DE4332789A1 - Verfahren zur Speicherung von Energie - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von Energie. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Speicherung von Energie aus Wasserstoff.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

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.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

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.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

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

Claims (4)

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.