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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiespeicherung in Gebäuden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Energieversorgung nach Anspruch 7. Geräte zur autonomen Bereitstellung von Energie werden häufig Stromerzeugungsaggregat oder Notstromaggregat genannt. Es handelt sich um Einrichtungen, die aus vorhandenen Ressourcen elektrischen Strom erzeugen, um insbesondere von Stromnetzen unabhängig zu sein. Solche mobilen oder stationären Geräte können überall dort Anwendung finden, wo ein öffentliches Stromnetz fehlt („Stromgenerator”) oder der Ausfall des Stromnetzes gravierende Folgen nach sich ziehen würde – wie z. B. in Krankenhäusern, chemischen Anlagen, Computerzentralen und nicht zuletzt in Kernkraftwerken. Ein Antriebsaggregat, meistens eine Verbrennungskraftmaschine (z. B. Diesel- oder Benzinmotor) und ein Generator zur Stromerzeugung bilden hierbei eine Einheit. Die heute bekannte Notstromaggregate brauchen eine kontinuierliche Versorgung an Diesel oder Benzin. Diese sind gerade in Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur schwer zu erhalten, und wenn, dann zu hohen Preisen. Verbrennungsmaschinen, die alternativ Wasserstoff als Energiequelle nutzen, sind bekannt. So haben die bayerischen Motorenwerke über Jahre eine Flotte von Personenkraftwagen mit Wasserstoff betrieben und Busse sind noch heute im Einsatz. Somit kann die Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmaschinen als Standard bezeichnet werden. Die Verwendung von Brennstoffzellen zur Gewinnung von elektrischem Strom aus Wasserstoff durch Oxidation von Sauerstoff ist ebenfalls weitgehend bekannt und findet in den verschiedensten Bereichen Anwendung.
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Ein wesentlicher und kritischer Aspekt bei der Verwendung von Wasserstoff zur autonomen Bereitstellung von Energie ist die Herstellung sowie die Lagerung bzw. Speicherung von Wasserstoff, der zudem in Gegenwart von Sauerstoff extrem explosiv ist. Die Herstellung von Wasserstoff wird heute in chemischen Anlagen weitgehend über Methan realisiert. Diese Variante der Herstellung verbietet sich in Notfällen oder ist in Orten mit geringer Infrastruktur. Bisher sind eine Reihe von Wasserstoffspeicherverfahren untersucht worden: adsorptiv, absorptiv, als Flüssigkeit, als hochverdichtetes Gas. Der Nachteil aller Verfahren ist deren niedrige Energiedichte pro Volumen und die zum Teil hohen Kosten des Trägers. Die bisher gängigen Verfahren der Lagerung von Wasserstoff als Flüssigkeit und unter Druck repräsentieren technische Lösungen, die so bisher- insbesondere aufgrund des hohen technischen Aufwandes und den damit verbundenen relativ hohen Kosten- nicht im öffentlich zugänglichen Bereich und schon gar nicht bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur realisieren lassen. Es ist daher wünschenswert, eine Technologie für die Energieversorgung in Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur bereitzustellen, wobei die Energiequelle vor Ort direkt aus regenerativen Energien hergestellt werden kann.
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Alternative Speicherungsformen für Wasserstoff, die sich in Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur angewendet werden können, sind bekannt. So werden in der
EP 1475349 A1 verschiedene aromatische Verbindungen, insbesondere kondensierte polycyclische Kohlenwasserstoffe beschrieben, die zur Verwendung als Wasserstoffspeicher einsetzbar sind. Die beschriebenen Substanzen werden hier insbesondere in mobilen Systemen eingesetzt. Ein Verfahren und eine Anordnung zur energetischen Versorgung von einzelstehenden Gebäuden ist in der Anmeldung
DE 10 2011 111 565.3 beschrieben. Dort ist die Grundlage der Wirkungsweise von kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffen, die über ein ausgedehntes π-konjugiertes Elektronensystem verfügen, deren Eigenschaft, bei moderaten Temperaturen in Gegenwart eines geeigneten Katalysators einer Hydrierungsreaktion zu untergehen. Dabei wird Wasserstoff unter Sättigung der ungesättigten Doppelbindungen in die Substanz eingebaut (hydriert). Der mittels Hydrierung eingebaute Wasserstoff kann im Folgenden in der Rückreaktion lediglich durch Temperaturerhöhung und/oder Reduzierung des Wasserstoffdruckes wieder aus dem hydrierten Produkt unter Regenerierung der aromatischen Substanz gewonnen werden. Beispielhaft sei hier auf die Hydrierung/Dehydrierung von N-Ethylcarbazol (NEC) hingewiesen. Dabei wird N-Ethylcarbazol (NEC) als Edukt zur Perhydro-Form (H12-NEC) gemäß dem folgenden Reaktionsschema umgesetzt.
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Die im Patent
DE 10 2011 111 565.3 beschriebenen Stoffe zur chemischen Speicherung von Wasserstoff sollen auch in dieser Anmeldung genutzt werden.
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Die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrischen Strom ist eine zurzeit häufig diskutierte Option. Dabei wird Gleichstrom in eine Elektrolysezelle geleitet, in der leitfähiges Wasser enthalten ist. An einer Elektrode steigt Sauerstoff, an der anderen Wasserstoff auf. Das hier beschriebene Verfahren kann den Sauerstoff in Brennstoffzellen zusammen mit dem Wasserstoff nutzen, in einer anderen Variante nur den Wasserstoff. Einige Vorschläge bzw. Modelle für die Kopplung der Elektrizität mit der Erzeugung von Wasserstoff sind bekannt. Sehr häufig wird die Elektrolyse vorteilhaft in basischem Millieu betrieben. Dagegen wird in der
EP 718 904 A1 ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem es sich um ein komplettes, geschlossenes Ensemble handelt, und eine PEM-Brennstoffzelle und einen PEM-Elektrolyseur miteinander vereint. Damit wird die Forderung nach einem einfachen und kostengünstigen System erfüllt. Die Stromversorgung dieses Systems erfolgt aus regenerativ hergestellter Elektrizität. Der Aufbau des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems ermöglicht eine lange Lebensdauer und ist für einen kontinuierlichen 24-Stunden-Betrieb ausgelegt. Ziel ist eine möglichst einfache Bedienung und Wartungsfreiheit. Eine intelligente Steuerung regelt vollautomatisch den sofortigen Betriebsmoduswechsel von Wasserstoff-Produktion auf Stromproduktion. Dabei wird immer die Kennlinie der externen Energiequelle und der PEM-Brennstoffzelle/des PEM-Elektrolyseurs berücksichtigt.
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Regenerativ hergestellte Elektrizität stammt aus Quellen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quelle beiträgt. Es sind nachhaltig zur Verfügung stehende Energieressourcen, zu denen insbesondere Wasserkraft, Windenergie, solare Strahlung (Sonnenenergie), Erdwärme (Geothermie) und die durch Gezeiten erzeugte Energie zählen. Eine weitere Quelle erneuerbarer Energien ist das energetische Potenzial (Biogas, Bioethanol, Holz u. a.) der aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Biomasse. Die zur Gewinnung notwendigen Maschinen und Apparate sind ebenfalls bekannt: Wasserturbinen, Windanlagen, Photovoltaik, Solarthermie, Verbrennungsmaschinen und Turbinen, deren Brennstoff aus Biomasse stammt. Die in dieser Anmeldung nutzbaren Quellen sollen solche sein, die in Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur verfügbar sind. Welche Quelle das im speziellen ist, hängt vom Notfall bzw. vom Ort ab. Beispielsweise lässt sich an Orten nahe des Äquators die Sonnenenergie mit Photovoltaik oder Solarthermie vorteilhaft nutzen, an Standorten auf Bergen oder an der Küste sind Windräder vorzuziehen. In Notfällen oder nach Katastrophen sind ebenfalls Photovoltaik und Windräder vorzuziehen.
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Die Aufgabe, die Bereitstellung elektrischer Energie bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur, ohne dass der Brennstoff an den Ort der Bereitstellung transportiert werden muss, wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Demnach umfasst die Anordnung zur Bereitstellung elektrischer Energie bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur,
- – mindestens eine Quelle für regenerativ hergestellte Elektrizität, die mit entsprechenden Maschinen oder Anordnungen, darunter Wasserturbinen, Windanlagen, Photovoltaik, Solarthermie, Verbrennungsmaschinen und Turbinen, in Elektrizität gewandelt werden können. Bevorzugt sind wegen ihrer einfachen Handhabbarkeit Windanlagen und Photovoltaik.
- – mindestens einen Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung der regenerativ hergestellten Elektrizität
- – mindestens einen ersten chemischen Reaktor zur mindestens teilweisen Hydrierung von mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten π-konjugierten System unter Verwendung des in dem Elektrolyseur gebildeten Wasserstoffs,
- – mindestens einen Speichertank zur Speicherung des im ersten chemischen Reaktor zumindest teilweise hydrierten energiearmen Substrates,
- – mindestens einen zweiten chemischen Reaktor zur mindestens teilweisen Dehydrierung des in dem ersten chemischen Reaktor hergestellten und im Speichertank gespeicherten zumindest teilweise hydrierten Substrates unter Freisetzung von Wasserstoff, und
- – mindestens eine Anordnung zur Wandlung von Wasserstoff in elektrische Energie, sei es eine Brennstoffzelle zur Oxidation des in dem zweiten chemischen Reaktor freigesetzten Wasserstoffs oder ein Verbrennungsmotor mit angeschlossenem Generator oder eine Wasserstoffturbine mit angeschlossenem Generator für elektrische Energie.
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Es werden somit folgende Funktionselemente für die die Bereitstellung elektrischer Energie bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur miteinander gekoppelt bzw. kombiniert:
- – Pufferung regenerativ erzeugter Energie vor Ort, um einen 24-Stunden Betrieb zur gewährleisten
- – Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse,
- – effizienter, sicherer und kostengünstiger vor-Ort Wasserstoffspeicher für die verlustfreie mittelfristige Speicherung ohne Antransport des Energieträgers
- – Brennstoffzelle, Verbrennungsmotor mit Generator oder Gasturbine mit Generator zur Rückverstromung des Wasserstoffes
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Eine Erzeugung von Niederdruck-Wasserstoff in konventionellen Elektrolyseuren und sofortige Umwandlung des Wasserstoffs via Hydrierung von geeigneten Verbindungen ist eine hoch interessante und relevante Alternative, die die Schwierigkeiten der Wasserstoffspeicherung umgehen, aber nach wie vor die Kopplung an regenerative Energiequellen erlauben. Durch die Rückwandlung des Wasserstoffs in Elektrizität lässt sich eine geschlossene autarke Energieversorgung darstellen.
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Die vorliegende Anordnung ermöglicht somit die 24-Stunden Versorgung von elektrischer Energie bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur.
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Mittels der vorliegenden Anordnung wird ein energiearmes Substrat in seine energiereiche Form überführt, in dem z. B. aus Sonnenlicht mittels Photovoltaik, aber auch aus anderen geeigneten erneuerbaren Energiequellen, elektrische Energie erzeugt wird, die wiederum zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff unter Aufspaltung von Wasser verwendet wird. Der gebildete Wasserstoff wird dann zur Hydrierung der energiearmen Form des verwendeten Kohlenwasserstoffs zur energiereichen Form eingesetzt. Besonders geeignete energiearme Substrate sind die in der Anmeldung 10 2011 111565.3 und 10 2011 121704.9 genannten. Die Hydrierung ist exotherm und die während der Hydrierung entstandene Wärme kann in einem Heizsystem z. B. im Haus genutzt werden. In Zeiten fehlender Sonneneinstrahlung wird die energiereiche Form des Kohlenwasserstoffs in die energiearme Form unter Wasserstoffproduktion zurückverwandelt, der in einer Brennstoffzelle elektrische Energie und Wärme erzeugt.
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Der Vorteil der vorliegenden Anordnung und des im Weiteren beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die 24-Stunden Versorgung von elektrischer Energie bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur durch erneuerbare Energie wie z. B. Photovoltaik aber auch Windenergie ohne Antransport des Energieträgers möglich ist. Mit anderen Worten, die Elektrizitätsversorgung bei Notfällen oder in Orten mit geringer Infrastruktur ist unabhängig von weiteren Energiequellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der für die Energieerzeugung wesentliche Faktor Wasserstoff im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren und Modellen nicht in großen Mengen vorhanden sein muss, sondern in einer chemischen Substanz sicher und drucklos in einer vorhandenen Infrastruktur wie z. B. in den Tanks einer Ölheizung zeitlich unlimitiert gespeichert werden kann. Die Nutzung vorhandener Infrastruktur reduziert die Kosten des Systems. Tanks, die bisher beispielhaft für Diesel oder Heizöl benutzt wurden, sind weltweit verfügbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Elektrolyseur über den ersten chemischen Reaktor, den Speichertank, den zweiten chemischen Reaktor und einer Anordnung zur Wandlung von Wasserstoff in Elektrizität verbunden. Somit bilden die einzelnen Komponenten bzw. Bestandteile der vorliegenden Anordnung ein in sich verbundenes System zur Energieerzeugung und -speicherung. Die einzelnen Apparate und Reaktoren der vorliegenden Anordnung sind mit geeigneten Verbindungsleitungen zur Überführung von Wasserstoff sowie der energiearmen bzw. energiereichen Form des aromatischen Kohlenwasserstoffes verbunden. Die Leitungen für den Wasserstofftransport sind bevorzugt aus gasdichten und druckfesten Materialien hergestellt.
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Es ist von Vorteil, wenn das energiearme Substrat mit einem ausgedehnten π-konjugierten System in dem ersten chemischen Reaktor bei einer Temperatur zwischen 50 und 180°C, bevorzugt 80 und 150°C und einem Druck zwischen 2 und 200 bar, bevorzugt 10 bis 100 bar in Gegenwart eines geeigneten Edelmetallkatalysators zumindest teilweise hydriert wird. Besonders geeignete Katalysatoren für die Hydrierung des energiearmen Substrats enthalten das Element Ruthenium.
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In einer weiteren Ausführungsform wird als Anordnung zur Wandlung von Wasserstoff in elektrische Energie eine Brennstoffzelle eine Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen können nicht nur in ihrer eigentlichen Funktion zur Wasserstoffoxidation verwendet werden, wobei der für die Wasserstoffoxidation benötigte Sauerstoff aus der Luft bezogen wird, sondern können in umgekehrter Funktion ebenfalls als Elektrolyseur betrieben werden, wobei das für die Elektrolyse benötigte Wasser allein aus der Luftfeuchte bezogen wird. Hierbei ist es aber auch möglich, dass das benötigte Wasser aus der Brennstoffzelle recycelt wird oder einem Tank entnommen wird. Somit wird der mindestens eine Elektrolyseur bevorzugt als eine umgekehrt betriebene Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) betrieben.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn in dem mindestens einen Elektrolyseur mindestens ein wasserspeicherndes Medium angeordnet ist.
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Der bevorzugt zum Einsatz kommende Speichertank für die Zwischenspeicherung der energiereichen und ggf. energiearmen Form des verwendeten Substrats weist die Konfiguration und Aufbau von üblicherweise zum Einsatz kommenden konventionellen Heizöltanks auf.
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Die vorliegende Anordnung ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens zur Energieversorgung von Gebäuden unter Verwendung der obigen Anordnung mit den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen eines elektrischen Stroms aus einer regenerativen Quelle
- – Herstellen von Wasserstoff aus Wasser in mindestens einem Elektrolyseur unter Verwendung des elektrischen Stroms aus der mindestens einen erneuerbaren Energiequelle und ggf. Nutzung der dabei entstehenden Wärme z. B. zur Bereitung von Warmwasser,
- – Überführen des gebildeten Wasserstoffes aus dem mindestens einen Elektrolyseur in einen ersten chemischen Reaktor enthaltend mindestens ein Substrat mit einem ausgedehnten π-konjugierten System und mindestens teilweise Hydrierung des Substrates, und ggf. Nutzung der anfallenden Wärme
- – Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem ersten chemischen Reaktor in mindestens einen Speichertank und ggf. Speicherung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem Speichertank,
- – Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem Speichertank in mindestens einen zweiten chemischen Reaktor und Dehydrierung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem zweiten chemischen Reaktor unter Freisetzung von Wasserstoff, und
- – Überführen des Wasserstoffs aus dem zweiten chemischen Reaktor in mindestens eine Anlage oder Maschine zur Wandlung des Wasserstoffs in elektrische Energie
- – Abgabe des elektrischen Stroms an den Ort des Bedarfs
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Der Ort des Bedarfs kann bei Notfällen ein Krankenhaus mit zerstörtem Anschluss ans öffentliche Stromnetz oder ein transportables Krankenhaus zum Einsatz in Katastrophengebieten sein. In einer Variante der Anordnung können photovoltaische Zellen auf oder neben das Krankenhaus gestellt werden. Scheint die Sonne, wird das Krankenhaus direkt versorgt, gibt es keinen Sonnenschein oder ist es Nacht, kommt das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren zum Zuge. Orte mit nicht ausreichender Infrastruktur sind an vielen Orten der Welt vorzufinden, beispielhaft in Süd-Amerika oder in Afrika. Diese Orte sind nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen, da beispielsweise dieser Anschluss aufgrund einer geringen Besiedlungsdichte nicht lohnt. An anderen Orten zerstören Terroristen gerne die Elemente des elektrischen Netzes. Allen Anwendungen gemeinsam ist es vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Notstromaggregaten, dass der Brennstoff nicht antransportiert werden muss. Das ist in Gebieten weit wenig von Infrastruktur teuer und nicht dauerhaft darstellbar, bei Notfällen wird auch der Antransport schwer bis unmöglich sein.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die bei der zumindest teilweisen Hydrierung des mindestens einen Substrates mit einem ausgedehnten π-konjugierten System im ersten chemischen Reaktor entstehende Wärme in ein Heizsystem eines Gebäudes eingeschleust wird. Aufgrund der hohen Temperatur kann diese Wärme beispielhaft zur Sterilisierung genutzt werden, wenn ein Krankenhaus versorgt wird. Das zumindest teilweise hydrierte Substrat mit einem ausgedehnten π-konjugierten System wird im zweiten chemischen Reaktor unter Wärmezufuhr dehydriert. Die für die Dehydrierung notwendige Wärme stammt bevorzugt aus einem Wärmespeicher, kann jedoch auch bei Bedarf aus einer weiteren, externen Quelle wie z. B. direkte Sonneneinstrahlung oder durch Verbrennen von Wasserstoff zugeführt werden. Anschließend wird das im zweiten chemischen Reaktor dehydrierte Substrat aus dem zweiten chemischen Reaktor über den Speichertank in den Elektrolyseur rückgeführt. Es erfolgt also ein vollständiges Recycling der verwendeten Substanzen. Da das verwendete Substrat nicht verbraucht wird, können sehr lange Gebrauchszeiten bzw. eine große Anzahl von Recycling-Zyklen angestrebt werden.
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Wird als Anlage zur Wandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom eine Brennstoffzelle genutzt, ist es von Vorteil, wenn das in der Brennstoffzelle während der Wasserstoffoxidation gebildete Wasser in den Elektrolyseur überführt wird. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass das in der Brennstoffzelle gebildete Wasser lediglich teilweise recycelt wird.
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Der für die Wasserstoffoxidation in einer Brennstoffzelle benötigte Sauerstoff wird bevorzugt von außen, d. h. außerhalb des Gebäudes, in die Brennstoffzelle in Form von Luft oder reinem Sauerstoff zugeführt. Somit ist die Installation von sauerstofferzeugenden Geräten nicht notwendig. Es ist aber auch denkbar, den im Elektrolyseur während der Wasserhydrolyse gebildeten Sauerstoff unmittelbar in die Brennstoffzelle einzuleiten.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung für die Beladung des energiearmen Subtrats
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung für die Entladung des energiereichen Subtrats
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt, wenn der chemische Speicher aufgeladen wird, indem das energiearme Substrat aus seinem Vorratstank 4 im ersten chemischen Reaktor 3 hydriert und im Tank für des energiereiche Substrat 6 gespeichert wird. Eine Vollhydrierung ist möglich aber nicht notwendig. Der Wasserstoff stammt aus einer Elektrolyse 2, die unter Verwendung von regenerativer Elektrizität 1, Wasserstoff aus Wasser 9 herstellt. Die Elektrolyse verläuft exotherm und die während der Elektrolyse entstandene Wärme kann in einem Gebäude sofort z. B. für die Warmwasserversorgung oder Heizung verwendet werden. Insofern ist der Wirkungsgrad der verwendeten Elektrolysezellen nicht entscheidend. Die Hydrierung ist ebenfalls exotherm und die Wärme steht bei Temperaturen > 100°C zur Verfügung. Diese kann zur Sterilisierung, zur Warmwasserbereitung oder zur Gebäudeheizung bzw. Gebäudekühlung mittels einer Absorptionskältemaschine genutzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der zu versorgende Ort ein Krankenhaus oder ein Speicher für Lebensmittel ist. Der erzeugte Wasserstoff wird sofort ohne Zwischenspeicherung zur Hydrierung des energiearmen Substrats, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform von N-Ethylcarbazol bzw. seinem teilhydrierten energiereichen Pendants, benutzt.
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Die 2 ist die bevorzugte Ausführungsform für den Fall, dass die Anlage elektrischen Strom liefert. Bei der Energieentnahme wird der (teil)-hydrierte Inhalt des Speichertankes 6 durch einen endotherm arbeitenden Dehydrierreaktor 5 geführt und dabei Wasserstoff freigesetzt. Dieser wird geeignet, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einer Brennstoffzelle, im Apparat oder in der Maschine 7 in Elektrizität 8, Wasser und Wärme gewandelt. Das Wasser steht ggf. zur Elektrolyse bereit, die Wärme dient zur wenigstens teilweisen Heizung des Dehydrierreaktors 5 und zur Wärmeversorgung des Gebäudes. Ist kein Wärmebedarf vorhanden, kann in einer Variante des Verfahrens ein thermischer Speicher aufgeladen werden (nicht in 2 gezeigt). Der externe Anschluss 8 ermöglicht die Einspeisung von Elektrizität in die Einrichtung, die durch die Anordnung nach Anspruch 1 mit Elektrizität versorgt werden soll.
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Ausführungsbeispiel 1
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Die Grundlage bildet ein mobiles Krankenhaus mit einem mittleren Energiebedarf von 20 kW in Afrika. Das mobile Krankenhaus soll mit der beschriebenen Ausführungsform über 24 Stunden ununterbrochen mit elektrischem Strom versorgt werden, ohne Brennstoff anzutransportieren. Als Energiequelle sei Photovoltaik angenommen. In der Nacht soll der Bedarf z. B. durch fehlende Notwendigkeit der Kühlung auf 5 kW fallen. Das energiearme Substrat soll N-Ethylcarbazol sein. Die Ausbeute an elektrischem Strom über Photovoltaik wird im Mittel mit 200 W/qm für 12 h angenommen. Um den Bedarf von 20 kW tagsüber zu decken, sind daher 100 qm Photovoltaik nötig. Um auch nachts Elektrizität zur Verfügung zu haben, muss die Leistung von 5 kW elektrisch zusätzlich tagsüber gewonnen werden. Nimmt man den Wirkungsgrad für die in 1 und 2 gezeigten Verfahren mit insgesamt 33% an, müssen tagsüber weitere 15 kW durch die Photovoltaik aufgebracht werden. Mit einer Ausbeute von 200 W/qm sind weitere 75 qm Photovoltaik nötig, so dass sich die Fläche auf 175 qm addiert. Da das energiearme Substrat etwa 1,8 kWh pro kg an Energie aufnehmen kann, über 12 Stunden 12 × 15 kW = 180 kWh anfallen, muss mindestens 100 kg energiearmes Substrat im Vorratstank 4 vorhanden sein. Aus Gründen der Versorgungssicherheit wird sich diese Menge vervielfachen. In der Nacht wird der Speicher nach 2 entladen und 5 kW elektrische Leistung über 12 Stunden erzeugt, folglich 60 kWh. Der Rest der gespeicherten Energie von 120 kWh wurde während der Beladung und Entladung in Wärme gewandelt. In einer besonderen Ausführungsform wird ein thermischer Speicher benutzt.
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Ausführungsbeispiel 2
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Dieses Beispiel geht von identischen Voraussetzungen wie Ausführungsbeispiel 1 aus, unterscheidet sich aber dadurch, dass die Wärme zu 50% zur Kühlung des mobilen Krankenhauses genutzt wird. Nimmt man die Leistungszahl der Kältemaschine zu 0,65 an, was typisch für Ammoniak-Wasser Kältemaschinen ist, können von den 15 kW Wärmeerzeugung, von denen 2/3 während der Beladung anfallen, 10 kW × 0,65 = 6,5 kW zur Kühlung verwendet werden. Der Zusatzaufwand für elektrische Antriebe und Steuerung ist in dieser Überschlagsrechnung nicht enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1475349 A1 [0003]
- DE 102011111565 [0003, 0004]
- EP 718904 A1 [0005]
