DE102005046746A1

DE102005046746A1 - Verfahren zur Bereitstellung von Energie

Info

Publication number: DE102005046746A1
Application number: DE102005046746A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Hoffmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit, welche als Energietransport und -speichermedium verwendet wird, umfassend die Schritte:
- Elektrolyse von Wasser, wobei Wasser mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird;
- Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit aus Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff gebildet wird;
- Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit zu Wasserstoff sowie Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid;
- Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zur Gewinnung von elektrischer Energie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit, welche als Energietransport und -speichermedium verwendet wird, umfassend die Schritte:

– Elektrolyse von Wasser, wobei Wasser mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird;
– Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit aus Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff gebildet wird;
– Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit zu Wasserstoff sowie Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid;
– Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zur Gewinnung von elektrischer Energie.

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Verknappung von fossilen Energieträgern wie Erdöl, Ergas und Kohle einerseits und der Problematik der durch die Verbrennung der vorgenannten Energieträger hervorgerufenen anthropogenen CO₂-Emissionen stellt sich zunehmend die Frage nach der Bereitstellung von Energie durch andere Medien. In diesem Zusammenhang ist auch die Frage der Speicherung und des Transports von Energie zu nennen.

Im Stand der Technik gibt es erste Ansätze, Energie in Form des Mediums Methanol speicher- und transportfähig bereitzustellen. So offenbart EP 539 244 A1 (Mitsubishi) ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie durch das Medium Methanol umfassend eine Elektrolyse von Wasser, Synthese von Methanol aus wiedergewonnenem Kohlendioxid und Wasserstoff aus dem vorhergehenden Schritt, Verbrennung des Methanols zur Erzeugung von Energie und Rückgewinnung des Kohlendioxids aus der Verbrennung von Methanol. Alternativ folgt auf den Schritt der Elektrolyse von Wasser die Synthese von Methanol aus im vorigen Schritt gewonnenem Wasserstoff, wiedergewonnenem Kohlendioxid und wiedergewonnenem Wasserstoff, Zersetzung von Methanol zur Spaltung von Methanol in Kohlenmonoxid und Wasserstoff, Verbrennung des Kohlenmonoxids zur Gewinnung von Energie und zur Wiedergewinnung des erhaltenen Kohlendioxids und Rückführung des Wasserstoffs aus der Methanolzersetzung in den Schritt der Methanolsynthese.

Hiermit sind jedoch noch Nachteile verbunden. Der Schritt der direkten Methanolsynthese aus H₂ und CO₂ ist aufgrund seiner exothermen Natur in der energetischen Gesamtbilanz ungünstig, da ein Teil der in der H-H-Bindung enthaltenen Energie als Wärmeenergie verloren geht. Beispielsweise verläuft die Reaktion 2H₂ + CO → CH₃OH mit einer Reaktionsenthalpie von –239 kJ/mol. Es werden ca. 28% der in den H-H-Bindungen enthaltenen Energie als Wärmeenergie freigesetzt. In der direkten Synthese von Methanol aus H₂ sowie CO₂ und/oder CO werden üblicherweise Reaktionstemperaturen von ca. 300 °C benötigt. Sollte nun die Energie aus der Methanolsynthese in einem Carnot-Prozess zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur als gerichtete Energie (mechanisch oder elektrisch) gewonnen werden, läge der Wirkungsgrad bei 1 – (300 K/600 K) = 50%. Daher können ca. 14% der in den H-H-Bindungen enthaltenen Energie nicht als gerichtete Energie genutzt werden.

Weiterhin weist der Schritt der Energiegewinnung, nämlich das Verbrennen des Methanols, einen geringen Wirkungsgrad auf. Zuletzt wird der bei der Elektrolyse von Wasser erhaltene Sauerstoff in die Umgebung emittiert und steht somit nicht für einen weiteren Gebrauch zur Verfügung.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die vorgenannten Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere hat sie sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit zur Verfügung zu stellen, bei dem der bei der Elektrolyse von Wasser erhaltene Sauerstoff in einen Kreislauf eingebunden werden kann, der Schritt der Energiegewinnung mit einem höheren Wirkungsgrad ablaufen kann und/oder der Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit aus H₂ sowie CO und/oder CO₂ in der energetischen Gesamtbilanz günstiger ausfällt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit, welche als Energietransport und -speichermedium verwendet wird, umfassend die Schritte:

– Elektrolyse von Wasser, wobei Wasser mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird;
– Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit aus Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff gebildet wird;
– Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit zu Wasserstoff sowie Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid;
– Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zur Gewinnung von elektrischer Energie;

wobei in dem Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit die anodische Oxidation des zugeführten Wasserstoffs und die kathodische Reduktion des zugeführten Kohlendioxids und/oder Kohlenmonoxids räumlich getrennt durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Prozess-Speicherflüssigkeit kann prinzipiell jede Substanz sein, welche katalytisch synthetisierbar und reformierbar ist. Sie kann bei Normalbedingungen flüssig sein oder unter erhöhtem Druck verflüssigt werden.

Die Prozess-Speicherflüssigkeit kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Alkane, Alkene, Alkine, Cycloalkane, einwertige Alkohole, zweiwertige Alkohole, dreiwertige Alkohole, Aldehyde, Ketone, Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren und/oder Tricarbonsäuren.

Beispiele für Alkane sind Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Decan, Dodecan, Pentadecan sowie deren Isomere.

Beispiele für Alkene sind Ethen, Propen, Buten, Penten, Hexen, Cyclohexen sowie deren Isomere.

Beispiele für Alkine sind Ethin, Propin, Butin, Pentin, Hexin sowie deren Isomere.

Beispiele für Cycloalkane sind Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan, Decalin, Methylcyclopentan, Methylcyclohexan sowie deren Isomere.

Beispiele für einwertige Alkohole sind Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol sowie deren Isomere.

Methanol ist bevorzugt, da es eine verhältnismäßig leicht flüchtige, brennbare Flüssigkeit ist. Methanol weist eine hohe Energiedichte auf, ist jedoch gleichzeitig mit gut bekannten Mitteln lagerbar und transportierbar. Eventuelle Methanolkontaminationen werden im Boden und im Wasser rasch durch Bakterien abgebaut. Methanol steht durch technische Synthesen in großen Mengen zur Verfügung.

Ethanol ist ebenfalls bevorzugt, da es neben dem hohen Energiegehalt und einer geringeren Toxizität die Eigenschaft aufweist, dass es in großen Mengen durch Vergärung von Biomasse als so genannter "Bio-Ethanol" gewonnen werden kann und somit eine neutrale Kohlenstoffbilanz hat.

Beispiele für zweiwertige Alkohole sind Ethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol, Pentylenglykol, Hexylenglykol sowie deren Isomere.

Beispiele für dreiwertige Alkohole sind Glycerin, Butantriol, Pentantriol, Hexantriol sowie deren Isomere.

Beispiele für Aldehyde sind Formaldehyd, Acetaldehyd, Propanal, Butanal, Pentanal, Hexanal sowie deren Isomere.

Beispiele für Ketone sind Aceton, Butanon, Pentanon, Hexanon sowie deren Isomere.

Beispiele für Monocarbonsäuren sind Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Pentansäure, Hexansäure sowie deren Isomere.

Beispiele für Dicarbonsäuren sind Oxalsäure, Propandicarbonsäure, Butandicarbonsäure, Pentandicarbonsäure, Adipinsäure sowie deren Isomere.

Beispiele für Tricarbonsäuren sind Hexantricarbonsäure, Heptantricarbonsäure, Zitronensäure sowie deren Isomere.

Die zur Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) benötigte elektrische Energie kann aus beliebigen Quellen stammen. Beispielsweise kann sie aus Solarenergie, Windkraft oder anderen Quellen stammen, die einen zeitlich schwankenden Verlauf der Energieerzeugung aufweisen.

Die Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit führt Wasserstoff sowie Kohlendioxid (CO₂) und/oder Kohlenmonoxid (CO) zusammen und erzeugt dadurch die Prozess-Speicherflüssigkeit. In der vorliegenden Erfindung wird nun die Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit nicht direkt durchgeführt, sondern räumlich getrennt.

Ein Teilschritt umfasst die Dissoziation des zugeführten Wasserstoffes an einer Anode. Hierbei wird der molekulare Wasserstoff oxidiert.

Ein weiterer, von der Dissoziation des Wasserstoffs getrennter Teilschritt umfasst die Reduktion des zugeführten CO und/oder CO₂ an einer Kathode.

Im Falle des CO koordiniert das CO zunächst an eine geeignete Bindungsstelle der Kathodenoberfläche. Unter Aufnahme eines an die Kathode migrierten Protons aus der Wasserstoffoxidation sowie eines Elektrons, welches von der Anode über eine elektrisch leitende Verbindung zur Kathode gelangt, wird das koordinierte CO zunächst zu einer koordinierten Oxo-Spezies reduziert. Als nächstes kann die koordinierte Oxo-Spezies wiederum durch Aufnahme eines Elektrons und eines Protons zu einer freien Oxo-Spezies reduziert werden, welche an die Kathodenoberfläche koordiniert ist. Im darauf folgenden Schritt kann die koordinierte Oxo-Spezies, ebenfalls nach Aufnahme weiteren Elektrons und Protons, in eine an die Kathodenoberfläche koordinierenden, weiter reduzierten Spezies überführt werden. Die Aufnahme eines weiteren Paares von Elektron und Proton schließlich setzt eine Neutralverbindung, die Prozess-Speicherflüssigkeit, von der Kathodenoberfläche frei. Nach allen vorstehend beschriebenen Schritten kann sich ein weiteres Molekül CO in Bindungen zwischen der reduzierten Spezies und der Kathodenoberfläche insertieren. Weiterhin können an die Kathodenoberfläche koordinierte Spezies gleicher oder unterschiedlicher Art kombinieren, um so Verbindungen mit einem höheren Molekulargewicht zu ergeben.

Im Falle des an die Kathode zugeführten CO₂ würde dieses zunächst in einer Wassergas-ähnlichen Reaktion unter Aufnahme zweier Protonen und zweier Elektronen an der Kathode zu CO reduziert werden. Das CO wird dann wie vorstehend beschrieben zur Prozess-Speicherflüssigkeit umgesetzt.

Der Vorteil in dieser räumlichen Trennung der Oxidation und der Reduktion liegt in einer apparativen Vereinfachung des Schrittes der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit. Wo früher ein Reaktor mit hohen Betriebstemperatur benötigt wurde, ist mit der vorliegenden Erfindung eine Synthesezelle, die bei niedrigeren Temperaturen arbeitet, ausreichend.

Beispielsweise ist für die Direktsynthese von Methanol aus CO und H₂ im Reaktor eine Temperatur von ca. 300 °C erforderlich.

Im Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit kann einerseits die direkte Zersetzung der Prozess-Speicherflüssigkeit zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid ablaufen. Beispielsweise kann die Zersetzung von Methanol nach der Gleichung CH₃OH → CO + 2H₂ ablaufen. Alternativ ist aber auch ein Dampf reformieren möglich, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit unter Wasserzugabe zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt wird. Beispielsweise kann Methanol unter Wasserzugabe zu Wasserstoff und Kohlendioxid nach folgender Gleichung zersetzt werden: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂. Ebenfalls ist ein Verfahrensschritt denkbar, der eine Kombination der beiden Reaktionen beinhaltet und ein Gasgemisch aus H₂, CO und CO₂ liefert.

Die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle schließlich liefert elektrische Energie. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise als alkalische Brennstoffzelle, als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, als Phosphorsäurebrennstoffzelle, als Carbonatschmelzenbrennstoffzelle und/oder als Festkörperoxidbrennstoffzelle ausgestaltet sein.

Es ist weiterhin möglich, dass die Prozess-Speicherflüssigkeit selbst zumindest teilweise in einer Brennstoffzelle direkt umgesetzt wird und so elektrische Energie gewonnen werden kann. Hierbei entstehen unter anderem CO₂ und Wasser. Auf diese Weise können Ausbeuteverluste in vorgelagerten Schritten vermieden werden. Weiterhin kann an nur einer Elektrode der Brennstoffzelle entstehendes CO₂, bedingt durch die Aufteilung der Brennstoffzelle in getrennte Räume, leichter von weiteren Produktgasen wie Wasser getrennt werden und dem weiteren Verfahren zugeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit Anode und Kathode durch eine Vorrichtung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Protonenaustauschmembran, ionische Flüssigkeit und/oder keramische Ionenleiter räumlich getrennt. Durch solche Vorrichtungen wird der Protonentransfer erleichtert und die Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit kann schneller ablaufen. Protonenaustauschmembranen (proton exchange membranes, PEM) zeichnen sich durch ihre Stabilität, Formbarkeit und niedrige Betriebstemperatur aus. Ionische Flüssigkeiten sind gut handhabbar und passen sich aufgrund ihrer flüssigen Eigenschaften einer beliebigen Synthesezellenform an. Keramische Ionenleiter wie Festkörperoxid-Ionenleiter wiederum zeichnen sich durch ihre Hochtemperaturstabilität aus.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fließt der in der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit von Anode zu Kathode fließende elektrische Strom durch eine oder mehrere elektrische Maschinen und/oder Generatoren. Hierdurch kann Arbeit verrichtet werden oder elektrische Energie erzeugt werden. Somit verbessert sich die energetische Gesamtbilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens, da ein Teil der in der H-H-Bindung enthaltenen Energie, welche sonst als Wärmeenergie verloren ginge, zusätzlich genutzt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die dem Gasstrom der Anode und/oder Kathode zugewandte äußere Oberfläche ein katalytisch aktives Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd und/oder Hg und/oder deren Oxide auf. Beispielsweise kann die Anode mit einem Metall beschichtet sein, an welches H₂ leicht oxidativ addiert wie Ni, Pd und Pt. Ebenfalls kann beispielsweise die Kathode mit einem Material beschichtet sein, welches Fischer-Tropsch-artige Reaktionen von CO und H₂ katalysieren kann wie ZnO, CuO und Cu₂O. Das katalytisch aktive Material von Anode und/oder Kathode kann weiterhin Promotoren umfassen, die die Reaktivität oder Selektivität steuern sowie auf einem Trägermaterial aufgebracht sein.

Es ist günstig, wenn in der vorliegenden Erfindung die die Anode und/oder Kathode umströmenden Gase um die Anode beziehungsweise Kathode rezirkuliert werden. Dieses hat den Vorteil, dass bei einer nicht vollständig abgelaufenen Reaktion der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit die Gesamtausbeute noch erhöht werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Schritte Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle in dieser Reihenfolge als Kreislaufprozess durchgeführt. Somit kann die elektrische Energie, die bei der Elektrolyse von Wasser aufgewendet werden muss, durch die nachfolgende Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit gespeichert werden. Bei Bedarf wird die gespeicherte Prozess-Speicherflüssigkeit reformiert und der erhaltene Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle umgesetzt, wodurch wiederum elektrische Energie gewonnen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stammt

– der zur Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Wasserstoff zumindest teilweise aus dem Schritt der Elektrolyse von Wasser;
– das zur Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid zumindest teilweise aus dem Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit;
– die zum Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Prozess-Speicherflüssigkeit zumindest teilweise aus dem Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit;
– das zum Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Wasser zumindest teilweise aus dem Schritt des Umsetzens von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle;
– der zum Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff zumindest teilweise aus dem Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit;
– der zum Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle benötigte Sauerstoff zumindest teilweise aus dem Schritt der Elektrolyse von Wasser; und/oder
– das für die Elektrolyse von Wasser benötigte Wasser zumindest teilweise aus dem Schritt der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle.

Hierdurch wird ein zumindest teilweise geschlossener Stoffkreislauf möglich. Sämtliche Verfahrensschritte können ihre Edukte aus anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehen. In dieses Kreislaufsystem wird einzig elektrische Energie eingeführt (Elektrolyse von Wasser) und elektrische Energie ausgeführt (Brennstoffzelle).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die in den Schritten der Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle erzeugten Gase und/oder Flüssigkeiten in gasförmiger und/oder flüssiger Form zwischengespeichert, bevor sie dem jeweils nächsten Verfahrensschritt zugeführt werden. So kann der nach der Elektrolyse von Wasser erhaltene Sauerstoff verflüssigt und gespeichert werden, bevor er in der Brennstoffzelle benötigt wird. Ebenso kann die aus der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit erhaltene Prozess-Speicherflüssigkeit gespeichert werden, bevor sie reformiert wird. Das aus der Reformierung erhaltene CO und/oder CO₂ kann ebenfalls verflüssigt und gespeichert werden, bevor es in die Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit eingebracht wird. Vorteilhaft hier an ist insbesondere, dass durch die Zwischenspeicherung der Edukte Bedarfsschwankungen der letztendlich benötigten elektrischen Energie ausgeglichen werden können und Überkapazitäten bei der Produktion elektrischer Energie nicht verloren gehen, sondern zur Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit umgewidmet werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die in den Schritten der Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle erzeugten Gase und/oder Flüssigkeiten vor dem Einsatz in dem jeweils darauf folgenden Verfahrensschritt einer Reinigungsprozedur unterworfen. Durch die Reinigungsprozedur werden aus den Gasen oder Flüssigkeiten diejenigen Bestandteile entfernt, die für die Weiterverwendung des Gases oder der Flüssigkeit auf der darauf folgenden Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens nachteilig sein können. Weiterhin wird dadurch die Betriebssicherheit gesteigert. Beispiele für nachteilige Komponenten können CO und Alkohole als Katalysatorgifte sein. Beispiel für eine gesteigerte Betriebssicherheit kann sein, dass explosionsfähige Wasserstoff/Sauerstoff-Gemische vermieden werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird CO₂ in einer Shift-Reaktion mit H₂ zu CO und H₂O umgesetzt. Somit wird CO₂ nicht der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit direkt zugeführt. Hierdurch ist es möglich, den vorgelagerten Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit so zu gestalten, dass im Wesentlichen CO₂ erhalten wird. Vorteilhaft ist hieran, dass die Gesamtmenge des in der Apparatur befindlichen toxischen CO verringert wird. Ebenfalls wird vermieden oder verringert, dass sich Metallcarbonyle wie Fe(CO)₅ oder Cr(CO)₆ aus dem Material der Prozessanlagen bilden. Zum einen sind die Metallcarbonyle toxisch. Weiterhin sind diese Metallcarbonyle flüchtig oder sublimieren leicht, wodurch unerwünschte Stofftransportphänomene innerhalb der Anlagenapparatur auftreten könnten.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachstehenden 1 und 2 näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Stoffkreislauf mit einer Prozess-Speicherflüssigkeit (PSF) als Energiespeichermedium.
2 zeigt schematisch die schrittweise Synthese von Methanol als Beispiel für eine Prozess-Speicherflüssigkeit aus H₂ und CO mit einer räumlich getrennten Oxidation und Reduktion der Edukte.
1 zeigt einen schematischen Stoffkreislauf mit einer Prozess-Speicherflüssigkeit, abgekürzt als PSF, als Energiespeichermedium. Hierbei wird zunächst elektrische Energie (e^–) einer Elektrolyse von Wasser zugeführt. Die Elektrolyse liefert Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff wird verflüssigt und gespeichert. Der erhaltene Wasserstoff wird dem Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit zugeführt.
Zusammen mit aus dem Reformieren erhaltenen CO₂ wird nun die Prozess-Speicherflüssigkeit synthetisiert. Die erhaltene Prozess-Speicherflüssigkeit wird zwischengespeichert, bevor sie einem Reformierungsschritt zugeführt wird. In dem Reformierungsschritt wird aus der Prozess-Speicherflüssigkeit wieder CO₂ sowie Wasserstoff erzeugt. Das CO₂ wird verflüssigt sowie gespeichert und steht nun für eine erneute Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit zur Verfügung.
Damit die Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit ablaufen kann, muss in einem vorgelagerten Schritt das CO₂ und aus der Elektrolyse von Wasser erhaltener Wasserstoff in einer Shift-Reaktion umgesetzt werden. Hierbei erhält man CO und Wasser. Das CO wird der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit zu geführt. Das erhaltene Wasser wird gespeichert und steht einer erneuten Elektrolyse zur Verfügung.
Nach der Reformierung der Prozess-Speicherflüssigkeit wird der Wasserstoff einer Gasnachbehandlung unterworfen, um Spuren von CO₂/CO oder der Prozess-Speicherflüssigkeit zu entfernen. Zusammen mit dem gespeicherten Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse wird dieser Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zu elektrischer Energie (e^–) umgesetzt. Hierbei fällt Wasser an, welches gespeichert wird und der Wasserelektrolyse zugeführt wird.
Somit ist ein geschlossener Stoffkreislauf verwirklicht, dem in einem Schritt elektrische Energie zugeführt wird und der in einem anderen Schritt elektrische Energie liefert.
2 zeigt schematisch die schrittweise Synthese von Methanol als Beispiel für eine Prozess-Speicherflüssigkeit aus H₂ und CO mit einer räumlich getrennten Oxidation und Reduktion der Edukte. An der Oberfläche einer Platinanode (1) dissoziiert zugeführter Wasserstoff. Die abgegebenen Elektronen gehen in die Platinelektrode (1) über. Die zurückbleibenden Protonen wandern durch eine Protonenaustauschmembran (2) in Richtung der Kathode (3), deren Oberfläche ZnO umfasst.
Die der Platinanode (1) zugeführten Elektronen folgen der Potentialdifferenz in Richtung Kathode. Hierbei durchfließen sie eine elektrische Maschine (4) und verrichten dabei gerichtete Arbeit.
Der ZnO-Kathode zugeführtes CO (5) koordiniert zunächst an eine geeignete Bindungsstelle der Kathodenoberfläche. Unter Aufnahme eines an die Kathode migrierten Protons aus der Wasserstoffoxidation sowie eines Elektrons, welches von der Anode über eine elektrisch leitende Verbindung zur Kathode gelangt, wird das koordinierte CO (5) zunächst zu einer koordinierten Formylspezies (6) reduziert.
Als nächstes wird die koordinierte Formylspezies (6) wiederum durch Aufnahme eines Elektrons und eines Protons zu Formaldehyd (7) reduziert, welcher an die Kathodenoberfläche koordiniert ist. Im darauf folgenden Schritt wird das koordinierte Formaldehyd (7), ebenfalls nach Aufnahme eines Elektrons und eines Protons, zu einer an die Kathodenoberfläche koordinierenden Methoxyspezies (8) reduziert. Die Aufnahme eines vierten Paares von Elektron und Proton schließlich setzt Methanol von der Kathodenoberfläche frei.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Energie mittels einer Prozess-Speicherflüssigkeit, welche als Energietransport und -speichermedium verwendet wird, umfassend die Schritte: – Elektrolyse von Wasser, wobei Wasser mittels elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird; – Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit aus Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff gebildet wird; – Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit zu Wasserstoff sowie Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid; – Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle zur Gewinnung von elektrischer Energie; dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit die anodische Oxidation des zugeführten Wasserstoffs und die kathodische Reduktion des zugeführten Kohlendioxids und/oder Kohlenmonoxids räumlich getrennt durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Prozess-Speicherflüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Alkane, Alkene, Alkine, Cycloalkane, einwertige Alkohole, zweiwertige Alkohole, dreiwertige Alkohole, Aldehyde, Ketone, Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren und/oder Tricarbonsäuren, bevorzugt Methanol und/oder Ethanol.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, wobei in der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit Anode und Kathode durch eine Vorrichtung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Protonenaustauschmembran, ionische Flüssigkeit und/oder keramische Ionenleiter räumlich getrennt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, wobei der in der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit der von Anode zu Kathode fließende elektrische Strom durch eine oder mehrere elektrische Maschinen und/oder Generatoren fließt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, wobei die dem Gasstrom der Anode und/oder Kathode zugewandte äußere Oberfläche ein katalytisch aktives Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd und/oder Hg und/oder deren Oxide aufweist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Schritte Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle in dieser Reihenfolge als Kreislaufprozess durchgeführt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, wobei – der zur Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Wasserstoff zumindest teilweise aus dem Schritt der Elektrolyse von Wasser stammt; – das zur Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid zumindest teilweise aus dem Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit stammt; – die zum Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Prozess-Speicherflüssigkeit zumindest teilweise aus dem Schritt der Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit stammt; – das zum Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit benötigte Wasser zumindest teilweise aus dem Schritt des Umsetzens von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle stammt; – der zum Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff zumindest teilweise aus dem Schritt des Reformierens der Prozess-Speicherflüssigkeit stammt; – der zum Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle benötigte Sauerstoff zumindest teilweise aus dem Schritt der Elektrolyse von Wasser stammt; und/oder – das für die Elektrolyse von Wasser benötigte Wasser zumindest teilweise aus dem Schritt der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle stammt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, wobei die in den Schritten der Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle erzeugten Gase und/oder Flüssigkeiten in gasförmiger und/oder flüssiger Form zwischengespeichert werden, bevor sie dem jeweils nächsten Verfahrensschritt zugeführt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, wobei die in den Schritten der Elektrolyse von Wasser, Synthese der Prozess-Speicherflüssigkeit, Reformieren der Prozess-Speicherflüssigkeit und Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle erzeugten Gase und/oder Flüssigkeiten vor dem Einsatz in dem jeweils darauf folgenden Verfahrensschritt einer Reinigungsprozedur unterworfen werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, wobei CO₂ in einer Shift-Reaktion mit H₂ zu CO und H₂O umgesetzt wird.