DE102010056421A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zeitweiligen Speichern von Energie aus regenerativen Energiequellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz, wobei die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen (1) in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführt wird, wobei die Energie Wärmeenergie und/oder Strahlungsenergie und/oder Ionisierungsenergie ist, wobei ein Reaktionsraum (2) eines Reaktionsbehälters (1) mit einer gasförmigen Reinsubstanz gefüllt und zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälters (1) der Reaktionsraum (2) expandiert wird und/oder zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum (2) ein Teilvolumen der gasförmigen Reinsubstanz aus dem Reaktionsraum (2) abgesaugt wird, wobei, gleichzeitig oder zeitlich versetzt dazu, eine für die thermische Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz ausreichende Energiemenge einer Energie gewonnen aus regenerativen Energiequellen (1) in den Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälter (3) eingebracht wird, wobei nach Abschluss der thermischen Dissoziation oder der Folgereaktion die Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der nahezu keine Rückreaktion stattfindet und wobei mindestens ein Dissoziationsprodukt oder mindestens ein Folgeprodukt einem Speicherbehälter (4) zugeführt wird sowie eine Vorrichtung hierzu.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie deren Verwendungen zum Umwandeln und Speichern von Energie gewonnen aus regenerativen Energiequellen, insbesondere von regenerativer Energie aus Solaranlagen.
  • Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt. Die einfachste Form ist die Speicherung der photovoltarisch gewonnen elektrischen Energie in herkömmlichen Batterien. Die dafür benötigten Kapazitäten an Batterien sind nicht nur enorm groß sondern verteuern Nutzenergie in nicht realisierbaren Größenordnungen.
  • Es gibt deshalb Bemühungen, andere Speicherungsmöglichkeiten zu nutzen.
  • In der WO 2007/093277 A1 wird ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie, insbesondere von Sonnen- und Windenergie in Form von Elektroenergie, beschrieben, bei dem die Energie genutzt wird zur Be- und Entladung eines Wärmespeichers. Als Arbeitsmittel im reversiblen Kreisprozess wird CO2 genutzt.
  • In eine ähnliche Richtung weist die DE 10 2007 045 888 B4 , wobei hier H2O als Speichermedium genutzt wird.
  • In einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß der DE 10 2004 030 717 A1 wird geotherme und regenerative Energie in elektrische Energie umgewandelt und in ein Stromnetz eingespeist, wobei ein Überschuss an elektrisch erzeugter Energie mithilfe von Kohlendioxid in einen Kohlenwasserstoff und in einen Alkohol gewandelt, als chemische Energie in einem Behältnis gespeichert wird. Die im Behältnis gespeicherte Energie wird zur bedarfsabhängigen Regelung in einem Verstromungsprozess in elektrische Energie zurückgewandelt, während mit dem Überschuss an chemisch gespeicherter Energie eine Erdgas-Pipeline mit synthetisch hergestelltem Methan gespeist und mit einem Überschuss aus zurückgewandelter elektrischer Energie Wasserstoff für eine Abfüllvorrichtung erzeugt wird.
  • Mit der DE 10 2007 037 672 A2 wird das Ziel verfolgt, die saisonale und meteorologischen Einflüssen der regenerativen Energie mit den menschlich vorgeprägten Verbraucherverläufen aus dem Energienetz zu harmonisieren und diese Harmonisierung durch Zwischenspeicher und Einbeziehung einer CO2-Verwertung in eine langfristige nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, die auch den bestehenden Netzen weiterhin Stabilität verleiht. Vorgeschlagen wird dazu ein Energieverteilungsverfahren, bei dem ein Strom oder Lasten verteilendes Stromnetz eine Vielzahl von Verbraucherstellen versorgt. Regenerativ erzeugte Energie über Windkraft- oder Solarzellen wird nicht vollständig in das Netz eingespeist, sondern zumindest in wesentlichen Anteilen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Der Wasserstoff wird in zumindest einer Hydrieranlage zusammen mit Kohlendioxid aus anderen Kraftwerken oder einem Endlager hydriert, wobei zumindest ein gasförmiger, brennbarer Kohlenwasserstoff erzeugt wird, der verflüssigt zwischenspeicherbar ist. Der brennbare Kohlenwasserstoff wird erneut in einem Kraftwerk zur Bildung von elektrischem Strom verwertet, wobei Kohlenstoff in einem Kreislauf bewegt wird, unter Zufuhr regenerativ erzeugter Energie und Abgabe von brennbarem Kohlenwasserstoff.
  • In der DE 10 2009 007 567 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Methanol durch die Verwertung von Kohlendioxid aus dem Abgas fossil befeuerter Kraftwerke, Heizkraftwerke und anderer Emittenten vorgeschlagen, wobei Kohlendioxid aus dem Abgas der fossil befeuerten Kraftwerke für eine Methanolsynthese mit regenerativ gewonnenem Wasserstoff vermischt und unter Verwendung von Katalysatoren in Methanol umgesetzt wird. Die bei der Elektrolyse benötigte Elektroenergie soll aus dem Überschussaufkommen von Wind- und/oder Solarenergieerzeugungsanlagen, insbesondere in Schwachlastphasen von Elekroenergienetzen zur Verfügung gestellt und verwendet werden. Zwischengespeichert wird hier Methanol.
  • Nachteil der vorgenannten technischen Lösungen ist es, dass die Energien aus regenerativen Quellen zuerst in Elektroenergie umgewandelt wird.
  • Aus der US 6,066,187 A ist eine Lösung bekannt, bei der Sonnenenergie gebündelt zur Spaltung von CO2 in CO, O2 und O genutzt wird. Das CO wiederum wird genutzt, um mit H2 ein Synthesegas (CO + H2) zur Herstellung von Treibstoffen zu generieren. Dieser Prozess, bei dem CO2 gespalten wird, erfolgt bei Temperaturen um 1800 K bei einer Reaktion mit Graphit. Durch eine schnelle Abkühlung wird das CO stabilisiert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Energien aus regenerativen Energiequellen, insbesondere die Wärmeenergie aus Solaranlagen, in speicherbare, energetisch verwertbare chemischen Verbindungen zu überführen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäßen Lösungen sind auf die Zwischenspeicherung von Energien, die aus regenerativen Energiequellen stammen, gerichtet. Die Speicherung dieser Energien erfolgt in Form von chemischer Energie. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte zu bilden, die energetisch und/oder stofflich nutzbare Verbindungen, insbesondere Gase, darstellen und in den Energiekreislauf rückgeführt werden können.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz angegeben, mit welchem die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen bei Senkung des Partialdruckes in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführt wird.
  • Die für die thermische Dissoziation notwendige, aus regenerativen Energiequellen gewonnene Energie wird in Form von Wärmeenergie und/oder Strahlungsenergie und/oder Ionisierungsenergie dem Reaktionsraum zugeführt.
  • Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Reaktionsraum eines Reaktionsbehälters mit einer gasförmigen Reinsubstanz gefüllt und zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum des Reaktionsbehälters der Reaktionsraum expandiert wird und/oder zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum ein Teilvolumen der gasförmigen Reinsubstanz aus dem Reaktionsraum abgesaugt wird. Gleichzeitig oder zeitlich versetzt zur Expansion des Reaktionsraums und/oder der Partialdruckminimierung der gasförmigen Reinsubstanz durch Absaugen eines Teilvolumens wird eine für die thermische Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz ausreichende Energiemenge einer Energie, gewonnen aus regenerativen Energiequellen, in den Reaktionsraum des Reaktionsbehälter eingebracht.
  • Nach Abschluss der thermischen Dissoziation oder der Folgereaktion werden die Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte auf eine Temperatur abgekühlt, bei der nahezu keine Rückreaktion stattfindet.
  • Anschließend wird mindestens ein Dissoziationsprodukt oder mindestens ein Folgeprodukt, einem Speicherbehälter zur zeitweiligen Speicherung zugeführt. Es kann auch, nach Trennung und Aufbereitung der Reaktionsprodukte (Dissoziationsprodukt und/oder Folgeprodukt), eine Speicherung, vorzugsweise reiner, Reaktionsprodukte jeweils in einem separaten Speicherbehälter erfolgen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Prinzip des kleinsten Zwanges (Le Chatelier) genutzt, nach welchem Reaktionsgleichgewichte sich in Folge einer Druckminimierung im Reaktionsraum in die Richtung der Dissoziationsprodukte einer Verbindung verschieben. Der Dissoziationsgrad einer Verbindung ist demnach abhängig vom Grad der Druckminimierung und von den jeweiligen chemischen Verbindungen, welche einer Dissoziationsreaktion unterworfen werden sollen.
  • Die Druckminimierung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in einer Ausführungsvariante dadurch erreicht, dass nach Befüllen des Reaktionsraums mit der gasförmigen Reinsubstanz der Reaktionsraum einer Volumenvergrößerung unterworfen wird. Auch kann alternativ oder gleichzeitig zur Expansion des Reaktionsraumes durch Absaugen eines Teilvolumens aus dem Reaktionsraum eine Druckminderung im Reaktionsraum erzeugt werden.
  • Die eingesetzte Energie kann regenerativen Energiequellen wie der Solarenergie und/oder Windenergie und/oder Wasserkraft und/oder Geothermie und/oder Bioenergie und/oder Radioaktivität atomaren Abfalls entstammen. Je nach Ursprungsort der regenerativen Energie kann diese vor der Einspeisung in den Reaktionsraum einer Wandlung unterworfen sein. Mit Wandlung ist allgemein die Überführung einer Energieform in eine andere bezeichnet. So beschreibt die Wandlung u. a. die Überführung elektrischer Energie in Wärmeenergie oder auch von Strahlungsenergie in Wärmeenergie und umgekehrt.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte thermische Dissoziation erfolgt bei Einsatz von Wärmeenergie vorzugsweise im Niedertemperaturbereich. Vorzugsweise wird die Umsetzung in einem Temperaturbereich von unter 1000°C, insbesondere unterhalb von 500°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich unterhalb von 200°C ausgeführt.
  • In einer besonderen Verfahrensweise erfolgt die thermische Dissoziation unter Verwendung der Plasmatechnologie, insbesondere unter Verwendung der Niederdruckplasmatechnologie.
  • Als gasförmige Reinsubstanz werden insbesondere Kohlendioxid oder Wasserdampf mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens umgesetzt.
  • Insofern die gasförmige Reinsubstanz Kohlendioxid ist, wird das Verfahren derart geführt, dass Kohlendioxid in seine Dissoziationsprodukte „Kohlenmonoxid und Sauerstoff” und/oder in seine Dissoziationsprodukte „Kohlenstoff und Sauerstoff” gespalten wird.
  • Das Kohlenmonoxid kann als speicherbarer Energieträger direkt oder nach Zwischenspeicherung einer Verbrennung zugeführt oder aber auch der chemischen Industrie für synthetische Prozesse bereit gestellt werden.
  • Idealerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so geführt, dass Kohlendioxid in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff zerfällt.
  • Die thermische Dissoziation von Wasserdampf führt insbesondere zu den Dissoziationsprodukten „Wasserstoff und Sauerstoff”.
  • In einer besonderen Verfahrensweise wird der gasförmigen Reinsubstanz ein Reaktionsgas beigemengt, mit welchem ein oder mehrere Dissoziationsprodukte der gasförmige Reinsubstanz reagieren und hierdurch u. a. in speicherbare Folgeprodukte überführt werden.
  • Vorzugsweise werden als Reaktionsgas Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt.
  • Bei der thermischen Dissoziation von Kohlendioxid wird vorzugsweise das Reaktionsgas Stickstoff dem Reaktionsraum beigemengt, wobei der Stickstoff durch eine Reaktion mit dem Dissoziationsprodukt „Sauerstoff” aus der thermischen Dissoziation von Kohlendioxid in Stickoxide, insbesondere in Stickstoffdioxid und/oder Distickstofftrioxid, überführt wird. Diese Folgereaktion bedingt, dass durch die „Entfernung” des Sauerstoffs aus dem Dissoziationsgleichgewicht der Kohlendioxidspaltung der Dissoziationsgrad von Kohlendioxid gesteigert und die Rückreaktion unterbunden wird.
  • Bei der thermischen Dissoziation von Wasser in Form von Wasserdampf kann Kohlendioxid als Reaktionsgas eingesetzt werden. Die Folgereaktionen des Kohlendioxids mit Wasserstoff als Dissoziationsprodukt des Wassers führen zu Folgeprodukten wie beispielsweise Methanol oder Methan.
  • Insbesondere ist das Dissoziationsprodukt und/oder das Folgeprodukt eine Verbindung oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe „Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid, Methan, höherwertige Alkane, höherwertige Alkene, höherwertige Alkine, Methanol, höherwertige Alkohole”.
  • Der Grad der Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz wird somit durch die einstellbaren Verfahrensparameter wie Prozessdruck, eingetragene Wärmeenergiemenge, Reaktionstemperatur sowie durch die Verschiebung des Reaktionsgleichwichts in Richtung der Dissoziationsprodukte durch Reaktion eines Dissoziationsproduktes mit einem beigemengten Reaktionsgas bestimmt.
  • Um einen fortlaufenden Wärmeeintrag in den Reaktionsraum zu gewährleisten, wird die Temperatur im Reaktionsraum niedriger als die Temperatur einer Wärmeenergiequelle gehalten. Hierzu wird, um der thermisch induzierten Volumenarbeit der gasförmigen Reinsubstanz und/oder der Dissoziationsprodukte und/oder der Folgeprodukte entgegenzuwirken, der Reaktionsraum expandiert oder ein Teilvolumen der Gasphase aus dem Reaktionsraum abgezogen. Die Expansion des Reaktionsraums bzw. die Verringerungen der stoffspezifischen Dichten im Reaktionsraum bedingen eine Erniedrigung der Temperatur der im Reaktionsraum enthaltenen oder gebildeten gasförmigen Verbindungen.
  • Das Verfahren kann kontinuierlich betrieben werden. In dieser Verfahrensweise wird unter Einhaltung des für die thermische Umsetzung der gasförmigen Reinsubstanz notwendigen Unterdrucks sowie des Energieeintrages kontinuierlich die gasförmige Reinsubstanz dem Reaktionsraum zugeführt. Gleichzeitig werden die Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte aus dem Reaktionsraum abgezogen. Ebenso kann alternativ oder gleichzeitig eine kontinuierliche Zuführung des Reaktionsgases in den Reaktionsraum erfolgen. Durch eine entsprechende Länge des Reaktionsraumes kann der für eine kontinuierliche Dissoziation notwendige Weg zur Verfügung gestellt werden.
  • Zur energetischen Wandlung der in den Dissoziationsprodukten und/oder Folgeprodukten gespeicherten Energie kann die energetisch nutzbare Verbindung, insbesondere das energetisch nutzbare Gas, durch Verbrennung in einem Kraftheizwerk, vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk, und/oder mittels einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Brennstoffzelle, in thermische und/oder elektrische Energie überführt werden.
  • Um den Verfahrenskreislauf zu schließen, können ein oder mehrere Gaskomponenten des durch die energetische Nutzung der energetisch nutzbaren Verbindung in einem Kraftheizwerk und/oder in einer Wärmekraftmaschine gebildeten Verbrennungsgases direkt oder nach chemischer Aufbereitung wieder der thermischen Dissoziation zugeführt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus mit einer Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz, mit der die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen bei Senkung des Partialdruckes in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführbar ist, gelöst.
  • Die Vorrichtung weist mindestens einen Vorratsbehälter für eine gasförmige Reinsubstanz und einen Reaktionsbehälter mit einem Reaktionsraum auf, in dem die thermische Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz erfolgt. Der Vorratsbehälter und der Reaktionsbehälter sind über eine Leitung zum Einspeisen der gasförmigen Reinsubstanz in den Reaktionsraum des Reaktionsbehälters miteinander verbunden.
  • Der Reaktionsbehälter verfügt zudem über Mittel zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums und/oder über ein Mittel zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum und ist mit mindestens einem Temperierelement zur Temperierung des Reaktionsraums ausgestattet. Mindestens ein Temperierelement zum Heizen des Reaktionsraums wird mit aus regenerativen Energiequellen gewonnener Energie, vorzugsweise Wärmeenergie, gespeist. Insofern elektrische Energie genutzt wird, verfügt das Temperierelement über einen Energiewandler, mit dem Wärmeenergie erzeugt werden kann.
  • Zusätzlich können am Reaktionsbehälter weitere Mittel zum Eintrag von Energie in den Reaktionsraum eingerichtet sein. Ein derartiges Mittel ist insbesondere ein Strahler zum Eintrag von elektromagnetischen Wellen, wobei der Begriff „elektromagnetische Strahlen” das gesamte Spektrum oder aber auch Teilspektren umfasst.
  • Der Reaktionsraum kann von einem strahlungsdurchlässigen, insbesondere lichtdurchlässigen, Material ganz oder teilweise ummantelt sein. In einer weiteren Ausführungsform besteht der Mantel des Reaktionsraums ganz oder teilweise aus einem hochwärmeleitfähigen Material.
  • Ausgangsseitig am Reaktionsraum ist eine Pumpe zur Entnahme der Dissoziationsprodukte und/oder der Folgeprodukte eingerichtet. Dem Reaktionsraum ist mindestens ein Speicherbehälter zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes nachgeschaltet. Der Speicherbehälter und der Reaktionsraum sind über entsprechende Gasleitungen miteinander verbunden.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist ein Temperierelement zum Heizen des Reaktionsraums ein Sonnenkollektor und/oder ein mit aus regenerativen Energiequellen erzeugtem elektrischem Strom speisbares Heizmittel, vorzugsweise eine Heizpatrone. Mittels einer Heizpatrone wird elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt, mit der der Reaktionsraum geheizt werden kann.
  • Zur Kontrolle der Reaktionsbedingungen im Reaktionsraum sind dort mindestens ein Temperatursensor und/oder mindestens ein Drucksensor eingerichtet.
  • Um eine Rückreaktion der Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte in die Ausgangsverbindungen zu unterbinden, kann zwischen dem Reaktionsraum und dem Speicherbehälter eine Kühlkammer eingerichtet sein, in der eine Abkühlung der Reaktionsprodukte erfolgt. Natürlich kann auch der Reaktionsraum oder der Endabschnitt des Reaktionsraums für die Kühlung ausgelegt sein.
  • In einer besonderen Ausführungsform kann das Mittel zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums ein im Reaktionsraum geführter Kolben sein, der vorzugsweise gasdicht geführt ist.
  • Bevorzugter Weise ist das Mittel zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum eine Pumpe, vorzugsweise eine Niederdruckpumpe oder eine Vakuumpumpe. Diese Pumpe kann gleichzeitig zur Absaugung der Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsraum genutzt werden.
  • Die Vorrichtung kann mit einer Wärmepumpe ausgestattet sein, die am Reaktionsbehälter eingerichtet ist.
  • Die zur thermischen Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz notwendigen Reaktionsbedingungen sind möglichst konstant zu halten. Hierzu verfügt die Vorrichtung über eine prozessorgestützte Steuereinheit zur Steuerung und Regelung mindestens des Reaktionsdrucks und/oder mindestens der Reaktionstemperatur.
  • Insbesondere werden mit der Steuereinheit zur Steuerung und Regelung des Reaktionsdrucks und/oder der Reaktionstemperatur im Reaktionsraum das Mittel zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum und/oder das Mittel zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums und/oder das mindestens eine Temperierelement angesteuert, wobei die von der Steuereinheit generierten Steuersignale aus den Messdaten des Temperatursensors und/oder des Drucksensors ermittelt, errechnet und erzeugt werden. So kann beispielsweise nach Detektion einer Druckerhöhung im Reaktionsraum eine Expansion des Reaktionsraums ausgelöst und/oder die Pumprate der ausgangseitig eingerichteten Pumpe erhöht werden, um den Reaktionsdruck den Soll-Bedingungen anzupassen.
  • Am Reaktionsbehälter kann mindestens ein weiterer Vorratsbehälter für ein Reaktionsgas eingerichtet sein, wobei der weitere Vorratsbehälter und der Reaktionsbehälter über eine Leitung zum Einspeisen des Reaktionsgases in den Reaktionsraum des Reaktionsbehälters verbunden sind. Der Ort der Einspeisung des, Reaktionsgases in den Reaktionsraum ist abhängig von der Dissoziationsreaktion. Die Einspeisung kann somit eingangsseitig, mittig und/oder ausgangseitig in den Reaktionsraum hinein erfolgen.
  • Zur thermischen oder elektrischen Nutzung der chemisch gespeicherten Energie kann die Vorrichtung mit einem Kraftheizwerk und/oder einer Wärmekraftmaschine ausgestattet sein. Hierzu sind das Kraftheizwerk und/oder die Wärmekraftmaschine über eine Zuführleitung mit mindestens einem Speicherbehälter zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes verbunden. Natürlich ist zusätzlich auch eine Direktverbindung zwischen dem Ausgang des Reaktionsbehälters und dem Heizkraftwerk und/oder der Wärmekraftmaschine möglich.
  • Das Kraftheizwerk kann ein Blockheizkraftwerk sein. Die Brennstoffzelle stellt eine besondere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine dar.
  • Zudem beansprucht die Erfindung die Verwendung eines Verfahrens zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 1 bis 13 sowie die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24 zur zeitweiligen Speicherung von Energie, die aus regenerativen Energiequellen stammt, wobei die Energie in Form von speicherbaren, energetisch oder stofflich nutzbaren Verbindungen gespeichert wird.
  • Anschließend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt:
  • 1: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz, mit der die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen 1 bei Senkung des Partialdrucks in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführbar ist. Die Vorrichtung weist einen Vorratsbehälter 7 für eine gasförmige Reinsubstanz und einen Reaktionsbehälter 3 mit einem Reaktionsraum 2. Auf. Der Vorratsbehälter 7 und der Reaktionsbehälter 3 sind über eine Leitung 8 zum Einspeisen der gasförmigen Reinsubstanz in den Reaktionsraum 2 des Reaktionsbehälters 3 verbunden. Der Reaktionsbehälter 3 ist mit Mittel 9 zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums 2, in Form eines im Reaktionsraum 2 geführten Kolbens, und mit einem Mittel 10 zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum 2, einer Vakuumpumpe, ausgestattet. Die Vakuumpumpe wird gleichzeitig als Pumpe 12 zur Entnahme der Dissoziationsprodukte und/oder der Folgeprodukte verwendet.
  • Am Reaktionsbehälter 3 ist ein Temperierelement 11 zur Temperierung des Reaktionsraums 2 eingerichtet. Das Temperierelement 11 zum Heizen des Reaktionsraums 2 wird mit Wärmeenergie, gewonnen aus regenerativen Energiequellen 1, gespeist. Dem Reaktionsraum 2 ist unter Zwischenschaltung einer Kühlkammer 15 ein Speicherbehälter 4 zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes nachgeschaltet.
  • Im Reaktionsraum 2 sind ein Temperatursensor 13 und ein Drucksensor 14 eingerichtet, die mit einer Steureinheit 16 verbunden sind. Die Steuereinheit 16 steuert und regelt die Betriebszustände des Mittels 10 zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum 2, des Mittels 9 zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums 2 und des Temperierelements 11, wobei die von der Steuereinheit 16 generierten Steuersignale aus den Messdaten des Temperatursensors 13 und des Drucksensors 14 errechnet und erzeugt werden.
  • Am Reaktionsbehälter 3 ist ein Vorratsbehälter 17 für ein Reaktionsgas eingerichtet, wobei der Vorratsbehälter 17 und der Reaktionsbehälter 3 über eine Leitung 18 zum Einspeisen des Reaktionsgases in den Reaktionsraum 2 des Reaktionsbehälters 3 verbunden sind.
  • Die Vorrichtung verfügt über ein Kraftheizwerk 6, das über eine Zuführleitung 19 mit dem Speicherbehälter 4 zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes verbunden ist.
  • Dem Kraftheizwerk 18 ist eine Aufbereitungsanlage 20 für die Verbrennungsgase nachgeschaltet. Ein oder mehrere Gaskomponenten des durch die energetische Nutzung der energetisch nutzbaren Verbindung in einem Kraftheizwerk 6 gebildeten Verbrennungsgases wird nach der chemischen/physikalischen Aufbereitung in der Aufbereitungsanlage 20 wieder der thermischen Dissoziation zugeführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    regenerative Energiequelle
    2
    Reaktionsraum
    3
    Reaktionsbehälter
    4
    Speicherbehälter
    5
    Wärmeenergiequelle
    6
    Kraftheizwerk
    7
    Vorratsbehälter für gasförmige Reinsubstanz
    8
    Leitung
    9
    Mittel zum Expandieren des Reaktionsraums
    10
    Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum
    11
    Temperierelement
    12
    Pumpe
    13
    Temperatursensor
    14
    Drucksensor
    15
    Kühlkammer
    16
    Steuereinheit
    17
    Vorratsbehälter für Reaktionsgas
    18
    Leitung
    19
    Leitung
    20
    Aufbereitungsanlage
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 6066187 A [0010]

Claims (26)

  1. Verfahren zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz, wobei die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen (1) in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführt wird, wobei die Energie Wärmeenergie und/oder Strahlungsenergie und/oder Ionisierungsenergie ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsraum (2) eines Reaktionsbehälters (3) mit einer gasförmigen Reinsubstanz gefüllt und zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälters (3) der Reaktionsraum (2) expandiert wird und/oder zur Verringerung des Partialdruckes der gasförmigen Reinsubstanz im Reaktionsraum (2) ein Teilvolumen der gasförmigen Reinsubstanz aus dem Reaktionsraum (2) abgesaugt wird, wobei, gleichzeitig oder zeitlich versetzt dazu, eine für die thermische Dissoziation der gasförmigen Reinsubstanz ausreichende Energiemenge einer Energie gewonnen aus regenerativen Energiequellen (1) in den Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälter (3) eingebracht wird, wobei nach Abschluss der thermischen Dissoziation oder der Folgereaktion die Dissoziationsprodukte und/oder Folgeprodukte auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der nahezu keine Rückreaktion stattfindet und wobei mindestens ein Dissoziationsprodukt oder mindestens ein Folgeprodukt einem Speicherbehälter (4) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerativen Energiequellen (1) Solarenergie und/oder Windenergie und/oder Wasserkraft und/oder Geothermie und/oder Bioenergie und/oder Radioaktivität atomaren Abfalls ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Dissoziation unter Verwendung der Plasmatechnologie erfolgt, insbesondere unter Verwendung der Niederdruckplasmatechnologie.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Reinsubstanz Kohlendioxid oder Wasserdampf ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Reinsubstanz Kohlendioxid ist und dieses in die Dissoziationsprodukte „Kohlenmonoxid und Sauerstoff” und/oder in die Dissoziationsprodukte „Kohlenstoff und Sauerstoff” gespalten wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmigen Reinsubstanz ein Reaktionsgas beigemengt ist, mit welchem die Dissoziationsprodukte der gasförmige Reinsubstanz reagieren und hierdurch in speicherbare Folgeprodukte überführt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas ein Gas ausgewählt aus der Gruppe Stickstoff oder Kohlendioxid ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas Stickstoff ist und dieser durch eine Reaktion mit dem Dissoziationsprodukt „Sauerstoff” aus der thermischen Dissoziation von Kohlendioxid in Stickoxide, insbesondere Stickstoffdioxid und/oder Distickstofftrioxid, überführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Reaktionsraum (2) niedriger als die Temperatur einer Wärmeenergiequelle (5) gehalten wird, indem auf eine thermisch induzierte Volumenarbeit der gasförmige Reinsubstanz und/oder der Dissoziationsprodukte und/oder der Folgeprodukte eine Expansion oder Kompression des Reaktionsraums (2) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dissoziationsprodukt und/oder Folgeprodukt eine energetisch und/oder stofflich nutzbare Verbindung, vorzugsweise ein energetisch und/oder stofflich nutzbares Gas, ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dissoziationsprodukt und/oder das Folgeprodukt eine Verbindung oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe „Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid, Methan, höherwertige Alkane, höherwertige Alkene, höherwertige Alkine, Methanol, höherwertige Alkohole” ist bzw. sind.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die energetisch nutzbare Verbindung, insbesondere das energetisch nutzbare Gas, durch Verbrennung in einem Kraftheizwerk (6), vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk, und/oder mittels einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Brennstoffzelle, in thermische und/oder elektrische Energie überführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Gaskomponenten des durch die energetische Nutzung der energetisch nutzbaren Verbindung in einem Kraftheizwerk (6) und/oder in einer Wärmekraftmaschine gebildeten Verbrennungsgases direkt oder nach chemischer Aufbereitung der thermischen Dissoziation zugeführt werden.
  14. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz, mit der die gasförmige Reinsubstanz mittels Eintrag von Energie aus regenerativen Energiequellen (1) in speicherbare Dissoziationsprodukte und/oder in speicherbare Folgeprodukte, die in einer der thermischen Dissoziation des Gases nachfolgenden chemischen Folgereaktion gebildet werden, überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über mindestens einen Vorratsbehälter (7) für eine gasförmige Reinsubstanz und einen Reaktionsbehälter (3) mit einem Reaktionsraum (2) aufweist, wobei der Vorratsbehälter (7) und der Reaktionsbehälter (3) über eine Leitung (8) zum Einspeisen der gasförmigen Reinsubstanz in den Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälters (3) verbunden sind, wobei der Reaktionsbehälter (3) über Mittel (9) zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums (2) und/oder über eine Mittel (10) zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum (2) verfügt, wobei der Reaktionsbehälter (3) mit mindestens einem Temperierelement (11) zur Temperierung des Reaktionsraums (2) ausgestattet ist, wobei mindestens ein Temperierelement (11) zum Heizen des Reaktionsraums (2) mit Wärmeenergie, gewonnen aus regenerativen Energiequellen (1), speisbar ist, wobei ausgangsseitig am Reaktionsraum (2) eine Pumpe (12) zur Entnahme der Dissoziationsprodukte und/oder der Folgeprodukte eingerichtet ist, wobei dem Reaktionsraum (2) mindestens ein Speicherbehälter (4) zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes nachgeschaltet ist.
  15. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperierelement (11) zum Heizen des Reaktionsraums (2) ein Sonnenkollektor und/oder ein mit aus regenerativen Energiequellen (1) erzeugtem elektrischen Strom speisbares Heizmittel, vorzugsweise eine Heizpatrone, ist bzw. sind.
  16. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsraum (2) mindestens ein Temperatursensor (13) und/oder mindestens ein Drucksensor (14) eingerichtet ist bzw. sind.
  17. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Reaktionsraum (2) und Speicherbehälter (4) eine Kühlkammer (15) eingerichtet ist.
  18. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums (2) ein im Reaktionsraum (2) geführter Kolben ist.
  19. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (10) zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum (2) eine Pumpe (12), vorzugsweise eine Niederdruckpumpe oder eine Vakuumpumpe ist.
  20. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass am Reaktionsbehälter (3) eine Wärmepumpe eingerichtet ist.
  21. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (16) zur Steuerung und Regelung des Reaktionsdrucks und/oder der Reaktionstemperatur eingerichtet ist.
  22. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuereinheit (16) zur Steuerung und Regelung des Reaktionsdrucks und/oder der Reaktionstemperatur im Reaktionsraum (2) das Mittel (10) zu Erzeugung eines Unterdrucks im Reaktionsraum (2) und/oder das Mittel (9) zum Expandieren und/oder Komprimieren des Reaktionsraums (2) und/oder das mindestens eine Temperierelement (11) ansteuerbar ist bzw. sind, wobei die von der Steuereinheit (16) generierten Steuersignale aus den Messdaten des Temperatursensors (13) und/oder des Drucksensors (14) errechenbar und erzeugbar sind.
  23. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass am Reaktionsbehälter (3) mindestens ein weiterer Vorratsbehälter (17) für ein Reaktionsgas eingerichtet ist, wobei der weitere Vorratsbehälter (17) und der Reaktionsbehälter (3) über eine Leitung (18) zum Einspeisen des Reaktionsgases in den Reaktionsraum (2) des Reaktionsbehälters (3) verbunden sind.
  24. Vorrichtung zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem Kraftheizwerk (6) und/oder einer Wärmekraftmaschine ausgestattet ist, wobei das Kraftheizwerk (6) und/oder die Wärmekraftmaschine über eine Zuführleitung (19) mit mindestens einem Speicherbehälter (4) zur Speicherung mindestens eines Dissoziationsproduktes und/oder Folgeproduktes verbunden ist.
  25. Verwendung eines Verfahrens zur thermischen Dissoziation einer gasförmigen Reinsubstanz nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur zeitweiligen Speicherung von Energie, die aus regenerativen Energiequellen (1) stammt, wobei die Energie in Form von speicherbaren, energetisch oder stofflich nutzbaren Verbindungen gespeichert wird.
  26. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24 zur zeitweiligen Speicherung von Energie, die aus regenerativen Energiequellen (1) stammt, wobei die Energie in Form von speicherbaren, energetisch oder stofflich nutzbaren Verbindungen gespeichert wird.
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