水产生的氢气参与，也能进行气体释放进程。在此过程中，合成气体中的氢气会被分离。然后按照化学反应式2，2摩尔被分离出的氢气，和另外1摩尔的氢气以及合成气体中1摩尔的一氧化碳结合转换为甲烷。在气体释放阶段，甲烷的制造过程在较低功率下就可进行。残余的一氧化碳或者含有一氧化碳的合成气体，则应当按照本项发明设计的工艺释放到发电设施内。

.在一氧化碳的氢化过程中，如果未反应彻底的一氧化碳残留在甲烷中，那么这类反应混合物应该临时性地在发电设施内燃烧掉。在此需要避免一氧化碳被混入到输气管道中(作为安全防范措施，可以检查终极产品甲烷中的一氧化碳含量)。因为一氧化碳的氢化过程与合成气体的释放阶段是同时进行的，所以如果产生额外的可燃气，那么反而是有利的现象。发电设施与一氧化碳氢化设施联合在一起，也是一种新的合成工艺。

电化学模拟计算/气体的回流

如何按照化学定律，计算反应物和生成物的质量、能量、体积之间的相互关系，将在下文作详细描述。在计算时，约定合成气体是氢气和二氧化碳的混合物，但是二氧化碳和氢气的混合比例可以灵活变化，主要取决于原材料的性质(例如生物型原料或者煤炭等化石型原料)及其干馏气化方法。此外，在合成气体中，允许渗入提前形成的甲烷。

存储阶段：能量/质量/体积

可存储电能的基准容量能源：1百万千瓦

如果要通过电解水制造1立方米的氢气，大约需要0.8升的纯净水和4.2KW的能量(利用率为80％。)

按照化学反应式2以及3，将产生2份氢气(含有合成气体)以及1份甲烷。

这就意味着，1立方米的甲烷，需要8.4千瓦/1百万千瓦，并且需要600-800克的煤炭。

因此，制造12万立方米的甲烷，则需要大约85吨的煤炭。

储存设施

只有从烟尘中分离出的冷凝水，才需要进行存储(在第二运行阶段存储)。这就意味着，

当天然气燃烧时，会产生0.8x 2x 120000＝192000升的纯净水，即

192立方米纯净水

当合成气体燃烧时，会产生0,8x 1x 120000＝96000升的纯净水，即

96立方米纯净水

为输气管道配备的第二储存器，是为所有可以预见的状况而准备的，以确保有足够的容量。

气体的回流

在燃气发电设施，12万立方米的甲烷，当能量利用率为65％时，可以产生大约85万千瓦的能量。

(假定不使用原煤制造出的1百万千瓦的能量，能量利用率为)85％

结束语

-煤炭和过剩的能量可用于制造甲烷，这些甲烷可以存储在输气管道中，并且被运输，然后以85％的利用率(气流和电流的比值)被释放。

-在不同的运行状况下，电能将由混合型蓄能发电厂交替地吸收和存储或者被排放。

-混合型甲烷与H-等级的天然气的质量相当。

-1立方米的混合型甲烷，需要大约700克煤炭以及8千瓦的的过剩电能来生产。

-已存储的能量，其回放时的利用率(每兆瓦电能回放时还需要提供大约60至80千克的煤炭)大约为85％(该数值在75％至90％之间浮动，取决于发电设施在气体回流时的能量利用率)

-通过添加煤炭，水的电解速度可以提高2倍以上。

-在使用生物型原材料时，所有被使用的生物型碳原料，其可被存储的电能将被转化为生物型甲烷(在生物型燃气设施中，碳元素不仅生成甲烷，还有30％至50％的二氧化碳)。

被存储的二氧化碳，可以与氢气发生反应，生成甲烷。与合成气体相比，在用二氧化碳制造甲烷时，需要使用2倍的氢气。

下面三个化学反应式，描述了从烟尘中再生甲烷的机理：

A.)甲烷的燃烧CH₄+2O₂>CO₂+2H₂O

B.)水的电解4H₂O>4H₂+2O₂

C.)甲烷的再生CO₂+4H₂>CH₄+2H₂O

从化学反应式C)中可以看到，在用二氧化碳再生甲烷的过程中，需要投入4摩尔的氢气，但是用合成气体制造甲烷只需要2摩尔的氢气。相应地，上文描述的生产技术中，其效率(能量利用率)被称为“电能转换为燃气的效率”。整体能量利用率大约在35至40％之间(电流转换为气流)。

化学反应式A/B/C描述了化工型的蓄能发电设施的特征。在其中一个运行阶段中，甲烷被释放和燃烧，从而产生能量(化学反应式A)，然后二氧化碳从烟尘中被分离出，得到存储。在另一个运行阶段，被存储的过剩电能被用来电解水，从而产生了氢气(化学反应式B)，然后这些氢气对被存储的二氧化碳进行氢化反应，产生甲烷(化学反应式C)。在化学反应式A和C中生成的水，通过冷凝被分离，然后被用于电解反应(化学反应式B)。在电解水(化学反应式B)的过程中，除了氢气之外，还产生了氧气，氧气被存储后可用于甲烷的燃烧(化学反应式A)，因此不必再吹入空气。因此，烟尘由二氧化碳和水蒸气组成，而水蒸气被冷凝并且分离之后，气态二氧化碳可以直接被存储。当然，二氧化碳和水蒸气也可以作为混合气体，存储在一起。

有利地，在合成气体的根据本发明的制造中成比例地添加非常反应迟钝的储存的二氧化碳，以便将所述二氧化碳转换为反应性的一氧化碳。

因为合成气体在高温(800℃至1000℃下)产生，待添入的二氧化碳或者与已产生的氢气反应产生一氧化碳和水或者与仍存在的碳元素反应产生一氧化碳。在任何情况下，从二氧化碳到一氧化碳的改变造成在合成气体中的氢气的耗费。

根据添加的二氧化碳的量，得到氢气被消耗的合成气体。在极端情况下，在碳元素和二氧化碳的摩尔量的比例相等时仅得到一氧化碳。

为了改善氢气比例，能够为二氧化碳-合成气体添加反应混合物甲烷或天然气。

通过借助于二氧化碳的转化消耗的氢气，在根据本发明的甲烷产生中必须由附加的电解氢气取代。在上述情况下，当仅还存在一氧化碳时，每摩尔产生的甲烷不像在合成气体的情况下那样需要2摩尔的电解氢气，而是需要3摩尔的电解氢气。总的来说还适用第17页的化学反应式B，根据所述化学反应式每摩尔二氧化碳需要4摩尔氢气以形成甲烷。所述转化的动力是一氧化碳和二氧化碳之间的平衡(化学反应式D)，在高于800℃的情况下在一氧化碳一侧达到完全平衡。

D.)C02+C<>2CO

要确定的是：根据萨巴蒂尔原理一氧化碳与氢气反应明显比反应迟钝的二氧化碳更快。

合成气体优选根据费-托工艺流程通过碳与水在800℃至1000℃下的反应制成(比较第2页的化学反应式1)。在此，要考虑的是化学计量方面，因为在合成气体中残留的水根据所谓的“水气变换反应”在冷却合成气体时反应产生氢气和二氧化碳。因此，在低于500℃的温度下，在二氧化碳一侧出现在化学反应式D中表现出的平衡。二氧化碳在萨巴蒂尔反应的条件下不进行反应或比合成气体中的一氧化碳明显更慢地反应，以至于仅不完整地进行甲烷的形成。

因此，为了在二氧化碳的借助于合成气体或碳元素的根据本发明的转化中不在反应结束时在冷却时再使二氧化碳再生，必须在制造合成气体时在开始时以摩尔比1:1去除等同于二氧化碳的添加量的水量。

因此，在碳的以摩尔比1:1借助于二氧化碳的转化中仅得到一氧化碳，而在碳的借助于水蒸气的转化中得到合成气体作为一氧化碳与氢气的等摩尔量的混合物。

对于中间范围适用的是：二氧化碳和水必须总是相互补充，使得总计1摩尔的二氧化碳和水与一摩尔的碳反应。

在甲烷的根据本发明的制造中要注意的是，3摩尔的一氧化碳和2摩尔的合成气体需要电解氢气以形成甲烷。因此，在回流时的效率在第一种情况下大致为60％，而在第二种情况下如在章节“电化学模拟计算”中所描述所述效率大致为85％。

化学方面来说是两个特征点：

合成气体制造：C+H2O＝CO+H2

从中形成甲烷：(CO+H2)+2H2*＝CH4+H20

布杜阿尔反应：C+C02＝2CO

从中形成甲烷CO+3H2*＝CH4+H20

(设有*的H2是电解氢气)

因此，本发明的一项内容是用于二次燃烧碳的方法，其中碳和水蒸气以与二氧化碳混合的形式转化为合成气体或一氧化碳，并且合成气体或一氧化碳与附加的氢气转化为甲烷，利用电能通过电解得到所述氢气，并且将甲烷导入到天然气输气网络中，并且从输气网络中提取和燃烧或排出甲烷或在天然气中的甲烷的等价物，并且从燃烧气体中分离和收集二氧化碳，其特征在于，收集的二氧化碳使用在合成气体的或一氧化碳的制造中，并且在此关于1摩尔的碳补充1摩尔的二氧化碳和水蒸气，并且水与二氧化碳的摩尔分数从1:0达到0:1。

所述方法具有高的灵活性并且允许对电能的供应以及对于二氧化碳的变化的可支配性作出反应，其中水/二氧化碳比变化。

要确定的是：由二氧化碳产生的甲烷随后二次燃烧。

还要确定的是，在高于800℃时形成合成气体，合成气体和附加的氢气形成甲烷的根据萨巴蒂尔原理的化学反应然而在低于300℃的情况下进行。因此，首先必须结束碳与水蒸气和二氧化碳和碳元素的转化，然后合成气体或一氧化碳根据萨巴蒂尔原理与另外的氢气反应产生甲烷。

因此，本发明的内容(还)涉及由氢气和合成气体制造甲烷，所述氢气利用储存的电能通过电解得到而所述合成气体在添加二氧化碳的条件下通过将碳和碳化合物气化产生，其特征在于，从天然气燃烧的烟尘中分离和储存添加的二氧化碳，并且将在二氧化碳与合成气体中的氢气转换时除一氧化碳以外形成的水以此方式考虑用于合成气体的制造，以至于在最终产物中没有残留未发生反应的水。

特别有利的是，煤炭首先在隔绝空气的情况下焦化(比较第12页，章节“合成气体/制造和应用”)并且接着将得到的焦炭与二氧化碳以摩尔比1:1根据化学反应式D优选在800℃至1000℃的温度下在流化床中转化为一氧化碳。除此之外，从在焦化时得到的气体混合物中将氢气分离，所述气体混合物主要由氢气、甲烷和一氧化碳构成，并且将氢气用一氧化碳结合以形成合成气体，所述合成气体随后用于用电解氢气形成甲烷。

在分离氢气之后得到的剩余气体能够燃烧，并且提供用于由焦炭和二氧化碳构成一氧化碳的工艺热量。因为剩余气体包含大部分包含在煤炭中的有害物质，所以能够将所述有害物质从燃烧气体中根据在煤炭燃烧中常见的方法分离和清除。

在此，有利地，将加热到1000℃的焦炭直接与二氧化碳继续反应产生一氧化碳。

同样有利的是，将合成气体在原处在形成甲烷期间制造并且将与焦炉煤气分离的氢气与化学计量方面正确的量的电解氢气反应产生甲烷。

能够将待重新形成的二氧化碳从燃烧合成气体的烟尘、混合型甲烷或天然气中通过降温或高压液化分离。

在转化器中将天然气/甲烷分解为氢气和二氧化碳时得到适合的二氧化碳。这种转换器位于用于具有燃烧电池的机动车的氢气储备站处，在所述燃烧电池中天然气转变为氢气并且在此作为副产物产生二氧化碳。

本发明允许，波动的风能或太阳能与廉价的煤炭结合地在输气网络中存储和运输并且以高的效率再转换为电能。通过将在混合型甲烷或天然气的释放(回流)时分离的二氧化碳导回以及将所述二氧化碳在合成气体制造中加工，根据本发明的方法也能够实现化石类载能体如煤炭或天然气的无二氧化碳的释放。

所述方法使得能源经济的脱碳作用加速，其中多次燃烧煤炭中的碳。

在由碳、水和二氧化碳产生一氧化碳或合成气体时，得出化学计量方面和平衡的下述相互关系：在高于1000℃时，在碳和二氧化碳的转化中在一氧化碳一侧达到100％的平衡。

在相同的条件下，由碳和水蒸气产生合成气体。

由不纯净的煤炭产生纯净的甲烷是困难的。然而，导入天然气输气网络中的甲烷必须是纯净的，因为对天然气的纯度要求是高的。为了依照用于制造甲烷的根据本发明的方法得到纯净的成分，优选采取下述方式：

首先将煤炭焦化，也就是说在隔绝空气的情况下在大致1000℃下加热。

在此，产生相对纯净的呈焦炭形式的碳元素。

除此之外，形成所谓的焦炉煤气，一种由氢气、甲烷和一氧化碳构成的混合物。

从焦炉煤气中例如经由分子筛分离氢气，所述氢气添入合成气体或一氧化碳并且所述氢气减少对附加的电解氢气的需求。

电解氢气本身在大自然中是高纯度的。

最后的成分，二氧化碳已经是纯净的，因为纯净的天然气燃烧产生纯净的二氧化碳。

在将氢气分离之后残留的气体混合物还包含多种煤炭的有害物质。有利地，为了提供工艺热量，在碳元素与二氧化碳或水的吸热反应中进行燃烧并且从燃烧气体中离析有害物质。

为了提高在合成气体中的氢气比例，也能够在合成气体制造中添入天然气。

在借助于分离二氧化碳释放甲烷或天然气的情况下，也能够在转化器中将甲烷分解为氢气和二氧化碳，并且将这两种气体分离。然后释放氢气并且根据本发明将二氧化碳转化为甲烷。所述方法形式的优点在于，与从烟尘中相比，二氧化碳在此被更简单地分离，并且氢气能够造成在燃烧电池中产生电能，这尤其是在电动交通中是优选的。

二氧化碳也能够在其形成的原处被收集、储存和运输至根据本发明的重新形成。相反，随后也将在根据本发明制造的甲烷中储存的能量在天然气输气网络中运输至所述甲烷回流的位置。

本发明的内容还涉及如下设备，所述设备包括：

-用于在一氧化碳一侧达到布杜阿尔平衡的装置，在所述装置中从甲烷或天然气的释放或燃烧中分离的二氧化碳与碳进行反应。

-用于由来自电解的氢气使一氧化碳或二氧化碳形成甲烷的装置。

所述方法也适合于，在避免释放二氧化碳的条件下用天然气运行加热装置，优选冷凝式加热系统。

在此，在冷凝式加热系统中，在将反应水冷凝和分离之后，将残留的烟尘混合物压缩进而将二氧化碳高压液化并且作为液体从保持气相的氮气分离，其中所述烟尘混合物主要由二氧化碳和来自燃烧空气的氮气构成。

在此，有利地能够将通过压缩加热的、由二氧化碳和氮气构成的气体混合物通过优选低温加热系统的循环回路冷却。这样得到具有连接在下游的(单向)热泵的冷凝式加热系统。二氧化碳已经是用于机动车空调设备的可靠的致冷剂。

二氧化碳容纳在阱中并且经由阀取出。能够通过在随后将氮气释放和减压时的减压冷却来冷却所述阱(摩尔比CO2与N2大致为1:8)。

因此，本发明的内容还涉及用天然气运行的室内加热系统，所述室内加热系统由冷凝式加热装置、热泵和二氧化碳阱构成，其中烟尘在将含水的冷凝物分离之后被压缩并且通过压缩加热的烟尘混合物在换热器中将其热量发送至加热循环回路，并且从被冷却的气体混合物中将高压液化的二氧化碳在冷阱中与保持气相的氮气分离。

根据本发明的加热设备能够没有二氧化碳排放地燃烧天然气并且同时还产生有效的热量作为冷凝式加热系统。由于同时利用热泵，所谓的低温加热是优选的。

分离出的二氧化碳立即液态地储存在高压容器中。然而，也可以作为在被冷却的容器中的所谓的干冰实现储存。

分散得到的和储存的二氧化碳能够被收集并且运输至蓄能发电设施，根据本发明在所述蓄能发电设施处，借助于由(多余的)电能通过电解得到的氢气使所述二氧化碳氢化形成甲烷并且将甲烷导回到输气网络中。因此，在用天然气加热时不释放二氧化碳并且燃烧的天然气作为甲烷导回到输气网络中。

借助于根据本发明的加热设备和用所述加热设备执行的方法，能够用化石类天然气以二氧化碳净排为零的方式加热。用天然气的室内加热系统包含在能量过渡计划中，并且这通过在热泵中将二氧化碳分离甚至还具有有利的热力学效应。

不能借助于具有二氧化碳分离的发电设施复制的效应。在此，例如在烟尘中的二氧化碳分离包含具有显著的能量损耗的洗涤。也能够以足够的量提供的廉价的二氧化碳是理想的贮藏物质，以用于将二级载能体氢气转化为类似的甲烷。

例如，货车能够将2500吨二氧化碳从南德的加热设备运输至北德。从而能够储存2千万KW的风流，其中所述风能转化为1000吨的甲烷，然后所述甲烷将风能经由输气网络运输至南德。根据本发明的方法辅助解决在“电能转换为燃气(Power to Gas)”的情况下二氧化碳的获取问题。

为了简化方法，尤其在经济方面有利的能够是，首先不将所有二氧化碳分离。而且在一个方法变型方案中能够直接在含水的冷凝物中将二氧化碳在压力下溶解，并且与反应水共同地储存和运输。然后，在甲烷还原的位置处，将二氧化碳和水分离并且将水加工为储存水以用于电解并且将二氧化碳如所描述那样与氢气转化为甲烷。

在方法的一个变型方案中，热的烟尘在从燃烧器中排出之后被压缩并且在随后通过加热循环回路冷却时将水蒸气与在压力下溶解的二氧化碳冷凝。

水/二氧化碳溶液能够运输至复原甲烷的位置。在此，将水和二氧化碳分离并且将水作为储存水用于电解并且电化学地制造的氢气使二氧化碳氢化形成甲烷。

依照根据本发明的方法，也能够从区域供热站的燃气轮机的或天然气发动机的废气中分离水和二氧化碳。为了节省耗费和能量，有利的能够是，不将所有的二氧化碳从烟尘中分离。

在此通过将在来自甲烷燃烧的水蒸气冷凝时释放的热量同样经由换热器输出至加热循环回路的方式产生冷凝式加热系统。

因此，本发明的内容还涉及：将二氧化碳从天然气燃烧的烟尘中借助于摩尔量相同的碳根据流化床法转化为一氧化碳(布杜阿尔平衡)，其中所述碳优选来自煤炭或焦炭；以及将一氧化碳以摩尔比1:3与来自电解的氢气转化为甲烷；以及将甲烷导回到天然气输气网络中。通过这样制造的甲烷的回流，将煤炭的碳元素在计算方面二次燃烧或释放。借助于煤炭和风能或太阳能进行甲烷从二氧化碳中的恢复。相同的碳的二次燃烧引起碳排放的脱碳，如这在2015年在德国Kloster Elmau的G7峰会的决议中在世界范围内所致力达到的目标。

在将电能转换为燃气时将二氧化碳与4摩尔的氢气进行转换并且据此回流效率为30％至35％，与上述电能转换为燃气的情况不同，在此根据本发明使用的一氧化碳与3摩尔的氢气反应形成甲烷，其中回流效率为50％至60％。

在方法的一个变型方案中，热的烟尘也在从燃烧器中排出时被压缩，并且在随后通过加热循环回路冷却时水蒸气借助于在压力下溶解的二氧化碳冷凝。

能够将水/二氧化碳溶液运输至甲烷复原的位置处。在此，将水和二氧化碳分离并且将水作为储存水用于电解并且电化学地制造的氢气使二氧化碳氢化形成甲烷。

根据本发明，根据下述配方得到1立方米的甲烷：

-300g至400g的煤炭(根据煤炭质量)

-来自天然气燃烧的烟尘的1100g的二氧化碳

-10KW至12KW的风能或太阳能，用于电化学地制造氢气(根据添加给电解氢气的、来自焦炉煤气的氢气量)。

化学方面而言这就是说，被燃烧的碳以二氧化碳的形式与未被燃烧的碳在归中反应中形成一氧化碳，所述一氧化碳与氢气反应产生甲烷。在计算方面，碳被二次燃烧。

要考虑的是大约5KW热能或3KW电能，通过燃烧或释放天然气部分来产生所述热能或电能，在上述配方中的1100g二氧化碳来自所述天然气部分。因此，有利地，首先燃烧或释放天然气，并且从燃烧气体中分离二氧化碳，然后所述二氧化碳与煤炭和电解氢气转化为甲烷。

结合在甲烷中的二氧化碳能够在天然气发动机中燃烧时造成相关的机动车的二氧化碳排放。天然气发动机也使用在区域供热站中，以至于借助于根据本发明的甲烷能够在室内加热系统中以及在移动系统中降低二氧化碳排放。

要再次提到的是：根据本发明的甲烷能够在天然气输气网络中储存和运输，并且能够从输气网络中提取等量的天然气。

本发明的生态效益是双重的：首先天然气以无二氧化碳排放的方式燃烧或释放。继而通过将从之前的天然气燃烧的烟尘分离的二氧化碳复原得到可再生的甲烷，随后所述甲烷在其燃烧时释放二氧化碳，所述二氧化碳事先在其产生中被化合。就此而言，可再生的甲烷在其生态作用方面是与生物甲烷类似的。

参考文件：

1.DE 102009018126 AI/2010年10月14日公开

2.WO 2013/152748 AI/2013年10月17日公开

3.DE 102012007136 AI/2013年10月10日公开

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于由煤炭或焦炭和(要储存的)电能和二氧化碳制造甲烷或长链的碳氢化合物的方法，其中从燃烧或释放天然气或甲烷或合成气体的烟尘中分离二氧化碳，或者在转化甲烷和天然气时除氢气以外产生二氧化碳并且储存二氧化碳并且在煤炭气化时添加储存的二氧化碳以制造合成气体、由一氧化碳和氢气构成的气体混合物并且将添加的二氧化碳(根据布杜阿尔反应)在煤炭气化的条件下反应产生氢气被消耗的合成气体或一氧化碳并且将一氧化碳和通过由电能将电解水得到的氢气转化为甲烷或长链的碳氢化合物，并且其中储存的二氧化碳来自于的天然气或甲烷或转变为合成气体的煤炭以无二氧化碳排放的形式被燃烧或释放。

2.根据权利要求1所述的方法，其中储存的二氧化碳与水蒸气共同地使用在煤炭气化中，并且1摩尔的二氧化碳和水蒸气对1摩尔的碳进行补充并且水与二氧化碳的摩尔分数从1:0达到0:1。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，在制造一氧化碳时添入天然气。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，压缩烟尘并且将二氧化碳液化地从烟尘中分离。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，在冷阱中容纳和分离二氧化碳。

6.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，将被压缩的烟尘混合物通过低温加热系统的循环回路冷却并且将二氧化碳冷凝并且作为液体分离。

7.根据权利要求4至6所述的方法，其特征在于，将所述烟尘与水蒸气共同地压缩并且将二氧化碳在压力下以在水中溶解的方式与残留的气体分离。

8.根据权利要求1至6所述的方法，其特征在于，将在压力箱中的液态的二氧化碳或将固态的二氧化碳作为所谓的干冰在隔热容器中储存和/或运输。

9.根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于，将从所述烟尘中分离的含水的冷凝物作为储存水使用在电解中。

10.根据权利要求1至9所述的方法，其特征在于，在第一方法步骤中在隔绝空气的条件下将煤炭焦化并且在第二方法步骤中产生的焦炭与二氧化碳转化为一氧化碳，并且从在将煤炭焦化时得到的焦炉煤气中将氢气分离并且借助于一氧化碳清洁并且与附加还需要的来自电解的氢气转化为甲烷或长链的碳氢化合物。

11.根据权利要求1至10所述的方法，其特征在于，储存在电解水中除氢气以外产生的氧气，并且在燃烧合成气体和天然气时代替燃烧空气使用所述氧气，并且在将水冷凝之后储存二氧化碳。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以无二氧化碳排放的方式燃烧/释放甲烷或天然气，其中形成的二氧化碳转换为一氧化碳并且将一氧化碳用通过风能和太阳能借助于电解水制造的氢气转化为甲烷并且将甲烷导回到天然气输气网络中。

13.根据权利要求1至12中所述的方法，其特征在于，将二氧化碳在用天然气运行的加热设备中分离，其中将从含水的冷凝物释放的烟尘(根据热泵原理)压缩并且将通过压缩加热的气体通过加热循环回路冷却并且同时将位于烟尘中的二氧化碳冷凝并且将二氧化碳作为液体与残留的气体分离。

14.根据权利要求1至13所述的方法，其特征在于，在用于具有燃料电池的机动车的氢气储备站处获取二氧化碳，在所述氢气储备站处在转化器中将天然气分解为氢气和二氧化碳。

15.一种用于制造甲烷的设备，所述设备包括：

(1)压力箱或隔热容器以容纳和运输液态的、气态的或固态的二氧化碳，

(2)用于制造合成气体的装置，其中在煤炭气化时添加部分储存在(1)中的二氧化碳并且将所述二氧化碳转换为一氧化碳，

(3)电解剂，其将电能转换为氢气，和

(4)用于将在(2)中得到的一氧化碳与从(3)中得到的氢气转化为甲烷或长链的碳氢化合物。

Claims

1.一种用于由煤炭或焦炭和(要储存的)电能和二氧化碳制造甲烷的方法，其中二氧化碳来自天然气或甲烷燃烧的烟尘以及从所述烟尘中分离出，或者在将甲烷或天然气转化时除氢气之外产生所述二氧化碳并且储存二氧化碳，并且其中(要储存的)电能通过电解水转变为氢气，其特征在于，储存的二氧化碳与煤炭的碳元素在高于800℃的温度下转变为一氧化碳，其中二氧化碳与一方面碳元素和另一方面一氧化碳之间的平衡、所谓的布杜阿尔平衡位于一氧化碳一侧而在随后的反应中一氧化碳与来自电解水的氢气转化为甲烷并且甲烷导入到天然气输气网络中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由煤炭制造合成气体时添加二氧化碳并且得到氢气被消耗的合成气体。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，压缩烟尘并且从所述烟尘中液化地分离二氧化碳。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在冷阱中容纳和分离二氧化碳。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将被压缩的烟尘混合物通过低温加热系统的循环回路冷却并且将二氧化碳冷凝并且作为液体分离。

7.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，将所述烟尘与水蒸气共同地压缩并且将二氧化碳在压力下以在水中溶解的方式与残留的气体分离。

8.根据权利要求1至7所述的方法，其特征在于，将液态的二氧化碳或在含水的冷凝物中溶解的二氧化碳储存在压力箱中或将固态的二氧化碳作为所谓的干冰在隔热容器中储存和/或运输。

10.根据权利要求1至9所述的方法，其特征在于，在第一方法步骤中在隔绝空气的条件下将煤炭焦化并且在第二方法步骤中产生的焦炭与二氧化碳转化为一氧化碳，并且从在将煤炭焦化时得到的焦炉煤气中将氢气分离并且借助于一氧化碳清洁并且与附加还需要的来自电解的氢气转化为甲烷。

12.根据权利要求1至11所述的方法，其特征在于，以无二氧化碳排放的方式燃烧/释放煤炭或天然气。

15.根据权利要求1和3至14所述的方法，其特征在于，根据下述配方得到一立方米的甲烷：

-300g至400g的煤炭或焦炭(根据煤炭的碳元素含量称重)

-来自天然气燃烧的烟尘的1100g二氧化碳或在将天然气分解为氢气和二氧化碳时在转化器中产生的二氧化碳；

-由10KW至12KW风能或太阳能通过电解制造的氢气。

16.一种用于根据权利要求1至15所述制造甲烷的设备，所述设备包括：

(1)用于在一氧化碳一侧达到布杜阿尔平衡的装置，在所述装置中二氧化碳与来自煤炭或焦炭的碳进行反应；和

(2)用于由来自电解水的氢气使一氧化碳形成甲烷的装置。