EP2892983A2 - Ökologische sequestrierung von kohlendioxid / vermehrung der durch biomasse erzielbaren bioenergie - Google Patents

Ökologische sequestrierung von kohlendioxid / vermehrung der durch biomasse erzielbaren bioenergie

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EP2892983A2
EP2892983A2 EP12798134.8A EP12798134A EP2892983A2 EP 2892983 A2 EP2892983 A2 EP 2892983A2 EP 12798134 A EP12798134 A EP 12798134A EP 2892983 A2 EP2892983 A2 EP 2892983A2
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EP
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carbon dioxide
hydrogen
biomass
methane
carbon
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    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • Carbonation sequestration also known as CCS (Carbon Capturing and Storage)
  • CCS Carbon Capturing and Storage
  • the C02 is pressed under high pressure into underground cavities. As cavities often extracted natural gas fields are used. Since it is not certain that the C02 remains permanently trapped underground, the acceptance of CCS is low for the time being. However, it will be inevitable if society continues to rely on fossil fuel power generation and it needs to be burnt C02-neutral (without C02 emission).
  • CO 2 -neutral power generation Another way of CO 2 -neutral power generation is the combustion of biomass or biomass conversion products such as biomass. Biogas, bio-alcohol or biodiesel. Here it is assumed that the C02 released during combustion has previously been absorbed by the plant during photosynthesis and thus removed from the atmosphere.
  • Such a way would be to decompose biomass into 2 moles of hydrogen and 1 mole of CO 2, separating the two gases, sequestering CO 2, and burning the hydrogen to produce energy.
  • hydrogen burns emission-free to form water vapor.
  • the C02 which has deprived the biomass used in the vegetation phase of the atmosphere, stored permanently under the ground and burned the biomass emission-free. In the balance, energy production is linked to the sequestration of carbon dioxide from the atmosphere.
  • An essential part of the present invention is thus the ecological sequestration of
  • Carbon dioxide characterized in that biomass are converted thermally or chemically using water vapor into carbon dioxide and hydrogen, carbon dioxide and hydrogen are separated, then carbon dioxide is stored / sequestrated, while a "climate balance" is generated and the hydrogen is used to generate energy.
  • the biomass includes all biological carbon and hydrogen containing agricultural and forestry raw materials. Examples of raw materials are wheat, maize, grass and wood as well as agricultural and forestry waste. Of course, synthetic organic compounds with the biomass can be converted to hydrogen.
  • the biomass conversion products include all biomass reaction products, such as biomass.
  • biomass Biogas, bio-alcohol or biodiesel as well as fats, oils, sugar, cellulose, waxes.
  • the conversion of biomass or its reaction products in C02 and H2 is preferably carried out under pressure and heat with steam in the so-called. Reformer.
  • the biomass-derived hydrogen can now displace natural gas that has been trapped and expel it from the reservoir. This promotes additional natural gas while freeing up additional storage space for C02. It can also be assumed that in the pores, in which the previously held natural gas is first dissolved out by hydrogen and then replaced by CO 2, the CO 2 is absorbed by the rock and therefore stored at low pressure.
  • the present invention thus further the thermal and chemical conversion of biomass or its reaction products to carbon dioxide and hydrogen, characterized in that in a natural gas deposit initially only the hydrogen is introduced and thus the natural gas is discharged from the deposit, then the C02 sequestered and with the initiated C02, the hydrogen is discharged.
  • a hydrogen / natural gas mixture occurs during the introduction of hydrogen on the delivery side, either the hydrogen can be separated off as described above and returned to the deposit, or the mixture can be sent to the points of consumption via the network or via a specific line. Since, of course, the gases in the deposit do not mix evenly, a fluctuating gas mixture is promoted. Because of the large physical and combustible differences of hydrogen and natural gas, in particular the different calorific value (the calorific value of Ergas is about three times higher than that of hydrogen) must be determined at the point of consumption of the current hydrogen content and the gas metering to the burner are set accordingly. Also, the meter measuring the consumed energy must take into account the hydrogen content. Since this expenditure on equipment is difficult in private households, it is recommended that in this concept of the delivery of natural gas, or natural gas / hydrogen mixture supplied to large consumption points where the corresponding measuring devices can be presented. Examples include: heating plants or gas-fired power plants.
  • the methane can also be discharged there with hydrogen as described above, and then the hydrogen can be replaced by the CO 2 to be stored.
  • Mine gas also usually contains non-combustible gases, which can make combustion inefficient. Here it may be advantageous to deliberately increase the hydrogen content and thus to improve the energy density of the gas mixture.
  • the hydrogen that displaces natural gas is by definition a renewable resource.
  • this also means that the part of the extracted natural gas, which is equivalent to the biomass originally used, becomes a renewable raw material and can be burned CO 2 -neutral to produce energy in gas-fired power plants. This is justified because the hydrogen produced from the biomass, as already mentioned, burns emission-free to water vapor.
  • the emission rights associated with the sequestration can then be transferred to another power plant. In other words, the emission rights or bioactivity of biocarbon dioxide taken from the atmosphere and permanently stored in the soil is transferred to fossil carbon fuels.
  • the subject matter of the present invention is thus a method for propagating the bioenergy which can be achieved with biomass, characterized in that biomass is chemically treated, e.g. using water vapor or thermally converted into carbon dioxide and hydrogen, the carbon dioxide stored is sequestered and the hydrogen used for energy production, further that emission rights associated with the sequestration of the resulting from the combustion / power generation or chemical separation of biomass from biological carbon dioxide are transmitted to the emission of carbon dioxide generated during the combustion of fossil carbon (or that the bio-activity of the stored bio-carbon dioxide is transferred to the carbon of a fossil fuel).
  • the biological carbon dioxide must be determined quantitatively and transferred proportionally to fossil carbon (natural gas).
  • the method according to the invention allows a continuous transition from the source of energy natural gas to hydrogen (or by methane derived from it, s.u.) As an energy source of renewable energies. No new lines, no additional power plants and no additional storage are needed. The process complements the fluctuating wind and solar energies and together they create the ideal energy mix for the energy transition.
  • the hydrogen can also be converted to methane as an energy carrier for better handling
  • Natural gas consists mainly of methane.
  • Reactant of hydrogen offers the sequestered / stored carbon dioxide. Then 4 moles of hydrogen are required according to the following reaction (Rk.l.). It becomes the
  • the hydrogen can also be reacted with the so-called synthesis gas (mixture of carbon monoxide and hydrogen) obtained in the reaction of carbon with water as an intermediate (Rk 2.). Then only 2 moles of hydrogen are needed to produce methane:
  • the synthesis gas is divided in the intermediate stage. One part (about half) is "reacted through” to CO 2 and hydrogen, the other part is converted to methane with the total hydrogen formed according to Rk.2, ie half of the synthesis gas saves the additional carbon monoxide conversion step carbon dioxide.
  • the stored / sequestered carbon dioxide is half constructed on biological and half on fossil carbon.
  • the process according to the invention gives 100% biomefan.
  • the "climate bonus" (the bioactivity) of the biological carbon in the stored carbon dioxide is credited to the fossil carbon in the produced methane (see chapter: “Chemical compounds / mass / volume / energy”).
  • the synthesis gas can also be reacted with hydrogen additionally obtained by water electrolysis from excess electrical energy.
  • Such hydrogen can be generated by water electrolysis eg from wind or solar power.
  • the proportion of the synthesis gas, which is converted to methane increased.
  • the entire synthesis gas can then be converted into methane with hydrogen.
  • the bioenergy in the biomethane thus produced is further increased.
  • a storage power plant can be represented in which carbon is either converted into methane as described in different operating phases, or with excess electrical energy via the water electrolysis more methane (practically twice the amount) is generated.
  • the hydrogen produced from excess electrical energy can also be converted with stored carbon dioxide.
  • the methane produced in this way can be fed into the natural gas grid and so fluctuating wind or solar power can be stabilized, transported and reconverted elsewhere from the stored and transported methane or its natural gas equivalents.
  • the first phase of operation electrical energy is introduced into the power grid.
  • the second phase of operation (excess) electrical energy is taken from the power grid, converted into methane and the methane is introduced into the gas network and stored in the gas network.
  • the system can be used to stabilize the power grid and as energy storage.
  • the bio-carbon dioxide is stored, whose bioactivity is transferred in the second phase of operation on formed methane with fossil carbon.
  • connection of the power plant to the high-voltage network and the transformers can be used both for introducing the energy in the first phase of operation and for current drain of the water electrolysis in the second phase of operation in different directions.
  • the first phase of operation then serves to cover supply holes and demand peaks, the second phase of operation of storage and distribution of excess energy.
  • the conversion of the synthesis gas can take place by
  • the carbon monoxide in the synthesis gas is converted into further hydrogen and carbon dioxide with steam as described above, the carbon dioxide is sequestered and the hydrogen is burnt / emitted.
  • a part (ideally half) of the synthesis gas is converted into hydrogen and carbon dioxide as before, the carbon dioxide is sequestered and the hydrogen produced converts the other part of the synthesis gas into methane and the methane is burnt / emitted.
  • the direct power generation of the synthesis gas in the power plant during the first phase of operation of the storage power plant is preferred. If, in order to increase the power of the gas-fired power station, methane / natural gas is also emitted, additional carbon dioxide to be stored is created. The same applies to the water vapor formed during methane combustion, which is also condensed (see below).
  • the oxygen formed and stored in the water electrolysis in the second phase of operation can be used instead of the combustion air.
  • the advantage is that no climate-damaging nitrogen oxides are then formed in the absence of atmospheric nitrogen. This applies to all three types of generation of the synthesis gas.
  • the present technology allows to take carbon dioxide from the atmosphere via the photosynthesis of the plants (biomass) and to store / sequester the resulting bio-carbon dioxide in the soil after thermal utilization (combustion) of the bio-carbon from these plants. Now it becomes possible to burn fossil fuels such as coal in the same carbon ratio carbon dioxide neutral in a unitary process together with the biomass (for example wood). That is, the bio-carbon dioxide formed and sequestered in the first phase of operation by combustion of the synthesis gas may, in the second phase of operation, make the equimolar amount of fossil carbon carbon dioxide neutral upon combustion.
  • the "climate lever" according to the invention in the storage of bio-carbon dioxide can already be used in the generation of electricity from the corresponding mixtures of coal and wood.
  • the effect is enhanced when in the energy storage phase (second operating phase) additional hydrogen from excess electrical
  • the methane gas can be emitted on site or introduced into the gas network, thus transporting wind and solar energy via gas pipelines. The increase in bioenergy occurs within the storage power plant.
  • Example clear a composition of 120 t. Wood and 80 tons of coal (carbon content / calorific value.
  • Wood 50% / 4 - 5 KWh, coal: 75% / 7 KWh) is converted by gasification into synthesis gas.
  • Half of the synthesis gas is emitted in the first phase of operation, with about 300,000 KW electrical energy to be obtained (efficiency of coal gas power approximately 50%)
  • the resulting carbon dioxide, which contains half biological and fossil carbon, is stored sequestered.
  • the other half of the synthesis gas is hydrogenated in the second phase of operation with hydrogen obtained from 1 million KW of excess wind power to methane (Rk. 2.), where approximately 130000 cbm.
  • Methane receives, which in turn is also half constructed on biological and fossil carbon.
  • This bio-methane (see above), locally or elsewhere reconverted, results in a gas and steam power plant (efficiency: 60%) about 850000KW green electricity.
  • the efficiency in relation to the excess energy used is then 85% (see chapter "Chemical compounds / mass / volume / energy" in the appendix).
  • C14 can be quantitatively determined by modern methods, eg by mass spectrometry.
  • the direct bio-fraction of both gases is determined.
  • the bioactivity of the sequestered biocarbon dioxide is transferred to fossil methane. Since both methane and carbon dioxide as chemical compounds each contain one carbon atom and both are gases, the bioactivity can be transferred in a ratio of 1: 1.
  • the specific chemistry of the carbon creates the conditions for the propagation of bioenergy according to the invention.
  • the oxygen formed during the electrolysis of water in the amount suitable for the combustion of the synthesis gas can advantageously be used in the combustion of the synthesis gas or of the hydrogen in the power plant instead of the combustion air (Rk.3.u.4).
  • the formation of climate-damaging nitric oxide is excluded.
  • the higher combustion temperature due to the high energy density of oxygen / fuel mixtures can be controlled by adding locally available water vapor or carbon dioxide.
  • a further advantage of this system combination is that aqueous condensate formed during combustion of hydrogen and methane can be separated off, stored and processed for water electrolysis. Likewise, the oxygen formed in the electrolysis of water can be stored and advantageously used in the gas combustion instead of air.
  • the central object of the present invention is the propagation of bio-energy which can be obtained from biomass, characterized in that biomass is converted chemically and / or thermally into bio-carbon dioxide and bio-hydrogen, the bio-carbon dioxide is stored / sequestered and the bio-hydrogen is mixed with a carbon monoxide is methanized and that emission rights or bioactivity associated with the sequestration of bio-carbon dioxide are determined by measurement and are proportionally transferred to fossil carbon.
  • the offsetting of emission rights can also take place internally by processing mixtures of fossil fuels (eg coal) and biomass (eg wood) according to the invention and transferring the emission rights generated by the bio-carbon content in the stored carbon dioxide to the fossil carbon in the produced methane become.
  • fossil fuels eg coal
  • biomass eg wood
  • the proportion of fossil carbon in the processed batch should be more than half.
  • Bioenergy can then be further increased by using additional hydrogen by water electrolysis from excess electrical energy according to the invention.
  • This technique also results in a high efficiency storage power plant capable of delivering or receiving electrical energy in successive phases of operation, and storing and transporting it in the form of methane and reconverting it. Quantitatively, this is the last chapter "chemical compounds / mass / volume / energy”.
  • the present method Compared to the combustion or gasification of biomass (biogas), the present method provides a multiple increase in the yield of bioenergy.
  • Bioenergy is allied with wind and solar energy.
  • the starting materials according to the invention are all variants of the biomass.
  • these are plants which convert carbon dioxide into organic carbon compounds and oxygen through chlorophyll. These can grow on land, in the water and in the sea. Preference is given to plants because, in contrast to the zoological biomass, they contain little nitrogen, phosphorus and sulfur.
  • raw materials can also be refined for use in accordance with the invention.
  • Ears are threshed and cereals and straw are processed separately.
  • corn The same applies to corn.
  • the refinement can go further and from oilseeds the oil can be pressed and used separately. Or the by-products of oil extraction are used in the invention.
  • biochemical performance products of biomass such as biogas and bioethanol deserve attention. Although both can be easily converted as gases in the reformer to hydrogen and CO 2 and the resulting CO 2 can be sequestered. However, part of the C02 has already been produced during their production from biomass and has been released into the atmosphere. In the case of biogas, one can also separate off methane, feed it into the gas network and then use the same amount of natural gas according to the invention.
  • Particularly economical is the use of whole plants or plant parts, which are then shredded further processed. Here are also to call: agricultural and forestry waste.
  • organic waste products can be included.
  • the economics of the process can be improved by the co-use of high-energy fossil fuels.
  • seasonal supply bottlenecks eg in annual plants can be compensated by such additives.
  • the use of coal together with biomass in this process is more cost-effective than the separate combustion of coal with the technically complex and thermodynamically inefficient subsequent separation of the CO 2 from the flue gases and its subsequent sequestration.
  • the CO 2 can be sequestered directly after separation of hydrogen. When co-processing with coal Hofz and wood-like materials are preferred.
  • the process is two-stage, as demonstrated by the model methane (CH4, biogas):
  • methane reacts with 1 mol of water to 3 moles of hydrogen (H2) and one mole of carbon monoxide (CO).
  • CO reacts with water to form C02 and H2. 4 moles of H2 and 1 mole of CO2 are produced per mole of CH4.
  • the chapters "Synthesis gas / production and use” as well as “Syngas / electricity generation / storage of carbon dioxide” mainly refer to syngas from coal, but also apply to synthesis gas from coal / wood mixtures.
  • sulfur and nitrogen containing gases should be separated.
  • Hydrogen and carbon dioxide are then separated by technically proven methods, e.g. by using the different boiling points. Now the hydrogen can be fed into the energy or heat generation and the C02 can be sequestered. But it can also be separated only hydrogen and all other gases can be sequestered.
  • the separated hydrogen into a natural gas deposit and to discharge the natural gas.
  • the hydrogen may be introduced into a deposit while still producing natural gas, for example, to maintain a desired discharge pressure in the deposit. If necessary, the hydrogen can also be fed directly into the gas network or into a specific natural gas pipeline.
  • gas mixtures then occur during transport and transport, their quality fluctuates because the hydrogen is not distributed uniformly in the reservoir and in the pipeline system and therefore a fluctuating gas mixture is conveyed.
  • this gas mixture either the hydrogen can be separated off by customary processes and returned to a reservoir for further discharge, or the gas mixture is standardized by adding hydrogen or natural gas subsequently as required.
  • the fluctuating gas mixture can be conducted to the consumer, in which case the hydrogen content / calorific value is determined at the point of consumption and the gas metering (and the value determination) must be adapted to the calorific value.
  • Electrolyser and rectifier for converting electrical energy into hydrogen (Rk. 3.)
  • the most important storage is the gas network with hybrid methane as the storage medium. If necessary, then the stored hybrid methane or its equivalent of natural gas in the gas network can be reconverted. This reconversion is preferably carried out in a gas power plant associated with the hybrid storage power plant. The synergies occurring in this combination of plants are described in detail above. The reconversion can also be done at a remote location, in which case the hybrid methane or its equivalents of natural gas are taken from the gas network.
  • the carbon dioxide can also be separated from the flue gases and stored or sequestered. If oxygen from the electrolysis of water is used instead of air during combustion, the carbon dioxide remains as gas after condensation of the water. If the carbon dioxide is also liquefied, the carbon monoxide which is unavoidable during coal combustion remains, which can be returned to the burner and thus does not escape into the environment.
  • a white storage medium is the feedwater for the electrolysis, which is obtained as carbon dioxide from the flue gases of the gas power plant (s).
  • the feedwater can be collected on site, prepared and stored with appropriate capacity in the tank. From remote gas power plants, the condensate collected there would then have to be transported to the hybrid storage power plant in tankers. Condensates from condensing boilers could then also be included in these transports. Collection and storage of the condensate from the natural gas / Hybndgasverbrennung is Therefore, an object of the invention, because with the amount of the dismantling of the hybrid methane from synthesis gas is made possible (EUc 2., 3. and 5.) ⁇
  • the condensate from the combustion of natural gas is also according to the invention for water electrolysis because of its greater purity using condensate from the combustion of coal-derived synthesis gas.
  • the synthesis gas is produced in the first stage of the "Fischer-Tropsch process" from carbon and water vapor at high temperatures (Rk 1.). Depending on the quality of the coal or the carbon compound, it contains as main component carbon monoxide and hydrogen and optionally methane. It is also possible to heat the coal in the absence of air to 1000 ° to 1300 °, to obtain coke, ie purer carbon, which is converted to the synthesis gas. In addition, about 1 to each. Coal approx. 300 cubic meters of flammable gas, a gas mixture with ea.50% hydrogen and 30% methane as main components, which can be fed directly into the gas network or into Rk.2. As another byproduct of the coking coal produced the so-called.
  • the production of the synthesis gas which also includes its purification, a complex, continuously running process in which prohibits a continuous on and off in the changing phases of operation of the storage power plant. It is therefore a particular object of the present invention that the synthesis gas in both operating phases in different uses (in the first phase of operation according to Rk. 3 and in the second phase of operation according to Rk.4.) Is used.
  • the hybrid storage power plant provided a coal power plant, so in the second phase of the synthesis gas syngas can be blown into the focal point of the coal power plant and thus exuded. With an additional gaseous fuel is available for peak demand higher line much faster. This gives you flexibility even with a coal-fired power plant.
  • the reaction of the synthesis gas to hybrid methane (Rk 2.) is carried out in a reaction named after the chemist "Sabatier" in which carbon monoxide is hydrogenated on nickel or iron catalysts with hydrogen to methane.
  • the Ghemisehe reaction is exothermic and can be used thermally in a refinement of the method according to the invention, whereby the efficiency of the reconversion can be further increased.
  • modified -Re Roth-Re
  • Rk Long-chain hydrocarbons can be obtained, which are suitable as fuels for motor vehicles.
  • Synthesis gas means its direct or indirect thermal utilization for the purpose of generating electrical energy.
  • the carbon dioxide formed in the operating phase of the conversion of the synthesis gas can also be stored / sequestrated.
  • the carbon dioxide is separated by pressure liquefaction from the flue gases. If, for combustion, instead of air, the oxygen formed in the electrolysis of water is used, the only gas left after the condensation of water is carbon dioxide, which can be stored directly.
  • the carbon monoxide in addition to its direct vaporization, can be converted with steam into carbon dioxide and further hydrogen. Then the carbon dioxide is stored and subsequently only hydrogen is burned.
  • This hydrogen can also be methanized in the same way as hydrogen obtained from the electrolysis. This is done by reacting the hydrogen either with stored carbon dioxide (Rk 6.) or with synthesis gas / carbon monoxide (Rk 2.). To the latter, the synthesis gas can be divided, with one part reacting as above to hydrogen and carbon dioxide and the other part of the synthesis gas then reacting with hydrogen to form methane (Rk 2.). This produces also in the operating phase of the power generation of the synthesis gas methane, which can alternatively be stored for direct combustion / electricity generation.
  • the synthesis gas can be emitted / burned as such, as hydrogen or as methane.
  • the carbon dioxide can be separated and stored as described.
  • the synthesis gas is obtained from biomass (for example wood) in the process according to the invention
  • biomass for example wood
  • the carbon dioxide which the plants had taken from the atmosphere is stored in the soil in the operating phase of the power generation during sequestration and excess in the operating phase of the storage Energy is generated by biomethane. Detection of the bio-fraction in the gases carbon dioxide and methane
  • the gases formed as end products carbon dioxide and methane are either taxed or financially supported (for example biomethane). It is therefore important, if e.g. changing proportions of wood with coal are gasified according to the invention, the Bio ⁇ share in o.g. To determine gases.
  • the carbon for the hybrid methane is derived from coal.
  • Methane consists of 75% carbon (molecular weight methane: 16, atomic weight carbon: 12).
  • the gas density of methane is 718g / cubic meter. It is calculated that 1 cubic meter of methane contains 539g of carbon. With a carbon content of coal of 65% to 90% (depending on the quality of the coal), 580g to 830g of coal per cubic meter of hybrid methane are needed.
  • Equal balance is obtained if, following Rk. 1. the synthesis gas is divided, half of the CO in the synthesis gas gem. Rk.7 to C02 and additional H2, C02 sequestered and 2 H2 with the remaining half of the synthesis gas acc. Rk.2 reacts to CH4 and H20.
  • the other half of the synthesis gas is converted with 240000 cbm H2, which are obtained in the second phase of operation by water electrolysis from 1 million KW of excess electrical energy like Rk.3 after Rk.2 to 120000 cbm methane. Balance and transmission of bioactivity is as above.
  • about 800,000 KW green electricity will be received.
  • 1.2 million KW (C02-neutral) green electricity will be obtained according to this variant.
  • 120 t of wood separately in the power plant emits only 300,000 to 400,000 kW of green electricity.
  • a feature of this invention is that in the chemical reactions the quantities match exactly.
  • the proportions of the biological and fossil raw materials should therefore be chosen so that sufficient fossil methane is always produced, to which the
  • Bioactivity of stored bio-carbon dioxide can be transmitted.

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Abstract

Biomasse wird, anstatt sie zur Energieerzeugung direkt zu verbrennen, nach bekannten Verfahren unter Einwirkung mit Wasserdampf über Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Mischung (Synthesegas genannt) als Zwischenstufe in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt. Kohlendioxid wird gespeichert/sequestriert und der Wasserstoff wird zur Energieerzeugung verwendet. Die Übertragung der Bioaktivität kann auch innerhalb desselben Prozesses erfolgen, indem eine Mischung aus Biomasse und fossilem Brennstoff (z.B. Holz und Kohle) zu Kohlendioxid und Wasserstoff zerlegt wird. Dann wird der Wasserstoff mit der Hälfte des gebildeten Kohlendioxid zu Methan umgesetzt und das restliche Kohlendioxid wird gespeichert. Gespeichertes Kohlendioxid und erzeugtes Methan besitzen jeweils zur Hälfte biologischen und fossilen Kohlenstoff. Überträgt man die Bioaktivität des gespeicherten Bio-Kohlendioxid auf den fossilen Kohlenstoff im Methan, so erhält man mit einer entsprechenden Mischung aus Holz und Kohle 100% Biomethan. Auch hier kann aus Kohle-Holz-Mischungen bis zu 100% Biomethan erhalten werden. Durch das Aufaddieren des aus überschüssiger elektrischer Energie gewonnenen Wasserstoffes auf den Biokohlenstoff wird hier die Bioenergie bezogen auf die eingesetzte Biomasse sogar vervierfacht. Wichtig für eine nachvollziehbare Ökobilanz bei solchen Mischungen ist, den Bio-Anteil in den beiden Endprodukten gespeichertes Kohlendioxid und erzeugtes Methan, quantitativ zu bestimmen. Hierzu bedient man sich z.B. der Radiokarbon(C14)-Methode.

Description

Ökologische Sequestrierung von Kohlendioxid /Vermehrung der durch Biomasse erzielbaren Bioenergie
Sequestrierung von Kohlensäure (C02) auch CCS (Carbon Capturing and Storage) genannt wird üblicherweise verwendet, damit C02 aus der Verbrennung fossiler Kohlenstoffverbindungen nicht in die Atmosphäre gelangt. Das C02 wird dabei unter hohem Druck in unterirdische Hohlräume gepresst. Als Hohlräume werden oft ausgeförderte Erdgasfelder verwendet. Da nicht mit Sicherheit feststeht, dass das C02 dauerhaft unter Tage eingeschlossen bleibt, ist die Akzeptanz von CCS vorerst gering. Dennoch wird es sich nicht vermeiden lassen, wenn die Gesellschaft weiterhin auf Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen angewiesen ist und diese C02-neutral (ohne C02 Emission) verbrannt werden müssen..
Ein anderer Weg der C02-neutralen Energieerzeugung ist die Verbrennung von Biomasse oder von Umsetzungsprodukten aus Biomasse wie z.B. Biogas, Bioalkohol oder Biodiesel. Hier geht man davon aus, dass das C02, das bei der Verbrennung freigesetzt wird, zuvor bei der Photosynthese von der Pflanze aufgenommen und so der Atmosphäre entzogen worden ist.
Natürlich kann man auch mit Wind und Sonne emissionsfrei Energie erzeugen. Man kann sogar Windoder Solarstrom durch Wasserelektrolyse in Wasserstoffüberführen und diesen emissionsfrei verbrennen. Wasserstoff verbrennt ausschließlich zu Wasserdampf.
Wie man sieht, gibt es ausreichend Methoden, Energie emissionsfrei zu erzeugen, indessen wird weiterhin fossiler Kohlenstoff verbrannt und die Gesellschaft ist zögernd dazu bereit, den Ausstoß an C02 wenigstens einzuschränken. Einen gangbaren Weg, das C02 aus der Atmosphäre wieder herauszuholen, gibt es bisher nicht.
Ein solcher Weg wäre gegeben, wenn man Biomasse in 2 Mol Wasserstoff und 1 Mol C02 zerlegt, die beiden Gase trennt, das C02 sequestriert und den Wasserstoff zur Energieerzeugung verbrennt. Wie bereits erwähnt verbrennt Wasserstoff emissionsfrei zu Wasserdampf. Hierbei wird dann das C02, das die verwendete Biomasse in der Vegetationsphase der Atmosphäre entzogen hat, dauerhaft unter der Erde gelagert und die Biomasse trotzdem emissionsfrei verbrannt. In der Bilanz wird Energieerzeugung mit der Sequestrierung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre verbunden.
Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung ist somit die ökologische Sequestrierung von
Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, dass Biomasse thermisch oder chemisch unter Verwendung von Wasserdampf in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt werden, Kohlendioxid und Wasserstoff getrennt werden, dann Kohlendioxid gespeichert/sequestriert wird, dabei ein„Klimaguthaben" erzeugt wird und der Wasserstoff zur Energieerzeugung verwendet wird. Die Biomasse umfasst alle biologischen Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden land- und forstwirtschaftlichen Rohstoffe. Als Rohstoffe sind beispielhaft zu nennen: Weizen, Mais, Gras und Holz sowie auch Land- und Forstwirtschaftliche Abfälle. Natürlich können auch synthetische organische Verbindungen mit der Biomasse zu Wasserstoff umgesetzt werden.
Die Umsetzungsprodukte von Biomasse umfasst alle Reaktionsprodukte der Biomasse wie z.B. Biogas, Bioalkohol oder Biodiesel sowie Fette, Öle, Zucker, Zellulose, Wachse.
Die Überführung von Biomasse oder ihren Umsetzungsprodukten in C02 und H2 geschieht vorzugsweise unter Druck und Hitze mit Wasserdampf im sog. Reformer.
In den ausgeförderten Erdgaslagerstätten, in welche das C02 eingepresst werden soll, wird die Speicherkapazität eingeschränkt, wenn darin noch Erdgas vorhanden ist. In der Regel bleibt nämlich in Gasfeldern ein nicht unbeträchtlicher Anteil (bis zu 40%) an nicht zu förderndem Erdgas (non recoverable gas) zurück.
Hier kann nun der aus Biomasse gewonnene Wasserstoff auf Grund seiner extrem niedrigen Dichte(l/8 des Erdgases) und seiner hohen Fließfähigkeit noch eingeschlossenes Erdgas verdrängen und aus der Lagerstätte heraustreiben. Hierdurch wird zusätzliches Erdgas gefördert und zugleich zusätzlicher Speicherplatz für C02 frei. Auch kann angenommen werden, dass in den Poren, in denen das zuvor festgehaltene Erdgas erst durch Wasserstoff herausgelöst und dann durch C02 ersetzt wird das C02 vom Gestein absorbiert wird und deshalb bei niedrigem Druck gespeichert wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit weiterhin die thermische und chemische Überführung von Biomasse oder deren Umsetzungsprodukte zu Kohlendioxid und Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet dass in eine Erdgaslagerstätte zunächst nur der Wasserstoff eingeleitet wird und damit das Erdgas aus der Lagerstätte ausgefördert wird, danach das C02 sequestriert und mit dem eingeleiteten C02 der Wasserstoff ausgefördert wird.
Um während der Ausförderung/Verdrängung der einzelnen Gase eine Durchmischung möglichst zu vermeiden nutzt man den großen Dichteunterschied zwischen Wasserstoff einerseits und Methan(Erdgas) sowie C02 andererseits (Wasserstoff/Erdgas =1/8 Wasserstoff/C02 =1/22). Dabei geht man so vor, dass man zunächst den leichten Wasserstoff in den oberen Bereich der Lagerstätte einleitet und das auszufördernde Erdgas im unteren Bereich entnimmt. Bei der darauffolgenden Sequestrierung von C02 leitet man dann das schwere C02 in den unteren Bereich der Lagerstätte ein und entnimmt den Wasserstoff im oberen Bereich. Ab dem Zeitpunkt, an dem man ein Gasgemisch fördert, kann man die Gase trennen und führt jeweils das Gas, das gerade eingeleitet wird in die Lagerstätte zurück. Tritt während des Einleitens von Wasserstoff an der Förderseite ein WasserstofrTErdgas-Gemisch auf, so kann man entweder wie oben beschrieben den Wasserstoff abtrennen und in die Lagerstätte zurückleiten oder man leitet das Gemisch über das Netz oder über eine bestimmte Leitung zu den Verbrauchsstellen. Da sich naturgemäß die Gase in der Lagerstätte nicht gleichmäßig mischen fördert man ein fluktuierendes Gasgemisch. Wegen der großen physikalischen und brenntechnischen Unterschiede von Wasserstoff und Erdgas, insbesondere des unterschiedlichen Brennwertes (der Brennwert von Ergas ist ca. dreimal höher als der von Wasserstoff) muss an der Verbrauchstelle der aktuelle Wasserstoffgehalt bestimmt werden und die Gasdosierung zum Brenner entsprechend eingestellt werden. Auch der die verbrauchte Energie messende Zähler muss den Wasserstoffgehalt berücksichtigen. Da dieser apparative Aufwand in privaten Haushalten schwierig ist, empfiehlt es sich, bei diesem Konzept der Ausförderung das Erdgas, bzw. Erdgas/Wasserstoffgemisch großen Verbrauchstellen zuzuleiten, wo die entsprechenden Messeinrichtungen vorgelegt werden können. Als Beispiele seien Genannt: Heizwerke oder Gaskraftwerke.
Wegen des dreimal höheren Brennwertes von Erdgas gegenüber Wasserstoff lohnt es sich auch bei geringen Erdgasanteilen in der Gasmischung die Ausförderung fortzusetzen. Beispielsweise tragen nur 20% Anteil Erdgas in einer Erdgas/Wasserstofrmischung zu fast 50% zum Brennwert der Mischung bei.
Es kann aber auch nach der Förderung ein gleichmäßiges Wasserstoff/Erdgasgemisch hergestellt werden, indem man der fluktuierenden Gasmischung je nach Bedarf Wasserstoff oder Erdgas zusetzt.
Überträgt man das erfindungsgemäße Verfahren auf Kohlenflöze oder -Gruben, so kann auch dort wie beschrieben zunächst das Methan (Grubengas) mit Wasserstoff ausfördern und dann der Wasserstoff durch das zu speichernde C02 ersetzten. Grubengas enthält in der Regel auch unbrennbare Gase, durch welche die Verbrennung ineffizient werden kann. Hier kann es vorteilhaft sein, bewusst den Wasserstoffanteil zu erhöhen und damit die Energiedichte der Gasmischung zu verbessern.
Neben der ökologischen Bedeutung besticht dieses Verfahren ebenso durch seine hohe Wirtschaftlichkeit. Dies lässt sich an folgender Rechnung zeigen: Aus Methan gewinnt man in einem Dampfreformer die vierfache Gasmenge an Wasserstoff. Aus Biogas mit 50 bis 80% Methan kann man demzufolge das zwei bis zur dreifache Gasvolumen an Wasserstoff gewinnen. Das mit diesem Wasserstoff ausgeförderte/verdrängte Erdgas besitzt dann im Vergleich zum Wasserstoff den dreifachen Brennwert. Diese Rechnung ist beispielhaft und lässt sich auf andere chemische Verbindungsklassen der Biomasse übertragen. Man muss weiterhin berücksichtigen, dass hier Erdgas gefördert wird, das konventionell nicht zu fördern ist. Das alleine bewirkt eine dreifache Wertsteigerung der eingesetzten Biomasse. Dazu kommt dann der Wasserstoff als Energieträger, der das Erdgas ausgefördert hat und der zur Verfügung steht, wenn er seinerseits vom nachfolgenden C02 ausgefördert wird.
Der Wasserstoff, der das Erdgas verdrängt ist per Definitionem ein nachwachsender Rohstoff. Damit wird aber auch der Teil des geförderten Erdgases, welcher der ursprünglich eingesetzten Biomasse äquivalent ist, zum nachwachsenden Rohstoff und kann C02-neutral zur Energieerzeugung in Gaskraftwerken verbrannt werden. Dies ist berechtigt, weil der aus der Biomasse hervorgegangene Wasserstoff, wie bereits erwähnt, emissionsfrei zu Wasserdampf verbrennt. Die Emissionsrechte, die mit der Sequestrierung verbunden sind, kann man dann auf ein weiteres Kraftwerk übertragen.Anders gesagt: Die Emissionsrechte oder die Bioaktivität des aus der Atmosphäre geholten und dauerhaft im Boden gespeicherten Biokohlendioxid wird auf Brennstoffe mit fossilem Kohlenstoff übertragen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Vermehrung der mit Biomasse erzielbaren Bioenergie, dadurch gekennzeichnet, dass Biomasse chemisch z.B. unter Verwendung von Wasserdampf oder thermisch in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt wird, das Kohlendioxid gespeichert sequestriert wird und der Wasserstoff zur Energieerzeugung verwendet wird, ferner, dass Emissionsrechte, welche mit der Sequestrierung des aus der Verbrennung/Verstromung oder chemischer Abtrennung von aus Biomasse hervorgegangenem biologischem Kohlendioxid verbunden sind, auf die Emission von bei der Verbrennung von fossilem Kohlenstoff erzeugtem Kohlendioxid übertragen werden (oder dass die Bio-Aktivität des gespeicherten Bio-Kohlendioxid auf den Kohlenstoff eines fossilen Brennstoffes übertragen wird). Dazu muss das biologische Kohlendioxid quantitativ bestimmt werden und auf fossilen Kohlenstoff (Erdgas) proportional übertragen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen kontinuierlichen Übergang von dem Energieträger Erdgas auf Wasserstoff (oder durch daraus gewonnenes Methan, s.u.) als Energieträger erneuerbarer Energien. Dabei werden keine neuen Leitungen, keine zusätzlichen Kraftwerke und keine weiteren Speicher benötigt. Das Verfahren ergänzt die fluktuierenden Wind- und Sonnenenergien und schafft mit ihnen zusammen den idealen Energiemix für die Energiewende.
Der Wasserstoff kann auch zur besseren Handhabung als Energieträger zu Methan umgesetzt
(methanisiert) werden. Dieses Methan kann dann in das Erdgasnetz eingeleitet werden und zusammen mit dem Erdgas transportiert und verbraucht werden. Erdgas besteht überwiegend aus Methan. Als
Reaktionspartner des Wasserstoffes bietet sich das sequestrierte / gespeicherte Kohlendioxid an. Dann werden entsprechend folgender Reaktion (Rk.l.) 4 Mol Wasserstoff benötigt D.h. Es wird zur
Methanisierung des erfindungsgemäß gewonnenen Wasserstoffes die Hälfte des zu speichernden
Kohlendioxid benötigt. Die andere Hälfte wird sequestriert gespeichert. Rk.l. C02 + 4 H20 = CH4 + 2 H20 (im Anhang Rk. 6)
Der Wasserstoff kann aber auch mit dem bei der Umsetzung von Kohlenstoff mit Wasser als Zwischenprodukt anfallendem, sogenannten Synthesegas (Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff) umgesetzt werden (Rk. 2.). Dann werden zur Herstellung von Methan zusätzlich nur 2 Mol Wasserstoff benötigt:
Rk.2. (CO + H2) + 2 H2 = CH4 + H20
Dazu wird in der Zwischenstufe das Synthesegas geteilt. Ein Teil (etwa die Hälfte) wird zum C02 und Wasserstoff„durchreagiert", der andere Teil wird mit dem insgesamt gebildeten Wasserstoff gemäß Rk.2 zu Methan umgesetzt. D.h., bei der Hälfte des Synthesegases spart man den zusätzlichen Verfahrensschritt der Umsetzung des Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.
Im letzten Abschnitt des Kapitels„Beschreibung der Ausgangsstoffe" (Kap.l im Anhang) wird auf die wirtschaftliche Bedeutung der Mitverwendung fossiler Brennstoffe, z.B. Kohle, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingewiesen. So wird z.B. ein Gemenge aus Holz und Kohle, bei dem das Verhältnis von fossilem zu biologischem Kohlenstoff 1 : 1 ist, in der vorbeschriebenen Weise in Synthesegas überführt, das Synthesegas geteilt, ein Teil in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt, das Kohlendioxid gespeichert und der Wasserstoff mit dem anderen Teil des Synthesegases gemäß Rk.2 zu Methan umgesetzt.
Dann ist das gespeicherte/sequestrierte Kohlendioxid zur Hälfte auf biologischem und zur anderen Hälfte auf fossilem Kohlenstoff aufgebaut. Gleiches gilt für den Kohlenstoff des Methan. Überträgt man nun die Bioaktivität des biologischen Kohlenstoffes im gespeicherten Kohlendioxid auf den fossilen Kohlenstoff im Methan, so erhält man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 100% Biomefhan. In der Ökobilanz wird der "Klimabonus" (die Bioaktivität) des biologischen Kohlenstoffes im gespeicherten Kohlendioxid dem fossilen Kohlenstoff im erzeugten Methan gutgeschrieben, (vgl. Kapitel:„Chemische Verbindungen / Masse / Volumen / Energie")
Das Synthesegas kann auch mit zusätzlich durch Wasserelektrolyse aus überschüssiger elektrischer Energie gewonnenem Wasserstoff umgesetzt werden. Solcher Wasserstoff kann durch Wasserelektrolyse z.B. aus Wind oder Solarstrom erzeugt werden. Dann wird der Anteil des Synthesegases, das zu Methan umgesetzt wird, erhöht. Dabei kann dann auch das gesamte Synthesegas mit Wasserstoff in Methan überführt werden. Durch das Hinzufügen der überschüssigen elektrischen Energie mittels des Wasserstoffes zum ursprünglichen und durch Übertragung der Bio- Aktivität erhaltenen Biokohlenstoff wird die Bioenergie im so erzeugten Biomethan weiter vermehrt. Nach diesem Verfahren kann ein Speicherkraftwerk dargestellt werden, bei dem in unterschiedlichen Betriebsphasen Kohlenstoff entweder wie beschrieben in Methan überführt wird, oder mit überschüssiger elektrischer Energie über die Wasserelektrolyse weiteres Methan (praktisch die doppelte Menge) erzeugt wird. Es kann aber auch der aus überschüssiger elektrischer Energie hergestellte Wasserstoff mit gespeichertem Kohlendioxid umgesetzt werden.
Das so erzeugte Methan kann in das Erdgasnetz eingespeist werden und so kann fluktuierender Windoder Solarstrom verstetigt, transportiert und an anderer Stelle aus dem gespeicherten und transportierten Methan oder seinen Erdgas-Äquivalenten wieder rückverstromt werden.
Eine Weitere Möglichkeit, Biomasse oder Kohle oder Mischungen aus Kohle und Biomasse in einem wirtschaftlich arbeitende Speicherkraftwerk für überschüssige elektrische Energie einzusetzen, ist, in zwei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen:
1. das Synthesegas in einem Gaskraftwerk zu verströmen und damit Versorgungslücken zu decken und das gebildete Kohlendioxid im Boden zu speichern oder
2. das Synthesegas mit aus überschüssiger elektrischer Energie durch Wasserelektrolyse hergestelltem Wasserstoff zum Methan umzusetzen und das Methan im Gasnetz zu speichern.
In der ersten Betriebsphase wird elektrische Energie in das Stromnetz eingeleitet. In der zweiten Betriebsphase wird (überschüssige) elektrische Energie aus dem Stromnetz entnommen, in Methan umgeformt und das Methan wird in das Gasnetz eingeleitet und im Gasnetz gespeichert. Die Anlage kann zur Stabilisierung des Stromnetzes und als Energiespeicher eingesetzt werden. In der ersten Betriebsphase wird das Bio-Kohlendioxid gespeichert, dessen Bioaktivität in der zweiten Betriebsphase auf gebildetes Methan mit fossilem Kohlenstoff übertragen wird.
Bei einem derartigen Speicherkraftwerk tritt ein wichtiger Synegieeffekt ein: Der Anschluss des Kraftwerkes an das Hochspannungsnetz und die Transformatoren können sowohl zum Einleiten der Energie in der Ersten Betriebsphase als auch zur Stromentnahme der Wasserelektrolyse in der zweiten Betriebsphase in unterschiedlichen Richtungen genutzt werden.
Solche Speicherkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung, da mit der weiteren Verbreitung fluktuierender erneuerbarer Energien in naher Zukunft in der Regel entweder zu viel oder zu wenig Energie im Stromnetz ist. Die erste Betriebsphase dient dann der Deckung von Versorgungslöchern und Bedarfsspitzen, die zweite Betriebsphase der Speicherung und der Verteilung überschüssiger Energie.
Die Verstromung des Synthesegases kann erfolgen, indem
■ das Synthesegas direkt im Gaskraftwerk verbrannt wird. Bei der Verbrennung entstehen
Wasserdampf und Kohlendioxid. Nach Kondensation des Wasserdampfes kann das Kohlendioxidgas z.B. durch Druckverflüssigung vom verbleibenden Luftstickstoff abgetrennt und sequestriert werden.
■ das Kohlenmonoxid im Synthesegas wie oben beschrieben mit Wasserdampf in weiteren Wasserstoff und Kohlendioxid überführt wird, das Kohlendioxid sequestriert und der Wasserstoff verbrannt/verströmt wird.
■ ein Teil (im Idealfall die Hälfte) des Synthesegases wie zuvor in Wasserstoff und Kohlendioxid überführt wird, das Kohlendioxid sequestriert wird und der erzeugte Wasserstoff den anderen Teil des Synthesegases in Methan überführt und das Methan verbrannt/ verströmt wird.
Wegen der einfacheren Verfahrensweise wird die direkte Verstromung des Synthesegases im Kraftwerk während der ersten Betriebsphase des Speicherkraftwerkes bevorzugt. Wird, um die Leistung des Gaskraftwerkes zu erhöhen, auch Methan/Erdgas mit verströmt, so entsteht zusätzliches zu speicherndes Kohlendioxid. Gleiches gilt für den bei der Methan- Verbrennung gebildeten Wasserdampf, der gleichfalls kondensiert wird (s.u.).
Überschüssige elektrische Energie fallt auch bei allen unflexiblen Großkraftwerken wie z.B. Kohlen- und Kernkraftwerken an, wenn das Stromnetz wegen zu großer Auslastung vom Kraftwerk keine Leistung aufnehmen kann. Ein Zustand, der an der Wirtschaftlichkeit großer Kraftwerke zehrt und der mit der weiteren Verbreitung erneuerbarer Energien noch kritischer wird, da erneuerbare Energien im Stromnetz Vorrang haben.
Bei der Verstromung des Synthesegases in der 1. Betriebsphase kann der bei der Wasserelektrolyse in der zweiten Betriebsphase gebildete und gespeicherte Sauerstoff anstelle der Verbrennungsluft verwendet werden. Der Vorteil ist, dass dann in Abwesenheit von Luftstickstoff keine klimaschädlichen Stickoxide gebildet werden. Dies gilt für alle drei beschriebenen Arten der Verstromung des Synthesegases.
Sowohl bei der Verbrennung des Synthesegases als auch bei der Verbrennung von Methan mit reinem Sauerstoff muss Kohlendioxid aus den Rauchgasen nicht mehr abgetrennt werden. Nach Kondensation des Wasserdampfes bleibt es als einziges Gas übrig und kann direkt sequestriert werden. Bei der Kohleverbrennung unvermeidliches Kohlenmonoxid verbleibt dann bei der Druckverflüssigung als Gas und kann in den Brenner zurückgeführt werden, sodass es nicht in die Umwelt gelangt.
Zu beachten ist, dass bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff wegen der hohen Energiedichte der Verbrennungsgas-Mischung Werkstoffe (z.B. der Gasturbine) an die Grenze ihrer thermischen Belastbarkeit kommen. Es empfiehlt sich dann zur„Kühlung" inertgase einzusetzen. Hier bieten sich vorhandenes Kohlendioxid oder Wasserdampf an. Sowohl bei der Verbrennung von Wasserstoff als auch bei der Verbrennung des Synthesegases tritt in den Rauchgasen Wasserdampf auf, der nach Kondensation weitgehend salzfrei und destilliertem Wasser ähnlich ist und zu Speisewasser für die Wasserelektrolyse aufbereitet werden kann. Gleiches gilt für die Verbrennung von Methan. Auch bei der Hydrierung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (Rk.l. und Rk. 2.) entsteht wässriges Kondensat.. Das Kondenswasser enthält oft noch Säurespuren, welche durch Anionenaustauscher entfernt werden können.
Der Bedarf an hochgereinigtem Speisewasser für die Wasserelektrolyse in der hier vorgesehenen Größenordnung ist enorm. Angenommen, durch ein solches Speicherkraftwerk sollen in der zweiten Betriebsphase 1 Mio. KW überschüssige Energie durch Wasserelektrolyse als Wasserstoff gebunden werden, so sind hierfür 250000 1 dest. Wasser zur Verfügung zu stellen. Man erkennt, dass für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens die Verfügbarkeit von gereinigtem Wasser für die Wasserelektrolyse von entscheidender Bedeutung ist. Mit den verschiedenen, oben aufgezählte Kondensaten aus der Verbrennung von Wasserstoff ist diese Verfügbarkeit gegeben. Da das Wasser in der jeweils anderen Betriebsphase gebildet/verbrannt wird, muss es im Wassertank gespeichert werden. Meist enthalten die Kondensate Säurespuren, die mit Anionenaustauschern entfernt werden
Die vorliegende Technologie erlaubt, über die Photosynthese der Pflanzen (Biomasse) Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu nehmen und nach thermischer Nutzung (Verbrennung) des Bio-Kohlenstoffes aus diesen Pflanzen das entstandene Bio-Kohlendioxid im Boden zu speichern/sequestrieren. Nun wird es möglich, in einem einheitlichen Verfahren zusammen mit der Biomasse (z.B. Holz) fossile Brennstoffe wie Kohle im gleichem Kohlenstoff-Verhältnis Kohlendioxid-neutral zu verbrennen. D.h., das in der ersten Betriebsphase durch Verbrennung Verstromung des Synthesegases gebildete und sequestrierte Bio-Kohlendioxid kann in der zweiten Betriebsphase die äquimolare Menge an fossilem Kohlenstoff bei der Verbrennung Kohlendioxid-neutral stellen.
Der erfindungsgemäße„Klimahebel" bei der Speicherung von Bio-Kohlendioxid kann bereits bei der Verstromung des Synthesegases aus entsprechenden Mischungen von Kohle und Holz genutzt werden. Verstärkt wird die Wirkung, wenn in der Energie-Speicherphase (2. Betriebsphase) zusätzlicher Wasserstoff aus überschüssiger elektrischer Energie durch Wasserelektrolyse gewonnen wird und das Synthesegas diesen Wasserstoff methanisiert. Das so erhaltene Methan kann vor Ort verströmt oder in das Gasnetz eingeleitet werden und so Wind- und Sonnenenergie über Gasleitungen transportieren. Die Vermehrung der Bioenergie geschieht innerhalb des Speicherkraftwerkes.
In welchem Masse diese Technologie Wirtschaftlichkeit mit Ökologie verbindet, wird an folgendem
Beispiel deutlich: Eine Komposition von 120 t. Holz und 80 t Kohle (Kohlenstoffgehalt / Brennwert.
Holz: 50% / 4 - 5 KWh, Kohle: 75% / 7 KWh) wird durch Vergasung in Synthesegas überführt. Die
Hälfte des Synthesegases wird in der ersten Betriebsphase verströmt, wobei etwa 300000 KW elektrische Energie erhalten werden ( Wirkungsgrad der Kohlegasverstromung etwa 50% ) Das entstandene Kohlendioxid, das je zur Hälfte biologischen und fossilen Kohlenstoff enthält, wird gespeichert sequestriert. Die andere Hälfte des Synthesegases wird in der zweiten Betriebsphase mit aus 1 Mio. KW überschüssigem Windstrom gewonnenem Wasserstoff zu Methan hydriert ( Rk. 2.), wobei man ca. 130000 cbm. Methan erhält, welches seinerseits ebenfalls je zur Hälfte auf biologischem und fossilem Kohlenstoff aufgebaut ist. Dieses Bio-Methan (s.o.), vor Ort oder an anderer Stelle rückverstromt, ergibt in einem Gas- und Dampfkraftwerk (Wirkungsgrad: 60%) etwa 850000KW Ökostrom. Der Wirkungsgrad bezogen auf die eingesetzte überschüssige Energie beträgt dann 85% (vgl. Kapitel„Chemische Verbindungen / Masse / Volumen / Energie" im Anhang).
Indem die biologische Aktivität des Bio-Kohlenstoffes im gespeicherten Bio-Kohlendioxid auf den rückverstromten Methananteil mit dem fossilen Kohlenstoff übertragen wird, sind dies 850000 KW Ökostrom.
Aus 120 1 Holz und 80 1 Kohle sowie 1 Mio. KW überschüssiger Energie entstehen bedarfsgerecht und unter Nutzung der Schwankungen im Stromnetz 300000 KW elektrische Energie und 130000 cbm. Methan, die zu 850000 KW Ökostrom rückverstromt werden. Insgesamt werden also ca. 1.1 Mio. KW Ökostrom erhalten. Würde man die 120 t Holz alleine im Kraftwerk verströmen, erhielte man nur ca. 250000 KW Ökostrom; d.h.: Nach diesem Verfahren wird die aus Biomasse erzielbare Bioenergie um das drei- bis vierfache vermehrt.
Überwiegt in obigem Ansatz die Kohle, so wird die überschüssige Kohle in klimafreundliches Methan umgewandelt. Solches Methan, welches aus Kohlenstoff fossilen Ursprungs und aus mit Ökostrom hergestelltem Wasserstoff besteht, wird im Folgenden Hybridmethan genannt.
Im Einzelnen werden mit der vorliegenden Technologie
• aus 120 t Holz ca. 1,1 Mio. KW Ökostrom (die in der ersten Betriebsphase erzeugte elektrische Energie eingerechnet)
• 1 Mio. überschüssige Energie in Form von 130000cbm. Methan im Gasnetz gespeichert
• diese Methanmengen, bezogen auf die ursprünglich eingesetzte elektrische Energie, mit 85% Wirkungsgrad rückverstromt. (vgl. Anhang:„Elektrochemische Modellrechnung....")
• die Speicherkapazitäten für Kohlendioxid bezüglich ihrer Wirkung auf das Klima verdoppelt
• Beiträge zur Reduktion von Kohlendioxid-Aussstoß durch Biomasse gegenüber ihrer Verbrennung oder Vergasung vervierfacht
• durch Kohlendioxid-neutralen Einsatz von billiger Kohle erneuerbare Energien bezahlbar. Das bei Kohle und Holzvergasung entstehende Synthesegas enthält in der Praxis einen leichten Wasserstoffüberschuss und bereits vorgebildetes Methan, sodass der Wirkungsgrad bei der Rückverstromung der ursprünglich eingesetzten überschüssigen elektrischen Energie noch höher liegen kann.
Wichtig bei dieser Technologie ist, für eine saubere Ökobilanz den Bio-Anteil beim in der ersten Betriebsphase sequestrierten Kohlendioxid und beim in der zweiten Betriebsphase hergestellten Methan genau nachzuhalten. Dies ist jedoch schwierig, z.B. bei saisonalen Schwankungen im Kohle/Biomasse - Verhältnis, bei bedarfsgesteuertem Zusatz von Erdgas zum Synthesegas in der ersten Betriebsphase, bei schwankendem Verhältnis von erster zu zweiter Betriebsphase sowie bei schwankendem Angebot an überschüssiger elektrischer Energie (vgl. Anhang, Kapitel„Übersicht der chemischen Reaktionsgleichungen").
Eine Möglichkeit ist, sowohl im sequestrierten Kohlendioxid als auch im in das Netz abgegebenen Methan nach der Radiocarbonmethode das nur im jeweilige Bioanteil vorhandene C14 zu bestimmen (vgl. im Anhang„Nachweis des Bio-Anteils in den Gasen Kohlendioxid und Methan".). Das C14 kann nach modernen Methoden z.B. durch Massenspektrometrie quantitativ bestimmt werden.
Durch laufende Messung des Kohlenstoffisotops C14 in dem in der ersten Betriebsphase sequestrierten Kohlendioxid und in dem in der zweiten Betriebsphase erzeugten Methan wird der direkte Bioanteil beider Gase bestimmt. Nun wird die Bioaktivität des sequestrierten Bio- Kohlendioxid auf fossiles Methan übertragen. Da Methan und Kohlendioxid als chemische Verbindungen beide je ein C-Atom enthalten und beides Gase sind, kann die Bioaktivität im Verhältnis 1:1 übertragen werden. Die spezifische Chemie des Kohlenstoffes schafft die Voraussetzungen für die erfindungsgemäße Vermehrung der Bioenergie.
So kann mit Vorteil der bei der Wasserelektrolyse in der zur Verbrennung des Synthesegases passenden Menge gebildete Sauerstoff bei der Verbrennung des Synthesegases oder des Wasserstoffes im Kraftwerk anstelle der Verbrennungsluft eingesetzt werden (Rk.3.u.4). In Abwesenheit von Luftstickstoff wird so die Bildung von klimaschädlichem Stickoxid ausgeschlossen. Die durch die hohe Energiedichte von Sauerstoff/Brennstoff Mischungen bedingte höhere Verbrennungstemperatur kann durch Zusatz von vor Ort verfügbarem Wasserdampf oder Kohlendioxid kontrolliert werden.
Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht nur Wasserdampf, der gegebenenfalls kondensiert und wieder zur Elektrolyse zurückgeführt werden kann. Bei der Verbrennung des Synthesegases mit Sauerstoff bleibt nach Kondensation des Wasserdampfes nur noch Kohlendioxid übrig, welches direkt sequestriert werden kann. Wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Anlage die Verstromung des Synthesegases mit der Wasserelektrolyse kombiniert und erfolgen diese Vorgänge in aufeinanderfolgenden Betriebsphasen, so können der Anschluss an das Hochspannungsnetz und die Transformatoren des Kraftwerkes sowohl vom Kraftwerk als auch von der Wasserelektrolyse in beide Richtungen genutzt werden. Auch das Gasnetz könnte bei Bedarf in der ersten Betriebsphase Erdgas/Methan an das Gaskraftwerk abgeben und dann in der zweiten Betriebsphase Methan aufnehmen.
Ein weiterer Vorteil dieser Anlagenkombination ist, dass bei Verbrennung von Wasserstoff und Methan gebildetes wässriges Kondensat abgetrennt, gespeichert und für die Wasserelektrolyse aufbereitet werden kann. Ebenso kann der bei der Wasserelektrolyse gebildete Sauerstoff gespeichert und mit Vorteil bei der Gasverbrennung anstelle von Luft eingesetzt werden.
Zentraler Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie, dadurch gekennzeichnet, dass Biomasse chemisch und/oder thermisch in Bio- Kohlendioxid und Bio-Wasserstoff überführt wird, das Bio-Kohlendioxid gespeichert/sequestriert wird und der Bio- Wasserstoff mit einem der Kohlenoxide methanisiert wird und dass Emissionsrechte oder Bioaktivität, welche mit der Sequestrierung des Bio-Kohlendioxid verbunden sind, durch Messung bestimmt werden und proportional auf fossilen Kohlenstoff übertragen werden.
Die Verrechnung der Emissionsrechte kann auch Anlagen intern erfolgen, indem Gemenge aus fossilen Brennstoffen (z.B. Kohle) und Biomasse (z.B. Holz) erfindungsgemäß verarbeitet werden und die durch den Bio-Kohlenstoff-Anteil im gespeicherten Kohlendioxid erwachsenen Emissionsrechte auf den fossilen Kohlenstoff im erzeugten Methan übertragen werden. Um das volle Potential der vom gespeicherten Bio-Kohlendioxid ausgehenden Bio-Aktivität zu nutzen, sollte der Anteil an fossilem Kohlenstoff im verarbeiteten Gemenge mehr als die Hälfte sein.
Die Bioenergie lässt sich dann weiter vermehren, indem zusätzlicher Wasserstoff durch Wasserelektrolyse aus überschüssiger elektrischer Energie erfindungsgemäß eingesetzt wird. Diese Technik ergibt auch ein Speicherkraftwerk hoher Effizienz, bei dem in aufeinanderfolgenden Betriebsphasen elektrische Energie abgegeben oder aufgenommen und in Form von Methan gespeichert und transportiert und rückverstromt werden kann. Quantitativ betrachtet wird dies im letzten Kapitel„chemische Verbindungen / Masse / Volumen / Energie".
Im Vergleich zur Verbrennung oder Vergasung von Biomasse (Biogas) bietet das vorliegende Verfahren eine mehrfache Steigerung der Ausbeute an Bioenergie.
Bioenergie verbündet sich mit Wind- und Solarenergie.
Klimaziele können schneller erreicht werden. Anhang (Der Anhang ist Teil der Beschreibung)
Beschreibung der Ausgangsstoffe (Biomasse)
Zerlegung der Biomasse in Wasserstoff und Kohlendioxid
Trennen, Einleiten und Verarbeiten der Gase
Übersicht der chemischen Reaktionen
Übersicht der Einzelanlagen
Speicher und Speichermedien
Synthesegas, Herstellung und Verwendung
Synthesegas / Verstromung / Speicherung von Kohlendioxid
Nachweis des Bio- Anteiles in den Gasen Kohlendioxid und Methan
Elektrochemische Modellrechnung für die Herstellung von Methan
Chemische Verbindungen / Masse / Volumen / Energie
Beschreibung der Ausgangsstoffe:
Als erfindungsgemäße Ausgangsstoffe dienen alle Varianten der Biomasse. Vorzugsweise sind dies Pflanzen, welche durch Chlorophyll Kohlendioxid in organische Kohlenstoffverbindungen und Sauerstoff umwandeln. Diese können auf dem Land, in den Gewässern und im Meer wachsen. Bevorzugt sind Pflanzen deshalb, weil sie im Gegensatz zur zoologischen Biomasse wenig Stickstoff, Phosphor und Schwefel enthalten.
Diese Grundstoffe können zur erfindungsgemäßen Verwendung auch veredelt werden. So können z.B. Ähren gedroschen und Getreide und Stroh gesondert verarbeitet werden. Gleiches gilt für Mais. Die Veredlung kann noch weiter gehen und aus Ölsaaten kann das Öl gepresst und gesondert verwendet werden. Oder die Neben-/Abfallprodukte der Ölgewinnung werden erfindungsgemäß verwendet.
Beachtung verdienen die Biochemischen Veredlungsprodukte von Biomasse wie Biogas und Bioethanol. Beide können zwar einfach als Gase im Reformer zu Wasserstoff und C02 umgesetzt werden und das entstandene C02 kann sequestriert werden. Jedoch ist bei ihrer Herstellung aus Biomasse bereits ein Teil des C02 entstanden und in die Atmosphäre gelangt. Bei Biogas kann man auch Methan abtrennen, in das Gasnetz einspeisen und die gleiche Menge an Erdgas dann erfindungsgemäß verwenden.
Besonders wirtschaftlich ist die Verwendung ganzer Pflanzen oder Pflanzenteile, die dann zerkleinert weiterverarbeitet werden. Hier sind auch zu nennen: Land - und Forstwirtschaftliche Abfallstoffe.
Allgemein können organische Produkte der Abfallwirtschaft mitverwendet werden. Bei vielen erfindungsgemäßen Materialien kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch die Mitverwendung energiereicher fossiler Brennstoffe verbessert werden. Auch saisonbedingte Versorgungsengpässe z.B. bei Einjahrespflanzen kann man durch solche Zusätze ausgleichen. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, die Wasserstoffausbeute bei Verwendung von kommunalem Grünschnitt durch Zusatz von Kohle zu verbessern. Dies ist ökologisch unbedenklich, da bei den beschriebenen Verfahren C02-Emission ausgeschlossen ist. Der Einsatz von Kohle zusammen mit Biomasse in diesem Verfahren ist unter günstigen Voraussetzungen wirtschaftlicher als die separate Verbrennung von Kohle mit der technisch aufwendigen und thermodynamisch ineffizienten anschließenden Abtrennung des C02 aus den Rauchgasen und dessen nachfolgende Sequestrierung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das C02 nach Abtrennung von Wasserstoff direkt sequestriert werden. Bei der Koverarbeitung mit Kohle sind Hofz und Holz-artige Materialien bevorzugt.
Zerlegung der Biomasse zu Wasserstoff und Kohlendioxid:
Bevorzugt sind alle bekannten chemischen Verfahren, bei denen Biomasse unter Anwendung von Hitze und Druck unter Zusatz von Wasserdampf zu Wasserstoff und C02 reagieren. Liegen die Ausgangsmaterialien als Flüssigkeiten oder Gase vor, so kann man hierfür einen Dampfreformer benutzen. Feste Materialien werden wie bei der Kohlevergasung im Wirbelschichtverfahren umgesetzt.
Der Prozess ist zweistufig, wie am Modell Methan (CH4, Biogas) gezeigt wird: In der ersten Stufe reagiert Methan mit 1 Mol Wasser zu 3Mol Wasserstoff (H2) und einem Mol Kohlenmonoxid (CO). Im zweiten Schritt reagiert CO mit Wasser zu C02 und H2. Pro Mol CH4 entstehen also 4 Mol H2 und 1 Mol C02. Ähnlich kann man die Reaktionsgleichungen für andere biochemische Verbindungsklassen entwickeln. Auch dort verlaufen die Reaktionen zweistufig. Wird Kohlenstoff mit Wasserdampf umgesetzt, so entsteht in der ersten Stufe eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Mischung wird Synthesegas genannt. Die Kapitel„Synthesegas/Herstelf ung und Verwendung" sowie„Synthesegas / Verstromung / Speicherung von Kohlendioxid" beziehen sich überwiegend auf Synthesegas aus Kohle, gelten jedoch weitgehend auch für Synthesegas aus Kohle/Holz-Mischungen.
Bei der Verwendung nicht vorbehandelter Biomasse wie Holz oder ganzer Pflanzen bildet sich neben den Gasen ein fester Rückstand, der in der Landwirtschaft ein geeignetes Düngemittel ist. Trennen. Einleiten und Verarbeiten der Gase:
Zunächst sollten, wenn vorhanden, Schwefel und Stickstoff enthaltende Gase abgetrennt werden. Dann werden Wasserstoff und Kohlendioxid nach technisch erprobten Verfahren getrennt, z.B. indem man die unterschiedlichen Siedepunkte nutzt.. Nun kann der Wasserstoff der Energie- oder Wärmeerzeugung zugeleitet und das C02 sequestriert werden. Es kann aber auch nur Wasserstoff abgetrennt und alle übrigen Gase können sequestriert werden.
Erfindungsgemäß kann man auch den abgetrennten Wasserstoff in eine Erdgaslagerstätte einleiten und das Erdgas ausfördern. Hierzu ist es zweckmäßig, den leichten Wasserstoff in die Lagerstätte oben einzuleiten und das Erdgas im unteren Bereich zu entnehmen. Wie bereits erwähnt ist es wegen der großen physikalischen und brenntechnischen Unterschiede sinnvoll, die beiden Gase möglichst über längere Zeit der Ausförderung getrennt zu halten.
Es kann aber auch sinnvoll sein, den Wasserstoff so einzuleiten, dass eine Vermischung der Gase eintritt. Auch kann der Wasserstoff in eine Lagerstätte eingeleitet werden, während noch Erdgas gefördert wird, beispielsweise um in der Lagerstätte einen gewünschten Förderdruck aufrecht zu erhalten. Der Wasserstoff kann, wenn erforderlich, auch direkt in das Gasnetz oder in eine bestimmte Erdgasleitung eingespeist werden.
Treten dann bei der Förderung und beim Transport Gasmischungen auf, so sind sie in der Qualität schwankend, weil sich der Wasserstoff nicht gleichmäßig in der Lagerstätte und im Leitungssystem verteilt und deshalb ein fluktuierendes Gasgemisch gefördert wird. In diesem Gasgemisch kann man entweder den Wasserstoff nach üblichen Verfahren abtrennen und zur weiteren Ausförderung in eine Lagerstätte zurück leiten oder man standardisiert das Gasgemisch, indem ihm je nach Bedarf nachträglich Wasserstoff oder Erdgas zugesetzt wird. Als dritte Möglichkeit kann das fluktuierende Gasgemisch zum Verbraucher geleitet werden, wobei dann an der Verbrauchsstelle der Wasserstoffgehalt/Brennwert bestimmt und die Gasdosierung (und die Wertermittlung) dem Brennwert angepasst werden muss. Wegen des apparativen Aufwandes empfiehlt es sich, fluktuierende Gasmischungen bevorzugt an Großverbrauchstellen, wie z.B. bei Gaskraftwerken, zu verwenden und vorzugsweise nicht im Gasnetz, sondern in ausgewählten Pipelines dorthin zu leiten. Ist die Lagerstätte mit Wasserstoff aufgeladen, kann mit der Sequestrierung von C02 begonnen werden.
Die folgenden Kapitel, besonders die, welche Reaktionen und Anlagen betreffen, beschreiben vorwiegend Gewinnung von Methan mit fossilem Kohlenstoff (Hybridmethan), gelten jedoch in gleichem Maße für die Gewinnung von Biomethan: Übersicht der chemischen Reaktionsgleichungen (Rk. 1. bis Rk. 5.)
C + H20 = CO + H2
(CO + H2) + 2 H2 = CH4 + H20
2 H20 = 2 H2 + 02
CO +H2 + 02 = C02 + H20
CH4 + 2 02 = C02 + 2 H20
C02 + 4H2 = CH4 + 2 H20
Übersicht der Einzelanlagen des Hybridspeicherkraftwerkes (in Klammern die zu den jeweiligen Anlage gehörenden, obigen Reaktionen Rk. 1. bis Rk. 5.)
1. Kraftwerk / Gaskraftwerk ( k. 4. und/oder Rk.5.)
2. Anlage zur Kohlevergasung und Herstellung des Synthesegases (Rk. 1.)
3. Elektrolysegerät und Gleichrichter zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff (Rk. 3.)
4. Anlage zur Hydrierung von Kohlenmonoxid (oder Kohlendioxid) zu Hybridmethan (Rk. 5. u.6.)
5. Anschluss an das Hochspannungsnetz und Transformator (Rk.4./5. oder Rk. 3.)
6. AnSChluss än däS ErdgäSnetz (Rk. 5 öder Rk.2.)
Speicher und Speichermedien
Der wichtigste Speicher ist das Gasnetz mit dem Hybridmethan als Speichermedium. Im Bedarfsfalle kann dann das gespeicherte Hybridmethan oder sein Äquivalent an im Gasnetz befindlichem Erdgas rückverstromt werden. Diese Rückverstromung geschieht vorzugsweise in einem dem Hybridspeicherkraftwerk zugeordneten Gaskraftwerk. Die bei dieser Anlagenkombination auftretenden Synergien sind im Vorangegangenen ausführlich beschrieben. Die Rückverstromung kann aber auch an einem entfernteren Ort erfolgen, wobei dann das Hybridmethan oder seine Äquivalente an Erdgas dem Gasnetz entnommen werden.
Auch das Kohlendioxid kann aus den Rauchgasen abgetrennt und gespeichert oder sequestriert werden. Wird bei der Verbrennung Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse anstelle von Luft eingesetzt, so bleibt das Kohlendioxid nach Kondensation des Wassers als Gas übrig. Wird auch das Kohlendioxid druckverflüssigt, so verbleibt das bei der Kohleverbrennung unvermeidliche Kohlenmonoxid, das in den Brenner zurückgeführt werden kann und so nicht in die Umwelt gelangt.
Ein Weifefes Speichemedium ist däS Speisewässef für die Elektrolyse, das als KöndetiSWäSsef aus den Rauchgasen des/der Gaskraftwerke gewonnen wird. Ist das Gaskraftwerk mit dem Hybridspeicherkraftwerk verbunden, so kann das Speisewassers vor Ort gesammelt, aufbereitet und mit entsprechender Kapazität im Tank gespeichert werden. Von entfernteren Gaskraftwerken müsste das dort gesammelte Kondenswasser dann zum Hybridspeicherkraftwerk in Tankwagen transportiert werden. In diese Transporte könnten dann auch Kondensate aus Brennwertheizungen einbezogen werden. Sammlung und Speicherung des Kondensates aus der rdgas-/Hybndgasverbrennung ist deswegen ein Gegenstand der Erfindung, weil mit der Menge der Rückbau des Hybridmethan aus Synthesegas ermöglicht wird (EUc. 2., 3., und 5.)· Das Kondensat aus der Verbrennung von Erdgas ist wegen seiner größeren Reinheit dem ebenfalls erfindungsgemäß zur Wasserelektrolyse zu verwendenden Kondensat aus der Verbrennung von aus Kohle stammendem Synthesegas vorzuziehen.
Synthesegas / Herstellung und Verwendung
Das Synthesegas entsteht in der ersten Stufe des "Fischer-Tropsch- Verfahrens" aus Kohlenstoff und Wasserdampf bei hohen Temperaturen (Rk. 1.). Je nach Qualität der Kohle oder der Kohlenstoffverbindung enthält es als Hauptkomponente Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie gegebenenfalls Methan. Möglich ist auch, die Kohle unter Luftausschluss auf 1000° bis 1300° zu erhitzen , wobei man Koks erhält, d.h. reineren Kohlenstoff, welcher zum Synthesegas umgesetzt wird. Daneben werden etwa je 1 to. Kohle ca.300 Kubikmeter Leuchtgas , eine Gasmisehung mit ea.50% Wasserstoff und 30% Methan als Hauptbestandteile, welche direkt in das Gasnetz oder in Rk.2 eingeschleust werden können. Als weiteres Nebenprodukt der Verkokung der Kohle entsteht der sog. "Sf6 nk0hlenfee ', έΐίχέ MiSChUng νόή Aföfnäfen D6f Sf6ink0hlefife6f war' hisföfisch gesehen däs Sprungbrett der chemischen Industrie. Falls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der ökologische Bann von der Kohle genommen wird, können bei der erfindungsgemäße Kohleverwertung wieder zahlreiche chemische Zwischenprodukte gewonnen werden und die Abhängigkeit der Chemie von der Petrochemie wird vermindert.
In beiden Fällen ist die Herstellung des Synthesegases, die auch seine Reinigung einschließt, ein komplexer, kontinuierlich ablaufender Prozess , bei dem sich ein laufendes An- und Abstellen in den wechselnden Betriebsphasen des Speicherkraftwerkes verbietet. Es ist daher ein besonderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, dass das Synthesegas in beiden Betriebsphasen in unterschiedlichen Verwendungen (in der ersten Betriebsphase gemäß Rk. 3 und in der zweiten Betriebsphase gemäß Rk.4.) eingesetzt wird.
Wird das Hybridspeicherkraftwerk einem Kohlekraftwerk beigestellt, so kann in der zweiten Betriebsphase das Synthesegas auch in die Brennstelle des Kohlekraftwerks eingeblasen werden und so verströmt werden. Mit einem zusätzlichen gasförmigen Brennstoff steht für Bedarfsspitzen höhere Leitung wesentlich schneller zur Verfügung . So gewinnt man selbst mit einem Kohlekraftwerk Flexibilität.
Die Umsetzung des Synthesegases zu Hybridmethan (Rk. 2.) erfolgt in einer nach dem Chemiker "Sabatier" genannten Reaktion, in der Kohlenmonoxid an Nickel- oder Eisenkatalysatoren mit Wasserstoff zu Methan hydriert wird. Die Ghemisehe Reaktion ist exotherm und kann bei einer Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens thermisch genutzt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Rückverstromung weiter gesteigert werden kann. Bei veränderter -Reaktionsführung in Rk. 3. können auch langkettige Kohlenwasserstoffe gewonnen werden, welche als Treibstoffe für Kraftfahrzeuge geeignet sind.
Synthesegas / Verstromung /Speicherung von Kohlendioxid
Verstromung des. Synthesegases bedeutet seine direkte oder indirekte thermische Nutzung zum Zwecke der Erzeugung elektrischer Energie.
Das in der Betriebsphase der Verstromung des Synthesegases gebildete Kohlendioxid kann auch gespeichert / sequestriert werden. Dabei wird beispielsweise nach der Kondensation des bei der Verbrennung aus dem Wasserstoff gebildeten Wassers das Kohlendioxid durch Druckverflüssigung aus den Rauchgasen abgetrennt. Nimmt man zur Verbrennung anstelle von Luft den bei der Wasserelektrolyse gebildeten Sauerstoff, so verbleibt nach der Wasserkondensation als einziges Gas "Kohlendioxid, das direkt gespeichert werden kann.
Bei der VefSfföffiüfig des Syntfresegases kann neben seiner direkten Vefbfeniiüng äiich das Kohlenmonoxid mit Wasserdampf in Kohlend oxid und weiteren Wasserstoff überführt werden. Dann wird das Kohlendioxid gespeichert und nachfolgend wird ausschließlich Wasserstoff verbrannt. Dieser Wasserstoff kann auch, in gleicher Weise wie aus der Elektrolyse gewonnener Wasserstoff methanisiert werden. Dies geschieht, indem der Wasserstoff entweder mit gespeichertem Kohlendioxid (Rk. 6.) oder mit Synthesegas / Kohlenmonoxid (Rk. 2.) zur Reaktion gebracht wird. Zu letzterem kann das Synthesegas geteilt werden, wobei ein Teil wie oben zu Wasserstoff und Kohlendioxid durchreagiert und der andere Teil des Synthesegases dann mit Wasserstoff zu Methan reagiert (Rk. 2.). Dabei entsteht auch in der Betriebsphase der Verstromung des Synthesegases Methan, welches alternativ zur direkten Verbrennung /Verstromung auch gespeichert werden kann.
Zusammengefasst kann das Synthesegas als solches, als Wasserstoff oder als Methan verströmt / verbrannt werden. In allen drei Varianten kann das Kohlendioxid wie beschrieben abgetrennt und gespeichert werden.
Die. Überführung des Synthesegases in Methan auch in der Betriebsphase, in der sonst seine Verstromung ansteht, empfiehlt sich, wenn am Ort des Hybridspeicherkraftwerkes elektrische Energie nicht benötigt wird und auch nicht abgeleitet werden kann.
Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Synthesegas aus Biomasse (z. B. Holz) gewonnen, so wird in der Betriebsphase der Verstromung bei der Sequestrierung das Kohlendioxid, das die Pflanzen aus der Atmosphäre entnommen hatten, im Boden gespeichert und in der Betriebsphase der Speicherung überschüssiger Energie wird Biomethan erzeugt. Nachweis des Bio-Anteiles in den Gasen Kohlendioxid und Methan
Die als Endprodukte gebildeten Gase Kohlendioxid und Methan werden je nach ihrem Ursprung (Biologisch oder Fossil) entweder mit Abgaben belastet oder finanziell gefördert (z.B. Biomethan). Wichtig ist daher, wenn z.B. wechselnde Anteile von Holz mit Kohle erfindungsgemäß vergast werden, den Bio^Anteil in o.g. Gasen zu ermitteln.
Dies kann mittels der aus der Archäologie bekannten Radiocarbon-Methode (C14 Methode) erfolgen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die eingesetzte Biomasse und damit auch gebildetes Biomethan bezüglich des C14-Isotopenanteiles den Anfangswert besitzt, während fossiler Kohlenstoff kein C14 enthält. Gleiches gilt für Kohlendioxid Die Messung kann an den Gasen nach der sog. "Zähhrohnnethode nach Libby" erfolgen.
Elektrochemische Modellrechnung für die Herstellung von Hybridmethan aus (überschüssiger) elektrischer Energie und Kohle:
Beginnend mit Rk. 3. (Wasserelektrolyse) werden für einen Kubikmeter Wasserstoff ( H2 ) bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Elektrolyse von 80% 4,2 KW benötigt. Gemäß Rk. 2. werden zusätzlich zum Wasserstoff des Synthesegases weitere 2 Mol Wasserstoff ( H2 ) für die Herstelhjng von Hybridmethän aus Kohlenmonoxid benötigt. Daraus folgt, dass je Kubikmeter aus Synthesegas hergestelltem Hybridmethan ( CH4) ca. 8,4 KW elektrische Energie benötigt werden.
Es wird angenommen, der Kohlenstoff für das Hybridmethan wird aus Kohle gewonnen. Methan besteht zu 75 % aus Kohlenstoff (Molgewicht Methan: 16 , Atomgewicht Kohlenstoff: 12). Die Gasdichte von Methan liegt bei 718g/Kubikmeter. Daraus errechnet sich, dass 1 Kubikmeter Methan 539g Kohlenstoff enthalten. Bei einem Kohlenstoffgehalt der Kohle von 65% bis 90% (je nach Qualität der Kohle) werden 580g bis 830 g Kohle je Kubikmeter Hybridmethan benötigt.
Zusammengefasst ergeben 8,4 KW (überschüssige) elektrische Energie und 580g bis 830g (trockene) Kohle einen Kubikmeter Hybridmethan, welches mit Erdgas der H Qualität vergleichbar ist. Rückverstromt würde der Kubikmeter Hybridmethan 7,5 KW hefern (Energieinhalt von Hybridmethan 11,5 KW / Wirkungsgrad des Gaskraftwerkes 65%). Klammert man den Einsatz der (580g) Kohle aus, so liegt der Wirkungsgrad der Rückverstromung bei 87%.
Chemische Verbindungen / Masse / Volumen / / Energie
Reaktionen Rk. 1. C + H20 = (CO + H2) Rk. 4. (CO + H2) + 02 = C02 + H20
Rk. 2 (CO +H2) + 2 H2 = CH4 + H20 Rk. 5. CH4 +2 02 = C02 + 2 H20 Rk. 3 2 H20 = 02 + 2 H2 Rk. 6. C02 + 4 H2 = CH4 + 2 H20
Rk. 7 CO + H20 = C02 + H2
1. Ansatz: 60 1 Bio-Kohlenstoff (= 120 1 Holz) + 60 1 Fossiler Kohlenstoff (= 80 1 Kohle) 60 1 Kohlenstoff ergeben in o.g. Reaktionen ca. 120000 cbm C02-, CO-, oder CH4-Gas.
Vielfache für H2, 02 und H20-Dampf ergeben sich dann aus den jeweiligen Reaktionen,
(alle Zahlenangaben sind grob gerundet / Hinweis: (CO+H2) in Rk.l, 2 u. 4 ist das Synthesegas).
Verdopplung der Bioenergie:
In den aufeinanderfolgenden Rk. l und Rk. 7 entstehen: 240000 cbm C02 (je zur Hälfte biologisches und fossiles C02) und 480000 H2. H2 ergibt mit der Hälfte des C02 gemäß Rk.6 120000 cbm CH4. Bilanz: Sequestriertes C02: erzeugtes Methan:
60000 cbm bio. C02 Bioaktivität 60000 cbm foss. CH4
60000 cbm foss. C02 60000 cbm bio. CH4
120000 cbm„Biomethan"
Gleiche Bilanz wird erhalten, wenn im Anschluss an Rk. 1. das Synthesegas geteilt wird, die Hälfte des CO im Synthesegas gem. Rk.7 zu C02 und zusätzlichem H2 regiert, C02 sequestriert und 2 H2 mit der restlichen Hälfte des Synthesegases gem. Rk.2 zu CH4 und H20 reagiert.
120000cbm Methan Erdgas Im G+D Kraftwerk verströmt ergeben ca. 800000 KW Ökostrom.
Drei- bis vierfache Bioenergie:
In einem Speicherkraftwerk wird in der ersten Betriebsphase die Hälfte des Synthesegases im Gaskraftwerk verströmt. Dabei werden C02-frei ca. 400000KWerhalten. Das C02, das je zur Hälfte aus biologischem und fossilem C02 besteht (wie oben 120000 cbm), wird sequestriert.
Die andere Hälfte des Synthesegases wird mit 240000 cbm H2, welche in der zweiten Betriebsphase durch Wasserelektrolyse aus 1 Mio. KW überschüssiger elektrischer Energie gern Rk.3 gewonnen werden nach Rk.2 zu 120000 cbm Methan umgesetzt. Bilanz und Übertragung der Bioaktivität ist wie oben. Auch hier werden ca. 800000 KW Ökostrom erhalten. Zusammen mit den 400000 KW aus der ersten Betriebsphase werden nach dieser Variante 1,2 Mio. KW (C02 -neutraler) Ökostrom erhalten. 120 t Holz separat im Kraftwerk verströmt ergeben nur 300000 bis 400000 KW Ökostrom.
Ein Merkmal dieser Erfindung ist, dass bei den chemischen Reaktionen die Mengen genau zusammenpassen. Die Mengenverhältnisse bei den biologischen und fossilen Rohstoffen sollten daher so gewählt werden, dass stets ausreichend fossiles Methan produziert wird, auf welches die
Bioaktivität von gespeichertem Bio-Kohlendioxid übertragen werden kann.

Claims

Patenansprüche
1. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie, dadurch gekennzeichnet, dass Biomasse chemisch und/oder thermisch über die Zwischenstufe des Kohlenmonoxid enthaltenden Synthesegases in Kohlendioxid und Wasserstoff überführt wird, das Kohlendioxid gespeichert/sequestriert wird und der Wasserstoff zur Energieerzeugung verwendet wird, ferner, dass Emissionsrechte oder Bio-Aktivität, welche mit der Sequestrierung des aus der Verbrennung von Biomasse hervorgegangenen biologischen (Bio-)Kohlendioxid verbunden sind, bestimmt werden und proportional auf fossilen Kohlenstoff enthaltende Brennstoffe übertragen werden.
2. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Biomasse fossilen Kohlenstoff enthaltende Stoffe eingesetzt werden, wobei der insgesamt eingesetzte Kohlenstoff im Mittel mindestens zur Hälfte aus fossilem Kohlenstoff besteht, der erhaltene Wasserstoff mit gebildetem Kohlenoxid (Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid) zu Methan umgesetzt (methanisiert) wird, die Bio- Aktivität des biologischen Anteils im gespeicherten Kohlendioxid mit gleichem Gasvolumen auf den fossilen Anteil im gebildeten Methan übertragen wird und das gebildete Methan in Erdgas eingeleitet wird.
3. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse Holz und als fossiler Brennstoff Kohle verwendet wird.
4. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gebildeter Wasserstoff im Mittel mit der Hälfte des erhaltenen Kohlendioxid in Methan überführt (methanisiert) wird und die andere Hälfte des Kohlendioxid gespeichert/sequestriert wird.
5. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gebildeter Wasserstoff mit einem Teil des in der Zwischenstufe gebildeten Kohlenmonoxid in Methan überführt (methanisiert) wird und der Rest des Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid weiter reagiert und das Kohlendioxid gespeichert/sequestriert wird .
6. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Biomasse in einem Speicherkraftwerk eingesetzt wird und in einer ersten Betriebsphase das Synthesegas in einem Kraftwerk verströmt und das entstandene Bio-Kohlendioxid aus den Rauchgasen abgetrennt und gespeichert/sequestriert wird und in einer zweiten Betriebsphase überschüssige elektrische Energie mittels Wasserelektrolyse in Wasserstoff überführt wird und der durch Wasserelektrolyse gebildete Wasserstoff mit dem Synthesegas zu Bio-Methan umgesetzt (methanisiert) wird, das Bio-Methan in Erdgas eingeleitet wird und die Bioaktivität des sequestrierten Biokohlendioxid mit gleichen Volumenteilen auf fossiles Methan im Erdgas übertragen wird.
7. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial eine Mischung aus Biomasse und fossilem Brennstoff in einem Speicherkraftwerk eingesetzt wird und in dem in der ersten Betriebsphase gespeicherten Kohlendioxid der Anteil an Bio-Kohlendioxid ermittelt wird und die resultierende Bioaktivität mit gleichem Gasvolumen auf in der zweiten Betriebsphase erzeugtes Methan mit fossilem Kohlenstoff übertragen wird.
8. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherkraftwerk zur Stabilisierung des Stromnetzes eingesetzt wird und die erste Betriebsphase der Deckung von Versorgungslöchern und Bedarfsspitzen dient und in der zweiten Betriebsphase Wasserelektrolyse überschüssige elektrische Energie aufnimmt und in Methan umformt.
9. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf aus den Rauchgasen der Synthesegas - oder Methan/Erdgas- Verbrennung kondensiert wird und als Speisewasser für die Wasserelektrolyse verwendet wird.
10. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid zur Speicherung/Sequestrierung aus den Rauchgasen der Synthesegas- oder Methan/Erdgas- Verbrennung abgetrennt wird.
11. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in der zweiten Betriebsphase durch Wasserelektrolyse gebildete Sauerstoff gespeichert wird und in der ersten Betriebsphase bei der Verstromung Verbrennung des Synthesegases oder des Wasserstoffes anstelle der Verbrennungsluft eingesetzt wird.
12. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass im gespeicherten Kohlendioxid und im erzeugten Methan der Bioantei! mittels der Radiokarbon-Methode gemessen wird und entsprechend dem Messergebnis die Bioaktivität im Volumenverhältnis 1:1 vom gespeicherten Bio- Kohlendioxid auf Methan mit fossilem Kohlenstoff übertragen wird.
13. Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität einer als Kohlendioxidspeicher zu verwndenden Lagerstätte erhöht wird, indem in der Lagerstätte noch vorhandenes Erdgas mit Wasserstoff verdrängt wird und erst dann das zu speichernde Kohlendioxid eingeleitet wird und das Kohlendioxid den Wasserstoff verdrängt.
14. Vorrichtung zur Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Anlagen 1. Kraftwerk/Gaskraftwerk, 2. Anlage zur
Holz/Kohlevergasung, 3. Wasserelektrolyse-Gerät, 4. Anlage zur Hydriering von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, 5. Transformator, der für unterschiedliche Stromrichtungen geeignet ist sowie Anschluss an das Hochspannungsnetz und 6. Anschluss an das Erdgasnetz umfasst, ferner dass in einer ersten Betriebsphase die Anlagen 1., 2., und 5 zusammenwirken und in einer zweiten Betriebsphase die Anlagen 2., 3. ,4., 5.,und 6 zusammenwirken.
15. Vorrichtung zur Vermehrung der aus Biomasse erzielbaren Bioenergie gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach der Radiokarbon-Methode arbeitendes Messgerät, vorzugsweise ein Massenspektrometer, zur Bestimmung der Konzentration des Kohlenstoffisotops C14 im gespeicherten Kohlendioxid und im erzeugten Methan eingesetzt wird.
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