DE102020006326A1 - Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher - Google Patents

Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher Download PDF

Info

Publication number
DE102020006326A1
DE102020006326A1 DE102020006326.8A DE102020006326A DE102020006326A1 DE 102020006326 A1 DE102020006326 A1 DE 102020006326A1 DE 102020006326 A DE102020006326 A DE 102020006326A DE 102020006326 A1 DE102020006326 A1 DE 102020006326A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat
electrolyser
gas
methanation
reactor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020006326.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Anmelder Gleich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE102020006326.8A priority Critical patent/DE102020006326A1/de
Priority to US18/032,082 priority patent/US20230392265A1/en
Priority to EP21794101.2A priority patent/EP4229229A1/de
Priority to CN202180070871.9A priority patent/CN116368264A/zh
Priority to PCT/EP2021/077520 priority patent/WO2022078834A1/de
Publication of DE102020006326A1 publication Critical patent/DE102020006326A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B1/042Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/02Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
    • C07C1/04Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C07C1/0405Apparatus
    • C07C1/041Reactors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/02Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
    • C07C1/12Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon dioxide with hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/23Carbon monoxide or syngas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/02Process control or regulation
    • C25B15/021Process control or regulation of heating or cooling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/081Supplying products to non-electrochemical reactors that are combined with the electrochemical cell, e.g. Sabatier reactor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Nutzung von synthetischen Gasen ist prinzipiell ein interessanter Ansatz zur Speicherung fluktuierender regenerativer Stromeinspeisung insbesondere auch zum Ausgleich saisonaler Schwankungen. Nachteilig ist allerdings der vergleichsweise niedrige exergetische Wirkungsgrad, der zu einem hohen Bedarf an regenerativer Stromeinspeisung und damit zu sehr hohen Investitionskosten führt. Die Erfindung betrifft eine modulare Reaktorkonfiguration zur Kombination von elektrochemischen und thermischen Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase und deren Verstromung in Brennstoffzellen bei Bedarf aus integrierten Speichern. Eine hohe Systemintegration bei der Wärmerückgewinnung ermöglicht hohe exergetische Wirkungsgrade und eine große Flexibilität hinsichtlich ihres Einsatzes insbesondere zur Nutzung von CO2in einer emissionsfreien Kreislaufwirtschaft von Industrie sowie Strom- und Wärmeversorgung, die neben der Energieversorgung auch Beiträge zu einer nachhaltigen Rohstoffversorgung leisten kann.

Description

  • Ohne eine zuverlässige Speichertechnologie werden sich weder die politischen Ziele der Bundesregierung noch der „Green Deal“ der EU praktisch umsetzen lassen können. In der gesamten belebten Natur sind die drei Elemente C, H und O Grundlage der Energiespeicherung. Deren vorliegenden Reaktionsprodukte Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) reichen idealerweise aus, um mit Hilfe der „Power-to-Gas“ Technologien synthetische Brennstoffe wie Wasserstoff (H2), sowie Kohlenwasserstoffe (CnHm) insbesondere Methan (CH4) und Ethen (C2H4) aus fluktuierendem regenerativen Strom zu erzeugen und als regenerative Speichersubstanz, aber auch als nachhaltigen Industrierohstoff zu nutzen. Dazu ist es aber zwingend, die Energieeffizienz bei der technischen Umsetzung zu erhöhen. Wie in (M. Thema, F. Bauer, M. Sterner: Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 112 (2019) p 775-787) gezeigt, liegt der Wirkungsgrad bei der H2 Elektrolyse im Mittel bei 77 % und bei 41% für die im Wesentlichen auf der Sabatier Reaktion beruhenden Methanisierung von H2 mit CO oder CO2. Da H2 eine wesentlicher Ausgangsstoff zur Umsetzung der Sabatierreaktion ist, sind alle oben angesprochenen Verfahren auch mit der effizienten Bereitstellung von H2 verknüpft.
  • Aufgabe der Erfindung ist mit Hilfe eines integrierten Gesamtkonzepts die oben genannten Wirkungsgrade für „Power-to-Gas“ Technologien deutlich zu verbessern, durch neue Schaltungen und ihre konstruktive Gestaltung die Investitionskosten zu minimieren und so zu einer nachhaltigen Systemintegration beizutragen, die trotz fluktuierender Einspeisung eine sichere und stabile Stromversorgung garantiert und zu einer nachhaltigen Ver- und Entsorgungswirtschaft durch CO2 Recycling beiträgt.
  • Problemanalyse, Lösungsansätze und Aufgabendefinition
  • Eine mit Hilfe der in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenerav.2011.03.020) angegebenen Methodik reversibler Prozessstrukturen durchgeführte eigene Untersuchung zeigte, dass im Wesentlichen zwei Effekte mit ihrer Auswirkung auf die weitere Prozessintegration zu diesen relativ niedrigen Wirkungsgraden führen. Dies sind der Wärmebedarf zur Verdampfung des zugeführten flüssigen H2O und die Abtrennung des bei der thermischen Methanisierung entstehenden O2 durch eine Oxidation mit dazu zusätzlich zu erzeugendem H2 und der nachfolgenden Kondensation des entstandenen H2O.
  • Bei der elektrolytischen H2 Erzeugung wird H2O in flüssige Zustand zugeführt und die notwendige Verdampfungswärme wird elektrisch erzeugt. Dies vermindert den theoretisch möglichen Wirkungsgrad der H2O Elektrolyse auf 83 % (Wolfgang Winkler, Ai Suzuki, Akira Miyamoto, Harumi Yokokawa, Mark C. Williams: Performance Envelope for Electrolyser Systems. ECS Trans. 2015 65(1): 253-262). Aus der Betrachtung der reversiblen Prozessführung der Stromspeicherung mit Hilfe von H2 gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) lassen sich die notwendigen Verbesserungsoptionen ableiten. Ausgangspunkt für die insgesamt hier betrachteten Elektrolyseverfahren sind dazu die Reaktionsgleichungen: H2O=H2+1/2O2 (1) und CO2=CO+ 1/2O2 (2)
  • Wobei letzte Gleichung hier nur für die Integration der Elektrolyseverfahren zur CH4 Erzeugung Bedeutung hat. Beide Prozesse sind thermodynamisch ähnlich, allerdings ist Gl. (2) zur Darstellung des Kohlenmonoxid (CO) hier nur für Prozesse in der Gasphase relevant und so ist zur Analyse der optimalen Systemintegration des Verdampfungsprozesses zunächst nur die reversible Prozessführung auf der Basis von Gl. (1) relevant.
  • 1 zeigt dazu das Prozessfließbild eines reversiblen H2 Stromspeicherprozesses, worin die für die Bilanzierung notwendigen thermodynamischen Größen zur leichteren Orientierung eingetragen sind. Mit diesem Ansatz wird der gesamte Produktzyklus des H2 von der Entnahme des H2O im flüssigen Zustand über dessen Verdampfung, die Gewinnung der gasförmigen Produkte H2 und O2 mittels Elektrolyse mit der zugeführten elektrische Arbeit, der Speicherung der Produkte, der folgenden Umsetzung in der Brennstoffzelle mit der Abgabe der erzeugten elektrischen Arbeit und Kondensation des gasförmigen Reaktionsprodukts H2O bis hin zur Ausschleusung des flüssigen H2O betrachtet. Da Reversibilität aller Prozesse vorausgesetzt wird, können auftretende Verluste nur durch fehlerhafte Systemstrukturen verursacht werden, die so leicht identifizierbar sind. Es ist dann Aufgabe der technischen Umsetzung dieser theoretischen Strukturen mit technisch-wirtschaftlich sinnvollen Lösungen möglichst nahe zu kommen. Dabei bleibt deren Einfluss auf die Systemeffizienz aber stets unmittelbar durch Vergleich mit der Ideallösung erkennbar.
  • Die Hauptkomponenten dieses isothermen Systems sind der Elektrolyseur (1) und die Brennstoffzelle (2), die über die beiden Gasspeicher (3a) und (4a) und die zugehörigen Leitungen (3) und (4) miteinander verbunden sind und mit Temperaturen T oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur betrieben werden. Das Leitungssystem (3) enthält H2 bei einem H+ leitenden Elektrolyten und O2 bei einem O2- leitenden Elektrolyten und dementsprechend ist das Leitungssystem (4) mit O2 bei H+ leitenden Elektrolyten und mit H2 bei O2" leitenden Elektrolyten befüllt. Für die thermodynamische Betrachtung ist dies aber irrelevant, solange H2 und O2 in den Systemen 3 und 4 voneinander getrennt bleiben. Die in den Gasspeichern (3a) und (4a) getrennt gelagerte Gase H2 und O2 werden bei Bedarf (Strommangel) der Brennstoffzelle (2) zugeführt und dort wieder zu H2O umgesetzt und die freie Reaktionsenthalpie -ΔRG wird als reversible Arbeit nach außen abgegeben (hier und in der Folge sind die sich ergebenden Vorzeichen zum besseren Verständnis vorangestellt und die Größen ΔRG, ΔRS und Δsv sind dann konsequenter Weise als Absolutbeträge zu verstehen). H2O wird im Kondensator (5) kondensiert und dem H2O Behälter (6) zugeführt und die Kondensationswärme -T .ΔSv an den Wärmespeicher (7) abgegeben, wobei ΔSv für die Entropieänderung zufolge der Phasenänderung steht. Parallel dazu muss die zufolge der Reaktionsentropie ΔRS entstehende reversible Abwärme -T .ΔRS von der Brennstoffzelle (2) dem Wärmespeicher (8) zugeführt werden. Das bei Stromüberschuss aus dem H2O Behälter (6) entnommene flüssige H2O wird dem Verdampfer (9) zugeführt und dort mittels der Zufuhr der benötigten Verdampfungswärme +T .ΔSv aus dem Wärmespeicher (7) verdampft und dem Elektrolyseur (1) über die H2O Leitung (10) zugeführt. Dem Elektrolyseur (1) wird die freie Reaktionsenthalpie +ΔRG als reversible Arbeit von außen und die wegen der Reaktionsentropie ΔRS benötigte Wärmezufuhr +T .ΔRS aus dem Wärmespeicher (8) zugeführt. Damit ist der Kreislauf geschlossen und die Funktionsweise seiner Komponenten beschrieben. Fasst man nun die dem System zu- und abgeführte Energie zusammen, so gilt für die zugeführte Energie Ezu: E z u = Δ R G + T Δ R S + T Δ s v .
    Figure DE102020006326A1_0001
    und für die abzuführende Energie Eab: E a b = Δ R G T Δ R S T Δ s v .
    Figure DE102020006326A1_0002
  • Diese Prozessstruktur ist exakt verlustfrei und real auftretende Verluste in so aufgebauten Anlagen sind nur der Unvollkommenheit der praktischen Umsetzung mit realen verlustbehafteten Komponenten geschuldet. Betrachtet man nur die alleinige Erzeugung von Wasserstoff der andernorts verbracht wird, so entfallen die Möglichkeiten der Rekuperation über Wärmespeicher und selbst bei vollständig reversiblen Komponenten müssen die Wärmen T .ΔRS und T .ΔSv von außen zugeführt werden. Daraus folgt unmittelbar, dass der Hauptverlust der H2 Produktion darin liegt, dass H2O bei den meisten in Verwendung befindlichen Elektrolyseuren im flüssigen Zustand zugeführt wird und keine Wärmespeicher existieren, die eine Rekuperation der andernorts bei der Oxidation des H2 zu anderen Zeiten abgegeben Wärme ermöglichen. Der Beitrag der Reaktionsentropie zum Wärmebedarf ist dabei allerdings vergleichsweise gering.
  • Ein wichtiger Ansatz der „Power-to-Gas“ Technologie bezieht sich aber gerade auf die Nutzung der synthetischen Gase in räumlicher Entfernung von dem Ort deren Erzeugung, womit die direkte räumliche Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyse nicht mehr gegeben ist und so auch der für eine hohe Effizienz notwendige interne Wärmeaustausch nicht mehr möglich ist. Diesem Dilemma kann aber zunächst in der Theorie dadurch abgeholfen werden, wenn man die räumliche Trennung der Verbindung von reversibler Elektrolyse und reversibler Brennstoffzelle so überwindet, indem die Systemgrenze des Speicherprozesses gemäß 1 so verschoben wird, dass die Umgebung gleichzeitig Wärmesenke für die Brennstoffzelle und Wärmequelle für den Elektrolyseur wird. Dies gelingt gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) mit Hilfe eines reversiblen Wärmekraftprozesses, der das aus der Brennstoffzelle am Kondensator (5) austretende H2O reversibel auf den Umgebungszustand, der jetzt im H2O Behälter (6) herrscht, abkühlt und mit Hilfe einer reversiblen Wärmepumpe, die das für den Betrieb des Elektrolyseurs benötigte flüssige H2O des H2O Behälters (6) vorwärmt und im Verdampfer (9) verdampft. Da die von der reversiblen Wärmekraftmaschine erzeugt Arbeit, gleich der von reversiblen Wärmepumpe benötigten Arbeit ist, bleibt die Reversibilität des Gesamtsystems erhalten. Diese zunächst rein theoretische Betrachtung gibt aber eine Hilfestellung, wie bei der isoliert stehenden synthetischen Gaserzeugung ohne Einbeziehung der Gasverbraucher selbst eine Verbesserung der Wirkungsgrade mit Hilfe der Verminderung der Verluste zur Bereitstellung der Verdampfungswärme erreicht werden kann. Praktisch umsetzbare Möglichkeiten, dieses Prinzip zu nutzen, sind etwa, der Einsatz von Solarwärme oder geothermischen Quellen zur Verdampfung des für die Elektrolyse benötigten H2 oder die Abwärme aus beliebigen Prozessen, die gegebenenfalls mit Hilfe von Wärmepumpen wieder aufgeheizt werden, zu verwenden. Damit ist der erste Schritt zur Wirkungsgradverbesserung der Erzeugung von H2 und damit verbunden von CH4 sowie insgesamt für die „Power-to-Gas“ Technologie vorgezeichnet.
  • Der zweite wesentliche Einfluss folgt aus der Stofftrennung bei thermischen Verfahren zur CH4 Erzeugung nach Sabatier. Dazu werden auch hier alle möglichen Prozesspfade entsprechend (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) analysiert. Eine prinzipiell reversible CH4 Erzeugung wäre die Umkehrung der CH4 Oxidation gemäß: 2H2O+CO2=CH4+2O2 (5)
  • Im Unterschied zur H2 Darstellung durch Elektrolyse bestehen gegenwärtig neben dem thermischen Sabatier Prozess zur CH4 Erzeugung keine einsatzfähigen Verfahren, O2 über einen Elektrolyten elektrochemisch aus dem Reaktor zu entfernen. Da aber als wesentliche Komponenten für solche Verfahren O2- leitenden Elektrolytwerkstoffen verfügbar sind und stetig weiter entwickelt werden, sowie gegenwärtig auch die Katalysatorentwicklung interessante Fortschritte macht, werden die Ergebnisse einer entsprechenden thermodynamischen Betrachtung hier einbezogen. Eine teilweise O2 Ausschleusung zur Produkttrennung ist aber zur Zeit nur über eine vorgelagerte elektrochemische H2 oder CO Erzeugung möglich. Im ersten Fall muss die Reaktionsgleichung Gl. (5) dann ersetzt werden durch: 4H2+CO2=CH4+2H2O, (6) damit sich die Reaktionsprodukte durch Kondensation des H2O trennen lassen. Nachteilig hierbei ist, dass die Molzahl des dem System (Elektrolyseur und thermischer Methanisierungsreaktor) zugeführten H2O und damit die benötigte Verdampfungswärme gegenüber Gl. (5) verdoppelt werden muss. Die Verfahren zur Ausschleusung von O2 aus dem Methanisierungsreaktor und damit in den vorangehenden Verfahrensstufen haben daher entscheidenden Einfluss auf die Verluste. Zur Analyse der möglichen Prozessschritte dient ein Schema, wie es in 2 angegeben ist. Dort sind in 3 Säulen die Ausgangsstoffe und die thermodynamisch möglichen Varianten von Reaktionen dargestellt, wobei mit Pfeilen die entsprechenden Verknüpfungen angezeigt sind. H2O und CO2 treten als Ausgangsstoffe in das System ein. Der erste Schritt vor der thermischen Methanisierung ist eine vorgeschaltete Elektrolyse. Zur Methanisierung ist die Reduktion zu mindestens 2 mol H2 pro zu erzeugendem mol CH4 zwingend notwendig. Zur Umsetzung von Gl. (6) reicht die H2 Erzeugung als einziges elektrochemisches Verfahren aus, weil CO2 ein Reaktand in Gl. (6) ist. Die Reduktion von CO2 zu CO ist aber ebenfalls elektrochemisch darstellbar und hat den Vorteil, dass die Reaktion bei Umgebungszustand ohne Phasenwechsel abläuft. Damit ist neben der Methanisierungsreaktion Gl. (6), die pro mol CH4 die Bereitstellung von 4 mol H2 erfordert, auch die thermische Methanisierungsreaktion Gl. (7) eine Option, die nur 3 mol H2 pro mol CH4 benötigt. Damit wird der Verdampfungsverlust gegenüber der Reaktion Gl. (6) um 25 % vermindert. Allerdings sind dann gleichzeitig zwei unterschiedliche Elektrolyseverfahren erforderlich: 3H2+CO=CH4+H2O. (7)
  • In der dritten Spalte der 2 werden Kombinationen nur für die Verfahren angegeben, die mit einem O2" leitenden Elektrolyten möglich sind, über den O2 elektrochemisch ausgeschleust werden kann. Die Kombination von 2 vorgeschalteten Elektrolyseverfahren zur Produktion von CO und H2 erfüllt diese Voraussetzung, verbunden mit der Entfernung von 1/2 mol O2 im Methanisierungsreaktor entsprechend der Reaktion Gl. (8): 2 H 2 + C O = C H 4 + 1 2 O 2 .
    Figure DE102020006326A1_0003
  • Verzichtet man in einer Adaptierung von Gl. (8) auf die Elektrolyse zur Erzeugung von CO, so folgt die Reaktionsgleichung (9), bei der direkt CO2 in den Methanisierungsreaktor eingespeist wird, in dem dann 1 mol O2 entfernt werden muss: 2H2+CO2=CH4+O2. (9)
  • Dementsprechend ist auch eine Adaptierung von Gl. (7) dergestalt möglich, dass auf die H2 Produktion verzichtet wird und 2 H2O eingespeist wird. Die Elektrolyse produziert dann nur CO und im Methanisierungsreaktor müssen dann 3/2 mol O2 entsprechend Gl. (10) entfernt werden: 2 H 2 O + C O = C H 4 + 3 2 O 2 .
    Figure DE102020006326A1_0004
  • Für die energetische Bewertung ist noch wichtig, welche reversible Arbeit wird für die Reaktionen gemäß Gin. (6) bis (10) benötigt, bzw. welche Arbeit könnten sie gegebenenfalls abgeben. Dies lässt sich mit Hilfe von 3 bestimmen. Es ist dort über der Reaktionstemperatur die reversible Methanisierungsarbeit der hier behandelten Methanisierungsreaktionen Gln. (5) bis (10) angegeben mit der ausgeschleusten O2 Stoffmenge als Parameter und mit Bezug auf die zugehörige Reaktionsgleichung. Es wird dabei deutlich, dass die O2 Entfernung im Methanisierungsreaktor sehr gut gemeinsam mit der Reaktortemperatur zur Beschreibung des energetischen Reaktorzustands geeignet ist. Mit Ausnahme eines engen Betriebsbereichs in der thermischen Reaktionen möglich sind, muss im Bereich der Reaktionen, die mit den Gin. (5) bis (10) beschrieben sind, stets Arbeit zugeführt werden. Die thermische Reaktion Gl. (6) ist nur bei 862 K und Reaktion Gl. (7) nur bei 892 K reversibel, wo jeweils die reversible Arbeit verschwindet (ΔRG = 0). Bei tieferen Temperatur gilt ΔRG < 0 und der Methanisierungsreaktor könnte Arbeit liefern, die aber aufgrund des vorhandenen thermischen Reaktorentwurfs dissipiert und als Wärme abgeführt werden muss. Bei höheren Temperaturen müsste wegen ΔRG > 0 dem Methanisierungsreaktor Arbeit zugeführt werden. Die Umwandlung der thermisch geführten Prozesse gemäß Gln. (6) und (7) in elektrochemische Prozesse mit H+leitenden Elektrolyten gestattet es aber prinzipiell bei der Methanisierungsreaktion elektrische Arbeit zurückzugewinnen. Alle genannten reversiblen Methanisierungsreaktionen Gln. (6) bis (10) geben stets Wärme ab, um exakt den Bedarf der vorgeschalteten Elektrolyseure zu decken.
  • Die Kombination der H2O bzw. CO2 Elektrolyse mit den von Gln. (6) bis (10) beschriebenen Methanisierungsreaktionen erfordert auch eine genauere Analyse der Wärmeflüsse bei den verknüpften Reaktionen. Analog zu 3 ist in 4 die Wärmeabgabe (-) der Methanisierungsstufe und die gesamte Wärmeaufnahme (+) der Elektrolyseure über der Temperatur aufgetragen. Mit steigender Temperatur nimmt der Betrag der abgegebenen und der aufgenommenen Wärme zu. Dies zeigt auf, dass daher niedrigere Temperaturen in den Prozessen zu niedrigeren Investitionskosten führen. Die eingezeichneten Arbeitsbereiche der Elektrolyse und der Methanisierungsverfahren sind ebenfalls eingezeichnet, wie auch die ausgeschleuste O2 Stoffmenge als Parameter und über die vermerkten Gleichungsnummern ist die Zuordnung zu Elektrolyse- und Methanisierungsverfahren zu erkennen. Da die Temperatur der Methanisierung meist höher als die der zugehörigen Elektrolyse ist, wird mehr Wärme abgegeben, als für die Elektrolyse benötigt wird. Damit ergibt sich ein Überschuss in der Wärmeabgabe, die zur Verdampfung des Wassers für die Elektrolyse verwendet werden kann. Dieser Effekt ergibt sich, weil die Elektrolyse, die bei niedrigerer Temperatur arbeitet, mehr elektrische Leistung benötigt, als bei höherer Temperatur wo mehr Energie durch Wärme zugeführt wird. Diese unterschiedlichen Temperaturen sind wegen der Betriebstemperatur der Katalysatoren verfahrensbedingt und die so überschüssige (irreversible) Wärme kann so als Verdampfungswärme im System genutzt werden.
  • Alle hier beschriebenen Verfahren zur Methanisierung nach Gln. (6) bis (10) haben drei unterschiedliche Temperaturniveaus als Gemeinsamkeit der Prozessführung. Diese sind mit ansteigender Temperatur der Umgebungszustand, das gemeinsame Temperaturniveau von Elektrolyseur und Verdampfer und das Temperaturniveau der Methanisierungsstufe. Wie in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/i.apenergy.2011.03.020) gezeigt, lässt sich der Idealprozess sehr gut durch einen konsequenten Wärmeaustausch zwischen den sich erwärmenden und abkühlenden Stoffströmen zwischen den Temperaturniveaus annähern. Zur Erläuterung dieser Schaltungen am Beispiel der Prozessführung nach Gl. (6) dient 5. Dabei ist ein O2 leitender Elektrolyt im Elektrolyseur (1) zugrunde gelegt und zur Verdeutlichung wird auf die daraus folgende Zuordnung zu O2 und H2 hingewiesen. Der Methanisierungsreaktor (11) wird über die Leitung (3) mit H2 und über die Leitung (12) mit CO2 versorgt. Von der dort freigesetzten Wärme wird zur Abdeckung der Wärmebilanz der Anteil T .ΔRS dem Elektrolyseur (1) und der Anteil T .Δsv dem Verdampfer (9) zugeführt. Über die Leitung (13) wird das CH4-H2O Gemisch entsprechend Gl. (6) aus dem Methanisierungsreaktor (11) abgeführt. Das CH4-H2O Gemisch wird dann über die Wärmeübertrager (16) zur H2 Vorwärmung und die zweite Stufe der CO2 Vorwärmung (17) schließlich zum Kondensator (15) zur Trennung von CH4 und H2O geleitet. Das kondensierte H2O wird im Behälter (6) gespeichert und das CH4 getrennt abgeführt (14). Zur Erzeugung von 1 mol CH4 müssen dem Elektrolyseur 4 mol H2O zugeführt werden, die so zur einen Hälfte durch Rezirkulation und zur anderen von außen bereitgestellt werden. Das benötigte H2O wird über den Kondensator (15) nach Vorwärmung dem Verdampfer (9) und als Dampf über die Leitung (10) dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Das aus dem Elektrolyseur austretende O2 wird über die Leitung (4) zu den Wärmeübertrager (17) als erster Vorwärmstufe zur Vorwärmung des eintretenden CO2 geleitet und dort abgekühlt.
  • Mit diesen Vorarbeiten lassen sich die gestellten Aufgaben zur Verbesserung der Wirkungsgrade der synthetischen Erzeugung von H2 und CH4 und weiteren Kohlenwasserstoffen, die sich entsprechend den Kennfeldern der 3 und 4 verhalten, sowie zu deren technischer Umsetzung in folgenden Punkten spezifizieren.
  • Aufgabe der Erfindung
    1. 1. Nutzung der Prinzipien des reversiblen Vergleichsprozesses nach 1 zur Verbesserung der Energieeffizienz von „Power-to-Gas“ Technologien auf der Basis von H2 und synthetischen Kohlenwasserstoffen zur groß-technischen Stromspeicherung und zu Nutzung von CO2 als Rohstoff in geschlossenen Kreisläufen ohne CO2 Abgabe an die Umgebung;
    2. 2. Verbesserung der Energieeffizienz der H2 Erzeugung mit Hilfe von Elektrolyse durch Vorrichtungen zur Bereitstellung von H2O in gasförmigen Zustand vor der elektrochemischen Elektrolysezelle, weitgehend unabhängig von der Betriebs temperatur;
    3. 3. Verbesserung der thermischen Integration von vorgeschalteter Elektrolyse zur H2 Erzeugung und exothermer Methanisierungsreaktion nach Sabatier, sowie Nutzung des Arbeitspotentials dieser Reaktion zur Rückgewinnung und damit zur Verbesserung des Wirkungsgrades.
    4. 3. Verbesserung der thermischen Integration von vorgeschalteter Elektrolyse zur H2 Erzeugung und exothermer Methanisierung in potentiellen neuen elektrochemi sehen Prozessen.
    5. 4. Systemintegration der neu entwickelten oben genannten Gaserzeuger in ein Stromspeichersystem und mit integriertem Recycling für CO2 als nachhaltigem Industrierohstoff.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die erarbeitete reversible Prozessführung der Stromspeicherung mit Hilfe von H2, wie sie in 1 angegeben wurde, lässt sich mit geringfügigen Adaptionen unmittelbar in ein technisch umsetzbares Stromspeichersystem zur Netzstabilisierung mit hoher Effizienz umsetzen. Entscheidend dabei ist, dass dem Elektrolyseur durch eine geeignete Wärmerückgewinnung das benötigte H2O immer nur in der Gasphase zur Verfügung gestellt wird, um hohe Wärmeverluste durch die notwendige H2O Verdampfung zu vermeiden. Die technische Lösung, wie sie in 6 gezeigt ist, unterscheidet sich von dieser reversiblen Grundstruktur nur dadurch, dass real auftretenden Temperatur- und Druckdifferenzen Rechnung getragen wird. Dazu wird die Brennstoffzelle (2) bei Strombedarf mit H2 und O2 aus den Gasspeichern (3a) und (4a) versorgt und mit einer soweit höheren Temperatur als der Elektrolyseur (1) betrieben, dass ein zuverlässiger Wärmeaustausch über den Wärmespeicher (8) gesichert wird. Der Druck des Abdampfs der Brennstoffzelle (2) wird mit einem Dampfkompressor (18) entsprechend erhöht, damit der Wärmespeicher (7) vom Kondensator (5) bei der Kondensation des Abdampfs der Brennstoffzelle mit Abwärme mit ausreichend hoher Temperatur versorgt werden kann und das Kondensat wird dem H2O Behälter (6) zugeführt. Bei Stromüberschuss wird der Elektrolyseur (1) vom H2O Behälter (6) über die Speisepumpe (19), den Verdampfer (9) und die H2O Leitung (10) mit Dampf versorgt und füllt dann die beiden Gasspeicher (3) und (4) wieder mit H2 und O2 auf. Die dazu erforderliche Wärme wird dem Wärmespeicher (7) entnommen.
  • Eine in 7 gezeigte vereinfachte Schaltung bei gleicher Funktionsweise unterscheidet sich von der oben besprochenen Grundlösung dadurch, dass das System aus Kondensator (5), H2O Behälter (6), Wärmespeicher (7) und Verdampfer (9) durch einen Dampfspeicher (20) ersetzt wird, der bei Stromüberschuss den Elektrolyseur (1) mit Dampf versorgt und bei Strombedarf vom Abdampf der Brennstoffzelle über den Dampfkompressor (18) erneut aufgeladen wird. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit kann der Dampfspeicher (20) mit einer elektrischen Beheizung zur Druckhaltung oder einem Anschluss an ein Dampfnetz, soweit vorhanden, oder weiteren verbundenen Dampfspeichern oder anderen Wärmespeichern ausgerüstet werden und so in eine industrielle Sektorenkopplung mit großem Speichervolumen eingebunden sein.
  • Das geschilderte Konzept lässt sich ebenso bei regenerative Brennstoffzellen (1/2), die auch als Elektrolyseur betrieben werden können, einsetzen, wie 8 zeigt. Dazu wird der Dampfspeicher (20) über ein Dreiwegeventil (21) gleichzeitig mit der regenerativen Brennstoffzelle (1/2) und dem Dampfkompressor (18) verbunden. Im Brennstoffzellenbetrieb verbindet das Dreiwegeventil (21) die regenerative Brennstoffzelle (1/2) mit dem Dampfkompressor (18) und der Dampfspeicher (20) wird mit dem gebildeten dampfförmigen H2O aufgeladen. Im Elektrolysemodus verbindet das Dreiwegeventil den Dampfspeicher (20) mit der im Elektrolysebetrieb befindlichen regenerativen Brennstoffzelle (1/2). Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und des Speichervolumens kann der Dampfspeicher (20) auch in einem Dampfnetz mit weiteren Dampfspeichern verbunden und in eine industrielle Sektorenkopplung eingebunden sein.
  • Wie bereits ausgeführt, lassen sich die in 1 dargestellte Möglichkeiten der Prozessverbesserung auch für offene Kreisläufe zur H2 Produktion und daraus folgend für die CH4 Produktion und unter bestimmten Voraussetzungen auch zur Erzeugung weiterer Kohlenwasserstoffe (CnHm) nutzen. Thermodynamisch lässt sich der oben beschriebene reversible Prozess annähern, wenn die bei der H2 Oxidation freigesetzte Verdampfungswärme - sei es in einer Brennstoffzelle oder in einem Verbrennungsreaktor - mangels Rekuperationsmöglichkeit bei deren Kondensation an die Umgebung abgegeben wird, wenn umgekehrt die zur Verdampfungswärme des für der Elektrolyse benötigten H2O wieder aus der Umgebung gewonnen werden kann.
  • Dies kann im Rahmen einer Systemintegration der Elektrolyse (1) mit Hilfe einer Schaltung, wie sie in 9 angegeben ist, erreicht werden, beziehungsweise zumindest angenähert werden. H2O wird aus dem Behälter (6) über die Speisepumpe (19) dem Verdampfer (23) zugeführt und dort aus der Wärmequelle (22) mit ausreichend Verdampfungswärme versorgt und der entstandene Dampf wird dann dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Wenn beispielsweise die Wärmequelle (22) mit Solarwärme oder geothermischer Wärme mit Verdampfungswärme versorgt wird, so wäre die Forderung nach einem reversiblen Prozess durchaus gut angenähert, da die Umgebung durch diese Art der Wärmeübertragung den Verdampfer mit der bei der H2 Oxidation abgegebenen Entropie (zumindest näherungsweise) wieder versorgt hätte. Wenngleich nicht stets dieser Idealfall erreichbar ist, so kann ein Aufbau gemäß 9 stets genutzt werden, um Abwärme aus verschiedenen Prozessen gegebenenfalls im Rahmen der Wirtschaftlichkeit mit Hilfe von Wärmepumpen zur Verdampfung des dem Elektrolyseur zugeführten H2O genutzt werden, um die Exergieverluste von 17% bei der H2 Produktion zu vermindern. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass bei industriellen Anlagen dazu Dampf mit geringer Exergie genutzt werden kann, um die Dissipation von elektrische Arbeit einzusparen.
  • Einen dazu vorteilhafter Einbau eines Elektrolyseur (1) in einem integrierten Verdampfer (26), der gleichzeitig, ähnlich einem Großwasserraumkessel auch als Dampfspeicher (20) dient, zeigt 10. Die Beheizung kann dabei mit einer Wärmequelle (27) in verschiedenster Weise erfolgen. So können etwa verschiedene wärmeabgebende Fluide durch Rohre geleitet werden oder auch exotherme Reaktionen, die gekühlt werden müssen, können dort ablaufen. Die Wärmequellen (27) sind dabei parallel so anzuordnen, dass ein geordneter Verdampfungsvorgang und Wasserumlauf in der Verdampfersektion (9) sichergestellt werden kann. Der Elektrolyseur (1) besteht aus parallel angeordneten Zellgruppen (24), die platten- oder röhrenförmig aber auch als mikroverfahrenstechnische Module ausgebildet sein können, die von einem Hüllrohr (25) umgeben sind. Der Dampf wird über den Dampfdom (28), die Dampfleitung (29) zu den Verteilern (30) und dann den im Hüllrohr (25) befindlichen Zellgruppen (24) geleitet.
  • Die parallelen Strömungsverteiler (30) verbinden die Zellgruppen (24) und die zugehörigen Hüllrohre (25) mit den parallelen Sammlern (31) und (32). Aus den Sammlern (31) und (32) treten dann die Gase der Systeme (3) und (4) aus. Wird ein H+leitender Elektrolyt für die Zellgruppen (24) verwendet, so tritt H2 als Gas in (3) und O2 als Gas in (4) aus. Beim Einsatz eines O2--leitenden Elektrolyten tritt H2 als Gas in (4) und O2 als Gas in (3) aus. Die H2O Zufuhr erfolgt über den Einlassstutzen (33), wobei das eintretende Wasser schon bis nahe an die Sattdampftemperatur vorgewärmt sein sollte. Bei Einsatz des Elektrolyseurs in Industrieanlagen mit Dampfnetzen lässt sich der Einlassstutzen (33) auch zur Einspeisung von Fremddampf zur Temperaturhaltung des Systems bei Stillständen und auch je nach den Möglichkeiten der Systemintegration zu einer Dampfbeheizung anstelle der Wärmequelle (27) nutzen. Zur Inbetriebnahme und als Notversorgung ist auch eine elektrische Beheizung des Verdampfers möglich. Im Falle eines integrierten H2 Stromspeichers gemäß den in den 7 behandelten Strukturen werden die einzelnen Brennstoffzellgruppen (2) analog zu den Elektrolysezellen (24) mit Hüllrohren entsprechend (25) umgeben und unter Beibehaltung der in 7 angegeben Schaltung gleichzeitig als Wärmequelle (27) verwendet. Zu beachten ist dabei, dass im Vergleich zum Aufbau des Elektrolyseurs (1) entsprechend der prozessbedingten Umkehrung der Strömungsrichtung die beteiligten Gase H2 und O2 beim Brennstoffzellenprozess über zwei getrennte Strömungsverteiler in die Brennstoffzelle eintreten und das Produkt H2O über einen Austrittssammler zum Dampfkompressor (18) geführt wird und dann über den Eintritt (33) in den integrierten Verdampfer (26) geleitet wird. Eine andere Option ist, dass der Dampfkompressor (18) den höher gespannten Dampf nicht erst in die Verdampfersektion (9) sondern gleich in den Dampfraum (35) einzudüst. An Stelle einer elektrischen Beheizung können auch die Gasspeicher (3a) und (4a) zur Wärmeversorgung der Druckhaltung des integrierten Verdampfers und damit integrierte H2 Brenner, die mit O2 versorgt werden und die ihr Abgas H2O direkt in die Verdampfersektion (9) einspeisen, verwendet werden. Bei integrierten H2 Stromspeichern entsprechend 8 reicht die hier gezeigte Integration der regenerativen Brennstoffzelle (1/2) an Stelle des Elektrolyseurs (1) in den integrierten Verdampfer (26) alleine aus und dieser übernimmt die Aufgaben des Dampfspeichers (20) und des Wärmespeichers (8). Das aus der Brennstoffzelle (1/2) austretende H2O wird wieder über den Dampfkom-pressor (18) dem integrierten Verdampfer (26) zugeführt.
  • 11 zeigt eine Variation des Konzepts nach 10, bei dem die Strömungsverteiler (30) und die Sammler (31) und (32) durch Kammern ersetzt werden. An Stelle des Strömungsverteiler (30) tritt der Dampfraum (34), der durch einen Rohrboden (35) von der eigentlichen Verdampfersektion (9) getrennt ist. Analog werden die beiden Sammler (31) und (32) durch die beiden Gasräume (36) und (37) ersetzt, die mit den Rohrböden (35) gebildet werden. Die Strömungsführung und Gasverteilung ist analog zu dem zu 10 Gesagtem. Im Falle eines integrierten H2 Stromspeichers gemäß den in 7 oder 8 vorgestellten Varianten gilt das oben bei der Beschreibung der 10 Gesagte.
  • Eine weitere Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus zeigt 12. Der Elektrolyseur ist wie in 10 und 11 aufgebaut mit dem Unterschied, dass das Hüllrohr (25) weggelassen wird und die Zellen direkt in der Verdampfersektion (9) angeordnet sind. Damit reduziert sich die Anzahl der Rohrböden (35) auf nur noch einen und die Abfuhr der erzeugten Gase O2 und H2 erfolgt über die zugeordneten Auslassstutzen der Leitungen (3) und (4). Dabei ist es möglich, dass Dampf mit den austretenden Produktgasen O2 oder H2, ebenfalls mit gerissen wird. Dieser Effekt lässt sich mit Zyklonen und ggf. durch nachfolgende Kondensation weitgehend reduzieren. Welche Gase jeweils an (3) und (4) austreten, hängt vom gewählten Elektrolyten ab und entspricht dem oben bereits Gesagten. Im Falle eines integrierten H2 Stromspeichers gemäß den in den 7 behandelten Strukturen gilt Entsprechendes, wie bei der Beschreibung von 10.
  • Wie die 3 und 4 zeigen, erfüllt die in den 10 bis 12 gezeigte Konzeptionen sehr gut auch die Voraussetzungen für die Optimierung der CH4 Erzeugung und ihre thermischen Integration mit der vorgeschalteten Elektrolyse. 13 zeigt dazu die Beheizung (11) des integrierten Verdampfers am Beispiel der in 12 gezeigten Variante mittels einer exothermen Reaktion anhand der Methanisierungsreaktion Gl. (6) an Stelle der allgemeinen Wärmequelle (27). Gleichzeitig zeigt dies auch den prinzipiellen Aufbau der damit verbundenen weiteren notwendigen Systemintegration für einen integrierten CH4 Generator. Grundsätzlich sind alle in den Gln. (6) bis (10) angegebenen Methanisierungsreaktionen exotherm und daher prinzipiell zur Beheizung des Verdampfers geeignet, wie auch bereits bei 4 erläutert. Die dazu erforderlichen Grundprinzipien zum Entwurf integrierter CH4 Generatoren, die die elektrolytische H2-Erzeugung mit sowohl thermischen als auch möglichen elektrochemischen CH4 Methanisierungsreaktoren verbinden, sind bereits in 5 vorgestellt worden. Zur weiteren Verdeutlichung der Konstruktionsprinzipien eines hochintegrierten CH4 Generators wird deshalb die in bereits in 5 gewählte und erläuterte Reaktionsführung gemäß Gl. (6) auch in 13 weiter verwendet. Wie in 12 ist hier die Zuordnung von System (4) zu O2 und von System (3) zu H2 unmittelbar deutlich, weil nur H2 und nicht O2 in den Methanisierungsreaktor (11) fließen darf. Das Fluid im Leitungssystem (12) ist CO2 und fließt ohne vorgeschaltete Elektrolyse zu dem Methanisierungsreaktor (11). Der Systemaufbau entspricht den in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) formulierten Regeln. Danach müssen zunächst Reaktanten und Produkte zur Wärmerückgewinnung eingesetzt werden und dabei die einzelnen Temperaturniveaus der betroffenen Reaktionen beachtet werden, bevor zusätzlich Wärme zugeführt werden darf. In der ersten Stufe werden aus dem Reaktanden H2O die Produkte H2 und O2 gewonnen. In der zweiten Reaktionsstufe werden aus den Reaktanden H2 und CO2 gemäß Gl. (6) CH4 und H2O erzeugt. Daraus folgen die drei unterschiedlichen Temperaturniveaus Umgebung, Verdampfer/Elektrolyseur und Methanisierung zwischen denen jeweils die hier gezeigte Wärmerückgewinnung stattfindet. Über die Leitung (13) wird das CH4-H2O Gemisch entsprechend Gl. (6) aus dem Methanisierungsreaktor (11) abgeführt. Das CH4-H2O Gemisch wird dann über die Wärmeübertrager (16) zur H2 Vorwärmung und die zweite Stufe der CO2 Vorwärmung (17) und schließlich zum Kondensator (15) zur Trennung von CH4 und H2O geleitet. Das kondensierte H2O wird im Behälter (6) gespeichert und das CH4 getrennt abgeführt (14). Vom Elektrolyseur werden 4 mol H2O für die Erzeugung von 1 mol CH4 benötigt, die so zur einen Hälfte durch die Rezirkulation und zur anderen von außen bereitgestellt werden. Diese 4 mol H2O/mol CH4 werden über den Kondensator (15) nach Vorwärmung über die Leitung (33) der Verdampfersektion (9) zugeführt und als Dampf intern dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Das aus dem Elektrolyseur austretende O2 wird über den Wärmeübertrager (17) als erste Vorwärmstufe zur Vorwärmung des eintretenden CO2 verwendet.
  • Da die elektrolytische H2 Erzeugung auch gemeinsam mit der elektrolytischen Erzeugung von CO kombiniert werden muss, ist in 14 eine entsprechende Ergänzung zu dem in 13 gezeigtem Systemaufbau dargestellt. Die Änderungen im System betreffen aber nur den Bereich des Konzepts, der die Zuleitung des CO2 (12) und die damit verbundenen Komponenten umfasst. Diese betreffen insbesondere die mit der Zu- und Ableitung der Prozessgase CO2 und CO verbundene Änderung der Vorwärmung. Die zweite Vorwärmstufe von CO2 wird durch eine dem Temperaturniveau entsprechende Vorwärmung von CO durch das CH4-H2O Gemisch im Wärmeübertrager (42) ersetzt. Die konstruktiven Optionen zur Integration des CO2 Elektrolyseurs (39) können 10 und 11 am Beispiel der Einbindung des H2O Elektrolyseurs entnommen werden. Die in 14 gezeigte Lösung lehnt sich an 10 an. Bei der gleichzeitigen Integration der Elektrolyseure zur Erzeugung von H2 und CO ist besonders darauf zu achten, dass Kurzschlüsse im integrierten Verdampfer (26) vermieden werden. Das CO2 wird über die Leitung (12) zum Verteiler (38) des CO2 Elektrolyseurs (39) geführt und dort unter Abgabe von 1/2 O2 in die Verdampfersektion (9) analog zur H2O Elektrolyse in CO umgewandelt. Dieses wird über den Sammler (40) und die Leitung (41) zum Vorwärmer (42) und von dort in den Methanisierungsreaktor (11) geleitet. Die Konzeption der Behandlung des CH4-H2O Gemisches, das aus dem Methanisierungsreaktor (11) austritt, bleibt gegenüber 13 unverändert.
  • Analog zu 11 lässt sich diese Konzeption konstruktiv weiter vereinfachen, wie in 15 dargestellt. Dort wird der Verteiler (38) durch eine CO2 Eintrittskammer (43) ersetzt, die der Gasversorgung der Elektrolysezelle (39) dient. Das in der Elektrolysezelle (39) gebildete CO wird dann in die H2 Austrittskammer (36) geführt und das H2-CO Gemisch wird wie in 13 über die Leitung (3) nach Vorwärmung im Wärmeübertrager (16) dem Methanisierungsreaktor (11) zugeführt.
  • Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung des Wirkungsgrades der Methanisierung gemäß den Gin. (6) und (7) ergibt sich unter Ausnutzung des in 3 angegebenen nicht genutzten Potentials zur Rückgewinnung von elektrischer Arbeit bei diesen thermischen Verfahren. 16 dient der Erläuterung der praktischen Umsetzung. In den Methanisierungsreaktor (11) strömen H2 und CO2 nach GI (6) oder CO nach GI (7). In beiden Fällen wird gegenüber dem Bedarf der CH4 Erzeugung allein zusätzliches H2 benötigt, um O2 nach Oxidation mit H2 durch Kondensation von CH4 trennen zu können. Das vorhandene Potential zur Lieferung elektrischer Arbeit lässt sich dadurch nutzen, dass die Zugabe von H2 mit Hilfe einer H+-leitenden Brennstoffzelle erfolgt. An der äußeren Oberfläche der Brennstoffzelle treten dann H+ Ionen aus und reagieren mit CO2 beziehungsweise CO zu CH4 und H2O. Bei allen hochintegrierten Systemen gemäß den 10 bis 16 ist besonders darauf zu achten, dass keine Kurzschlüsse zwischen den integrierten stromführenden Bauteilen auftreten können und konstruktiv ausgeschlossen werden.
  • Die weitere Integration des nach den o.g. Konstruktionsprinzipien entworfenen integrierten CH4 Generators (44) in ein nachhaltiges Energiesystem ist wesentlich für die Nachhaltigkeit und CO2 Freiheit seines Betriebs. Auch hierbei stellt der reversible Vergleichsprozess nach 1 die theoretische Grundlage der Prozessführung dar. Dementsprechend wird das erzeugte CH4 in vorhandenen Gasspeichern (45) gelagert und in Brennstoffzellen (2) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Das entstandene Abgas enthält nur mehr CO2 und H2O und durch die Restwärmenutzung in einem Rauchgaskondensator (46) lassen sich CO2 und H2O trennen. Das entstandene CO2 wird über ein CO2 Leitungssystem (12) nach einer Verdichtung in dem CO2 Kompressor (47) dem CO2 Speicher (48) zugeführt, der seinerseits wieder den CH4 Generator (44) versorgt. Zur Verbesserung der Nachhaltigkeit des Energiesystems und der Rohstoffwirtschaft ist es zweckmäßig, aus den Gasspeichern (45) den CnHm Bedarf von Industrie und Gewerbe (49) zu decken. Da die CH4 Synthese aber CO2 als Rohstoff benötigt, ergibt sich aus dieser Lieferbeziehung der regenerativen CH4 Versorgung zwangsläufig die unabweisbare Notwendigkeit auch CO2 aus Kunststoffabfällen zu recyclen und über die Leitung (12) dem CH4 Generator zurückzuführen. Da die volumetrische Energiedichte von CH4 etwa viermal höher als die von H2 ist, kann mit CH4 deutlich mehr Energie für die Abdeckung saisonal bedingter längerer schwerer Versorgungsengpässe der regenerativen Stromeinspeisung vorgehalten werden, als dies mit H2 möglich wäre. Daher ist es zweckmäßig zur Sicherung der H2 Versorgung auch bei längerem Erzeugungsausfall regenerativer Stromerzeugung die Möglichkeit der H2 Erzeugung aus CH4 (50) konzeptionell vorzusehen und so die H2 Versorgungssicherheit deutlich zu erhöhen. Umgekehrt ist auch die Wasserstoffversorgung (4) der Industrie aus der laufenden Wasserstoffproduktion (51) eine sinnvolle Ergänzung. Das ebenfalls eingezeichnet H2O System (10) soll den H2O Bedarf der geschilderten Prozesse verdeutlichen, dieses dürfte aber praktisch wohl nur bei hochintegrierten Industriestandorten von Interesse sein.
  • Die hier am Beispiel der CH4 Erzeugung hergeleitete Prozessführung und die hier gezeigten technischen Lösungen zu deren anlagentechnischer Umsetzung lassen sich auch, wie schon mehrfach angedeutet, zur Herstellung von C2H4 und weiteren Kohlenwasserstoffe CnHm nutzen. Voraussetzung dafür ist, dass die Thermodynamik ihrer Prozessführung den in den 3 und 4 gezeigten Kennfeldern von Reaktionsarbeit, Reaktionswärme und O2 Ausschleusung in den Elektrolyseuren und in dem Methanisierungsreaktor entspricht, um diese Strukturen nutzen zu können. In 18 ist dazu beispielhaft eine Zusammenstellung vergleichbarer Reaktionsgleichungen von CH4 und C2H4 und der zugehörigen Methoden der O2 Ausschleusung angegeben.

Claims (10)

  1. Eine modulare Reaktorkonfiguration zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) mittels Elektrolyse in ihrer einstufigen Ausführung und von Methan (CH4) in ihrer zweistufigen Ausführung mit optionaler Gasspeicherung und Gasnutzung in Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die einstufige Ausführung, bestehend aus dem Elektrolyseur (1), der Brennstoffzelle (2), den Gasspeichern (3a) und (4a) zur getrennten Lagerung von H2 und Sauerstoff (O2), den zugehörigen Leitungen (3) und (4), dem Kondensator (5), dem H2O Behälter (6), den Wärmespeichern (7) und (8) sowie dem Verdampfer (9), auf den Prinzipien eines reversiblen Produktzyklus für H2 gemäß 1 beruht und sowohl als Stromspeicher als auch zur H2 Erzeugung als Brenngas dienen kann und dessen zweistufige Ausführung, beispielhaft gemäß 5 mit den zusätzlichen Komponenten dem Methanisierungsreaktor (11), den Leitungen (12) und (13), den Wärmeübertragern (16) und (17) sowie der CH4 Ableitung (14) im H2O Kondensator (15), beruhend auf erweiterten reversiblen Vergleichsprozessen, die die möglichen Methanisierungsreaktionen in dieser zweiten Reaktorstufe mit den Reaktionsgleichungen (6), (7), (8), (9) und (10), die auch parallel ablaufen können, beschreiben und thermodynamisch gleichwertig zur Umkehrreaktion der Oxidation von CH4 sind und somit die bestmöglichen Strukturen für die weitere technische Umsetzung angeben.
  2. Ein Stromspeicher nach Anspruch 1, bestehend aus einem Elektrolyseur (1), der zwei Gasspeicher (3a) und (4a) mit den Reaktanden H2 und O2 befüllt, mit diesen über die Leitungen (3) und (4) eine Brennstoffzelle (2) versorgt, deren Abwärme einem Wärmespeicher (8) zur Versorgung des Elektrolyseurs (1) zugeführt wird und deren gasförmiges Reaktionsprodukt H2O über einen Dampfkompressor (18) und einen Kondensator (5), der seine Abwärme an einen Wärmespeicher(7) abgibt, zu dem H2O Behälter (6) geleitet wird, um von dort wieder bei Bedarf über die Speisepumpe (19) und den vom Wärmespeicher (7) versorgten Verdampfer (9) über die Leitung (10) im dampfförmigen Zustand zu dem Elektrolyseur (1) geleitet zu werden (6).
  3. Ein Stromspeicher nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass gemäß 7 der Kondensator (5), der Wärmespeicher (7), der H2O Behälter (6), die Speisepumpe (19), der Wärmespeicher (7) und der Verdampfer (9) durch einen Dampfspeicher (20) ersetzt werden und der im Falle einer regenerativen Brennstoffzelle (1/2) gemäß 8, die sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseur betrieben werden kann, durch das Dreiwegeventil (21) ein Lade- und Entladebetrieb des Dampfspeichers (20) ermöglicht.
  4. Ein Elektrolyseur zur Erzeugung von H2 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend 9 der Elektrolyseur von einem H2O Behälter über eine Speisepumpe (19) und einen Verdampfer (23) und die Leitung (10) mit dampfförmigen H2O versorgt wird, wobei der reversible Vergleichsprozess nach 1 dadurch angenähert wird, dass solare oder geothermische Wärmequellen (22) verwendet werden oder auf den Einsatz von Abwärme im Rahmen der Sektorenkopplung zurückgegriffen wird, die gegebenenfalls auch mit Wärmepumpen auf ein zur Verdampfung benötigtes Temperaturniveau gebracht werden kann.
  5. Ein hochintegrierter Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den ursprünglichen Dampfspeicher (20) der Elektrolyseur (1) und eine Wärmequelle (27) integriert sind und dadurch der integrierte Verdampfer (26) entsteht, mit den von Hüllrohren (25) geschützten Elektrolysezellen (24), die aus einem Dampfdom (28) über die Leitung (29) und die Strömungsverteiler (30) nach 10 oder den Dampfraum (34) nach 11, der mit Lochblechen (35) von der Verdampfersektion (9) getrennt ist, mit dampfförmigen H2O versorgt werden und die Produktgase H2 und O2 entsprechend entweder über die Sammler (31) und (32) oder die Gasräume (36) und (37), wieder durch die Lochbleche (35) abgetrennt, über Leitungen (3) und (4) abgeführt werden, wobei die H2O Zufuhr über einen oder mehrere Anschlüsse (33) erfolgt, die aber auch alternativ zur Dampfversorgung aus einem Dampfnetz genutzt werden können und die Wärmezufuhr (27) durch beliebige wärmeabgebende Fluide oder Reaktionen von außen erfolgen kann, und im Falle eines Stromspeichers nach Anspruch 2 Brennstoffzellen (2) als Wärmequellen (27) verwendet und entsprechend der in den vorangehenden Ansprüchen genannten Lösungen in das System integriert werden .
  6. Eine vorteilhafte Variante des hochintegrierten Elektrolyseurs nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (24) des Elektrolyseurs (1) ohne Hüllrohre (25) direkt in der Verdampfersektion (9) angeordnet sind und der Dampf direkt an die Elektroden der Zellen strömen kann, wodurch der Dampfraum (34) mit Dampfleitung (29) oder die Strömungsverteiler (30) ebenso überflüssig werden, wie die Sammler und ein Gasraum (37), wobei bei einem H+ leitendem Elektrolyten nun an Stelle des Dampfdoms der O2 Austritt (4) tritt und H2 über den einzig noch vorhandenen Gasraum (36) abgeführt wird, bei einem O2- leitendem Elektrolyten sind die Gase in den Austritten (3) und (4) entsprechend vertauscht und dementsprechend auch die zugehörigen Verbindungsleitungen.
  7. Ein hochintegrierter zweistufiger Reaktor zur Erzeugung von CH4 nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Methanisierungsreaktor (11), betrieben entsprechend den Reaktionsgleichungen (6), (7), (8), (9) und (10), als Wärmequelle (27) für die dazu benötigten vorgeschalteten Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von H2 und CO dient, wobei 13 die Systemintegration für die Methanisierung allein mit H2 zeigt, muss das eintretende CO2 bei der gleichzeitigen Systemintegration von Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von H2 und CO gemäß 14 über ein Verteilersystem (38) oder einen abgetrennten Gasraum (43) gemäß 15 zur Elektrolysezelle (39) geleitet werden und dann über den Austrittssammler (40) und die Leitung (41) nach Vorwärmung (42) nach 14 oder nach Vermischung mit H2 im Gasraum (36) gemäß 15 als Synthesegas dem Methanisierungsreaktors (11) zugeführt werden, bei deutlichen Prozessverbesserungen der Methanisierung entfällt ein Teil der Abwärme der hier zur Verdampfung genutzt werden kann und dann muss auf die in Anspruch 4. genannte Lösung der externen Wärmezufuhr zurückgegriffen werden.
  8. Eine vorteilhafte Variante des Methanisierungsreaktors (11) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die H2 Zufuhr zur Methanisierung über eine integrierte Brennstoffzelle (2) mit einem H+-leitenden Elektrolyten gemäß 16 erfolgt, um das nach den Gln. (6) und (7) vorhandene Potential zu nutzen und den Methanisierungsprozess zu unterstützen.
  9. Die Integration von hochintegrierten Reaktorkonfigurationen zur Erzeugung von CH4 und H2 nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche in einem nachhaltigen Energiesystem ohne CO2 Emissionen gemäß 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem hochintegrierten CH4 Generator (44) erzeugtes CH4 in Gasspeichern (45) gelagert und in Brennstoffzellen (2) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird und das gebildete CO2 über einen Rauchgaskondensator (46) und ein CO2 Leitungssystem (12) nach einer Verdichtung in einem CO2 Kompressor (47) dem CO2 Speicher (48) und von dort dem CH4 Generator (44) zur neuerlichen CH4 Erzeugung mit H2O zugeführt wird, gleichzeitig zur Verbesserung der Nachhaltigkeit aus dem Gasspeicher (45) den CH4 Bedarf von Industrie und Gewerbe (49) so deckt, dass auch dieser Bereich in den geschlossenen CO2 Kreislauf (12) integriert wird und zur Erhöhung der H2 Versorgungssicherheit weiterhin aus CH4 mittels Reformierreaktoren (50) und CO2 Recycling über die Leitung (12) wieder H2 CO2 frei erzeugt und bei längeren Versorgungsengpässen die sonst auf hochintegrierten Elektrolyseuren (2) basierende H2 Versorgung sicherstellt, die umgekehrt über die Verbindungsleitung die H2 Versorgung von Industrie und Gewerbe übernimmt.
  10. Eine vorteilhafte Variante des Einsatzes der hochintegrierten Reaktorkonfigurationen zur Erzeugung von CH4 und H2 nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, stellt die Möglichkeit der Nutzung der gleichen prozesstechnischen Strukturen zur Herstellung von C2H4 und anderen Kohlenwasserstoffe CnHm dar, soweit die Thermodynamik ihrer Prozessführung den in den 3 und 4 gezeigten Kennfeldern von Reaktionsarbeit, Reaktionswärme sowie die O2 Ausschleusung in den Elektrolyseuren und in dem Methanisierungsreaktor den Reaktorkonfigurationen nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche entspricht, wobei in 18 dazu eine Zusammenstellung vergleichbarer Reaktionsgleichungen von CH4 und C2H4 und der zugehörigen Methoden der O2 Ausschleusung als Beispiel angegeben ist.
DE102020006326.8A 2020-10-15 2020-10-15 Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher Pending DE102020006326A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020006326.8A DE102020006326A1 (de) 2020-10-15 2020-10-15 Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher
US18/032,082 US20230392265A1 (en) 2020-10-15 2021-10-06 Integrated gas generator and electricity storage system
EP21794101.2A EP4229229A1 (de) 2020-10-15 2021-10-06 Integrierter gaserzeuger und stromspeicher
CN202180070871.9A CN116368264A (zh) 2020-10-15 2021-10-06 集成式气体发生器和电力储存系统
PCT/EP2021/077520 WO2022078834A1 (de) 2020-10-15 2021-10-06 Integrierter gaserzeuger und stromspeicher

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020006326.8A DE102020006326A1 (de) 2020-10-15 2020-10-15 Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020006326A1 true DE102020006326A1 (de) 2022-04-21

Family

ID=78232324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020006326.8A Pending DE102020006326A1 (de) 2020-10-15 2020-10-15 Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230392265A1 (de)
EP (1) EP4229229A1 (de)
CN (1) CN116368264A (de)
DE (1) DE102020006326A1 (de)
WO (1) WO2022078834A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010000826T5 (de) 2009-02-16 2012-06-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff
DE102013223588A1 (de) 2013-11-19 2015-05-21 Hydrogenious Technologies Gmbh Anlage und Verfahren zum Speichern von Energie

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010013660A1 (de) * 2010-04-01 2011-10-06 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Energie
DE102015211391A1 (de) * 2015-06-19 2016-12-22 Technische Universität Dresden Vorrichtung zur synthese von wasserstoffhaltigen verbindungen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010000826T5 (de) 2009-02-16 2012-06-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Elektrisches Stromspeichersystem unter Verwendung von Wasserstoff und Verfahren zum Speichern von elektrischem Strom unter Verwendung von Wasserstoff
DE102013223588A1 (de) 2013-11-19 2015-05-21 Hydrogenious Technologies Gmbh Anlage und Verfahren zum Speichern von Energie

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022078834A1 (de) 2022-04-21
CN116368264A (zh) 2023-06-30
US20230392265A1 (en) 2023-12-07
EP4229229A1 (de) 2023-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3071734B1 (de) Anlage und verfahren zum speichern und zum freisetzen von energie
DE2503367A1 (de) Verfahren zur umwandlung von kohle und wasser in wenigstens einen kohlenwasserstoff und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens
DE2604966A1 (de) Unter druck betriebene brennstoffzellenstromversorgungsanlage mit einer mit dampf betriebenen verdichteranlage
DE60222712T2 (de) Wasser-Rückgewinnung für eine Brennstoffzellenanlage
EP3448805B1 (de) Anlage und verfahren zur gaskompressionsfreien rückgewinnung und speicherung von kohlenstoff
WO2013083828A1 (de) Anordnung und verfahren zur energiespeicherung in gebäuden und energieversorgung von gebäuden
WO2013156558A1 (de) Verfahren und anordnung für die hochtemperaturelektrolyse
DE112020005178T5 (de) Ammoniak-Derivat-Produktionsanlage und Ammoniak-Derivat-Produktionsverfahren
DE102010027690A1 (de) Energiespeichervorrichtung und Verfahren zum reversiblen Speichern von Energie
WO2011120706A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur speicherung von energie
WO2011042158A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur speicherung elektrischer energie
EP0361612B1 (de) Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität
DE2008489A1 (de) Brennstoffzellen System zum Umsatz von Kohlenwasserstoffen
DE102020005242A1 (de) Wärmerückgewinnung bei Elektrolyseprozessen
DE102020006326A1 (de) Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher
EP2361446B1 (de) Verfahren zur nutzung von wasserstoff mittels brennstoffzellen an einem rohrnetz
EP3106542B1 (de) Vorrichtung zur synthese von wasserstoffhaltigen verbindungen
DE648941C (de) Verfahren zum Speichern und Verteilen elektrischer Energie
DE102004028601A1 (de) Verfahren und Anlage zur Nutzung von geothermischer Wärme
DE102005022904A1 (de) Anlage zur Erzeugung von Wärmeenergie für Heizung und Erwärmung von Trinkwasser durch Elektrolyse
EP0898790B1 (de) Verfahren zum betreiben einer hochtemperatur-brennstoffzellenanlage und hochtemperatur-brennstoffzellenanlage
DE2800903A1 (de) Verfahren zur energiespeicherung in form von waerme
DE102020210478A1 (de) Verfahren zur Wasserstoffsynthese unter Wärmenutzung aus einem Wärmenetzwerk mittels einem Hochtemperaturelektrolysesystem
DE102020109016B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak
DE102023133571A1 (de) Reversibles System umfassend eine reversible Brennstoffzelle und eine Metallhydrid-Speichervorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: MUELLER VERWEYEN PATENTANWAELTE PARTNERSCHAFT , DE

R012 Request for examination validly filed