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Verfahren zur Speicherung von Energie
DE4332789A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Baldur Dr Eliasson Eric Killer - Current Assignee
- ABB Research Ltd Switzerland
Worldwide applications
Application DE4332789A events
1993-09-27
1994-08-30
1994-09-27
1995-03-30
Status
Ceased
Description
translated from
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung
von Energie. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur
Speicherung von Energie aus Wasserstoff.
Der Kohlendioxidausstoß fossiler Verbrennungsprozesse hat
ein Ausmaß erreicht, das globale Veränderungen der Zusam
mensetzung der Atmosphäre bewirkt und über den Treibhausef
fekt zu gravierenden Klimaveränderungen führen kann. Nach
Angaben der IPCC-Kommission, welche die Weltklima-Konferenz
in Genf im Oktober/November 1990 vorbereitet hat, müßte man
die Emission von Kohlendioxid sofort um 60% reduzieren, um
den Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre zu stabilisieren.
Schon vor vielen Jahren wurde vorgeschlagen, Wasserstoff als
Energieträger für Verkehrsmittel und stationäre Anlagen zu
verwenden, weil die Verbrennung von Wasserstoff absolut
"sauber" erfolgt. Abgesehen vom großen Energieaufwand bei
seiner Herstellung ist der Transport, die Lagerung und
Handhabung von Wasserstoff sehr problematisch.
Hingegen bietet sich die Umwandlung von Kohlendioxid in
chemische Verbindungen an, die in großen Mengen Absatz
finden könnten, z. B. als Treibstoff für Verkehrsmittel oder
Verbrennungsanlagen. Zu diesen Verbindungen gehören in
erster Linie Methanol oder auch Methan.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Speicherung von Wasserstoffenergie anzugeben, das die
geschilderten Probleme nicht aufweist und mit dazu beiträgt,
den Gesamtausstoß von Kohlendioxid zu vermindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
eine Mischung von Wasserstoff und Kohlendioxid in einem
Reaktor in Methan und/oder Methanol umgesetzt wird. Vorzugs
weise wird dabei das Kohlendioxid aus dem Abgas fossil be
heizter Energieerzeugungsanlagen verwendet.
Methan und insbesondere Methanol sind wesentlich problem
loser zu speichern und handzuhaben. Bekanntlich ist Wasser
stoff gasförmig unter normalen Bedingungen. Methanol hinge
gen ist bei Atmosphärendruck und normalen Bedingungen eine
Flüssigkeit. Ein weiterer Vorteil von Methanol als Speicher
gegenüber Wasserstoff ist, daß Methanol einen fast doppelt
so hohen Energiegehalt pro Volumeneinheit hat als flüssiger
Wasserstoff.
Die Umwandlung von Wasserstoffenergie ist zwar mit zusätz
lichem apparativen Aufwand verbunden, doch überwiegen zu
mindest aus ökologischer Sicht die daraus resultierenden
Vorteile:
Die Verbrennung von Methan oder Methanol erzeugt zwar wieder
das Treibhausgas Kohlendioxid, doch gewinnt man das Kohlen
dioxid aus den Abgasen eines anderen Verbrennungsvorganges,
z. B. fossil beheizten Kraftwerken, so wird der Kohlendioxid
ausstoß gesamthaft vermindert.
Die Herstellung von Methan und Methanol aus Kohlendioxid und
Wasserstoff kann dabei so erfolgen, daß die Ausgangs
substanzen Kohlendioxid und Wasserstoff einem thermischen
Reaktor zugeführt und darin unter Überdruck und in Anwesen
heit eines Katalysators in Methanol umgewandelt werden. Eine
weitere Möglichkeit ist in der DE-A-42 20 865 beschrieben.
Dort wird in einem Reaktor ein Gemisch aus Kohlendioxid und
Wasserstoff oder einer Wasserstoff enthaltenden Substanz,
z. B. Wasserdampf, stillen elektrischen Entladungen ausge
setzt und auf diese Methan und Methanol erzeugt.
Die Ausgangssubstanz Wasserstoff kann nach einem der heute
gängigen Verfahren hergestellt werden, z. B. durch Elektro
lyse, wobei als Energiequelle Kernenergie oder erneuerbare
Energiequellen (Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse) dienen
können. Daneben kann der Wasserstoff durch Spaltung von
Schwefelwasserstoff (H₂S) mittels stiller elektrischer Ent
ladungen, durch thermische Dissoziation, durch elektroly
tische Dissoziation oder auch Dissoziation von Schwefelwas
serstoff mittels Mikrowellen erzeugt werden. Gerade die
letztgenannte Methode zeichnet sich durch vergleichsweise
geringe Herstellungskosten aus. So werden z. B. bei Verwen
dung von Mikrowellen etwa 2 kWh/m₃ Wasserstoff, bei der
Elektrolyse etwa 5 kWh/m₃ Wasserstoff benötigt (vgl.
A.Z. Bagagautdinov et al. "Proceedings of the 9th World
Hydrogen Conference" Paris, France, June 22-25, 1992, pp.
87-90). Schwefelwasserstoff fällt bei bestimmten chemischen
Verfahren quasi als Abfallprodukt an; er ist auch ein Neben
produkt der erdgasverarbeitenden Industrie. Die Gewinnung
von Wasserstoff aus Schwefelwasserstoff hat dazu den
Vorteil, daß dessen Bindungsenergie kleiner ist als die von
Wasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläu
tert.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsge
mäßen Verfahren schematisch dargestellt. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erste Variante zur Speicherung von aus
Sonnenenergie erzeugter Wasserstoffenergie unter
Verwendung eines thermischen Reaktors, wobei als
Wasserstoffquelle Wasser dient;
Fig. 2 eine zweite Variante zur Speicherung von aus Son
nenenergie erzeugter Wasserstoffenergie unter
Verwendung eines thermischen Reaktors, wobei als
Wasserstoffquelle Schwefelwasserstoff dient;
Fig. 3 eine zweite Variante zur Speicherung von aus Son
nenenergie erzeugter Wasserstoffenergie unter
Verwendung stiller elektrischer Entladungen.
Gemäß Fig. 1 wird Strahlungsenergie des Sonne 1 in einer
Solarstromanlage 2 in elektrische Energie umgewandelt. Diese
wird in einer Wasserelektrolyseanlage 3 zur Spaltung von
Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Der entstan
dene Sauerstoff wird technischen oder sonstigen Zwecken
zugeführt. Der Wasserstoff gelangt in einen Reaktor 4. Fos
sile Energie (Kohle, Gas, Erdöl), symbolisiert durch den
Block 5 wird in einem Kraftwerk 6 in elektrische Energie
und/oder Heizenergie umgewandelt. Die Abgasreinigungsanlage
des Kraftwerks ist mit einer (bekannten) Einrichtung 6a zur
Kohlendioxidgewinnung ausgerüstet, z. B. wie sie in der Fir
menschrift der ABB Lummus Crest, 12141 Wickester, Houston,
TX 77079-9570 U.S.A. "CO₂ Recovery from Flue Gas" undatiert,
beschrieben und dargestellt ist. Das gewonnene Kohlendioxid
wird ebenfalls dem Reaktor 4 zugeführt.
Im Reaktor 4 wird z. B. nach dem aus der DE-A-42 20 865
bekannten Verfahren unter Einfluß stiller elektrischer
Entladungen Methanol erzeugt. Alternativ kann die Methanol
synthese auch in einem thermischen Reaktor unter Druck und
erhöhter Temperatur und in Anwesenheit eines Katalysators
auf Kupferbasis erfolgen. Typische Katalysatoren sind bei
spielsweise in der Veröffentlichung von N.Kanoun et al.
"Catalytic properties of new Cu based catalysts containing
Zr and/or V for methanol synthesis from a carbon dioxide and
hydrogen mixture" in CATALYSIS LETTERS 15,(1992) 231-235,
beschrieben.
Das auf diese gewonnene Methanol wird in einem Tank 7 ge
speichert und kann je nach Bedarf Verbrauchern 8 wie Fahr
zeugen, Kraftwerken etc. zugeführt werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird als
Wasserstoffquelle Schwefelwasserstoff eingesetzt. Durch
Mikrowellen, elektrische Entladungen, elektrolytische oder
thermische Dissoziation kann Schwefelwasserstoff nach be
kannten Verfahren in Wasserstoff und Schwefel zerlegt wer
den. Eine nach einem dieser Verfahren arbeitende Schwefel
wasserstoffspaltanlage ist in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 3a
bezeichnet. Der neben Wasserstoff entstehende Schwefel wird
anderweitig verwertet, der Wasserstoff hingegen gelangt in
den Reaktor 4. Ansonsten entspricht der Aufbau und die Be
triebsweise derjenigen nach Fig. 1.
In Fig. 3 ist eine dritte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Wasserstoffenergie-Speicherung schematisch
dargestellt, bei welchem Kohlendioxid eine Wasserstoff ent
haltende Substanz, z. B. Wasser oder Schwefelwasserstoff,
einem Reaktor 4a zugeführt werden, in dem das Gemisch aus
Kohlendioxid und der besagten Substanz stillen elektrischen
Entladungen ausgesetzt wird. Im Gegensatz zu den beiden
anderen Varianten wird also hier der Wasserstoff direkt im
Reaktor 4a erzeugt und reagiert mit dem Kohlendioxid. Dieses
Verfahren und die zugehörige Einrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens ist in der DE-A-42 20 865 beschrieben und
dargestellt, auf welches Dokument hier ausdrücklich Bezug
genommen wird.
In allen beschriebenen Alternativen ist dann die Solarener
gie in Form von Methanol gespeichert. Nach den weiter oben
beschriebenen Verfahren kann anstelle von Methanol auch
Methan im Reaktor 4 erzeugt werden. Wenn auch Methan weniger
einfach zu speichern und handzuhaben ist, bringt es gegen
über (verflüssigtem) Wasserstoff wesentliche Vorteile
(weniger explosiv, leichter zu verflüssigen).
Die Bereitstellung von Wasserstoff kann aber auch auf andere
Weise erfolgen, z. B. durch Wasserelektrolyseanlagen oder
Schwefelwasserstoff-Spaltanlagen, die mit Nachtstrom ge
speist werden.
Bezugszeichenliste
1 Sonne
2 Solarstromanlage
3 Wasser-Elektrolyseanlage
3a Schwefelwasserstoff-Spaltanlage
4, 4a Methanolreaktoren
5 fossiler Energieträger
6 thermisches Kraftwerk
7 Methanolspeicher
8 Verbraucher
2 Solarstromanlage
3 Wasser-Elektrolyseanlage
3a Schwefelwasserstoff-Spaltanlage
4, 4a Methanolreaktoren
5 fossiler Energieträger
6 thermisches Kraftwerk
7 Methanolspeicher
8 Verbraucher
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1. Verfahren zur Speicherung von Wasserstoffenergie,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von
Wasserstoff und Kohlendioxid in einem Reaktor in Methan
und/oder Methanol umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kohlendioxid aus dem Abgas fossil beheizter Ener
gieerzeugungsanlagen verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Wasserstoff unter Einsatz von Solar- oder
Nuklearenergie aus Wasser oder Schwefelwasserstoff
gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wasserstoff in stillen elektrischen Entladungen aus
Wasserdampf oder Schwefelwasserstoff gewonnen wird.