CN103890236A - 特别是适于住宅工程领域的能量供应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量供应装置，其具有电能供应(1)、至少一个用以产生氢和氧的电解装置(5)、至少一个用以将二氧化碳和通过电解产生的氢催化转化成可长期储存的高能量密度的第一化学化合物的化学反应器(7,20,21)、至少一个用以中间储存二氧化碳和所述化学化合物的储罐(10,17)、以及具有至少一个用以产热和/或发电的转换器(9)，其应如此扩展，以实现一种特别适于住宅工程领域的高效的分散式的和最大可能呈CO2-中性以及优选是自给自足的能量供应装置。为此建议，所述电能供应(1)是仅配属于所述能量供应装置的局部电能供应，所述局部电能供应(1)配置有短期电储存器(4)作为缓冲储存器，并且提供至少一个气体分离器，所述气体分离器从空气中和/或从转换器的废气中和/或从吸收二氧化碳的金属氧化物中分离出二氧化碳，并且所述至少一个气体分离器经管道与局部储罐(10)相连。

Description

特别是适于住宅工程领域的能量供应装置
本发明涉及一种能量供应装置，其具有电能供应、至少一个用于产生氢和氧的电解装置、用以将二氧化碳和电解产生的氢催化转化成可长期储存的高能量密度的第一化学化合物的至少一个化学反应器、用以中间储存二氧化碳和所述化学化合物的至少一个储罐、以及具有至少一个用于产热和/或发电的转换器，本发明还涉及用于运行相应能量供应装置的方法。
这类能量供应装置作为集中式大型设备是已知的，但其具有高CO2排放和低效率的缺点。
本发明的目的在于提供高效、分散式的和最大可能呈CO2-中性以及自给自足的能量供应装置，其特别适于住宅工程领域。
为实现本发明的目的，建议该电能供应是仅配属于该能量装置的局部电能供应，为该局部电能供应配置短期电储存器作为缓冲储存器，并建议提供至少一个气体分离器，该气体分离器从空气和/或从转换器的废气中和/或从吸收二氧化碳的金属氧化物中，分离出二氧化碳，并且所述至少一个气体分离器经管道与局部储罐相连接。
该能量供应装置的适用的方案由权利要求2-8的扩展的发明特征给出。
在方法方面，所述目的借助权利要求9-20的特征得以实现。
因此，本发明涉及高效、分散式的和尽可能呈CO2-中性以及优选自给自足的能量供应装置，其特别适于住宅工程领域。
该能量供应装置主要由局部电能供应、用于短期储存的电储存器和用于产生和任选用于分解化学化合物的一个或多个紧凑的化学反应器，这些化学化合物适合作为长期储存能量的储存介质，以及与具有供能所需的组件和次级机组（Sekundäraggregate）相组合的控制和调节体系所组成。
化石能量载体例如石油或天然气持续的价格上涨和短缺以及危害气候的排放，要求尽可能无排放的分散式的具有高效率的能量供应装置，这种能量供应装置也可有效利用局部存在的、也可再生的能量载体，如风、水和太阳作为自用。
为此，需使用短期储能器和长期储能器以用于中间储存。
因此，必须对可再生能量的局部生产和各实际消耗之间的在时间上的不均衡(如在白天/夜晚、夏天/冬天情况下)进行协调。
但储能器目前尤其针对大型的、集中式的使用。
这种现实的状况，令人意外地想到下述以列举形式呈现的分散式(局部)的能量供应和能量储存的优点，特别是在国民经济和企业经营方面：
该利用分散进行。其中包括用户对产能过程的参与。
电网问题将明显减少，因为不必再以如迄今的规模般输送大的电流量。能量主要在产生它们的局部地方被消耗。
该分散式的化学储存器解决了容积和量的问题。大量的分散式小储存器的储存量多倍高于少量的集中式大储存器。
与集中式产能和储能相比，分散式产能和储能对用户而言，其成本更低。
不依赖于各自的消耗持续利用替代能量的可能性导致效率显着提高。
通过分散式的化学储存技术，首次可实现基本无排放的、环境中性的长期能量供应(在地域上呈CO2-中性的循环)。
与大型工业应用(合成天然气发电时的效率通常最大约为30 %)相比，在借助化学储能介质例如合成天然气的分散式、局部的能量供应的情况中，在可能同时利用电能和热能，例如通过热电联产(KWK)时，由于高的效率(约80 %)产生了显著的经济竞争优势。
另一个可能的竞争优势在于，可利用来自电网的低电流价格和负的电流价格，由此获取更高的价值。
此外，通过分散式的、化学储存技术产生了能量自给的独立解决方案的可能，这也可确保全球范围第三世界的偏僻地区的能量供应。
存在着适于分散式应用和适于各种市场和大市场如住宅工程、汽车技术的转换固定和移动解决方案的可能性。
该分散式储存器解决了集中式大型技术的成本问题和时间问题。因此，与集中式大型技术的解决方案相比，分散式的储存方法的研发-和投资成本明显更低，并且同时技术转换明显更快，而相关经济风险也显著降低。
此外，从材料而言，分散式储能器在市场上相对于大型技术方案能更易于转化。
关于储能器的大型技术的集中式应用的综述见“U. Sauer: Optionen zur Speigherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung, RWTH Achen, (http://www.eurosolar. de/de/images/stories/pdf/Sauer Optionen Speicher regenerativ okt06.pdf)”。
由于成本原因，其特别适于作为电能的短期储存器(大多为几小时)、尤其是蓄电池来使用和适于固定式和移动式的分散供电。相反，由于利用大多是成本明显较低的化学化合物作为储存介质，所以能量储存适用于较大的能量的量和适用于长期储存器。
近来深入讨论的大型工业应用(如对于百万瓦级的电解装置所提供的电视在功率)的化学储存可能是可得自所谓的Sabatier-反应的甲烷(也称为SNG – 合成天然气)。这样可以把SNG输送入天然气管网中。此外，和该管网连接的、现有的地下储存器中可以以合成天然气的形式容纳特别是由风能和太阳能产生的大量的过剩能量，参见WO 2010/115983 A1。
现有的、可变发电的燃气发电厂，可在需要时反向发电。
因此，在通常情况下不能直接利用在发电时同时产生的余热以及在强放热的甲烷化(Sabatier-反应)时产生的热，与就热电联产(KWK)意义而言既可利用热能又可利用电能，如这里在下文中描述的住宅工程领域的分散式的应用相比，这导致甚至在所谓的最新GuD-燃气发电厂的情况中一半多的总效率和明显更高的发电成本。因此，与大型工业相比，就住宅工程领域的明显更快的技术、成本便宜和减少经济风险的转换的意义而言也可动用一系列经检验的和在实践中已证实的用于产生热能和电能的组件和次级机组如中央热电站(Mikro-BHKWs)、燃料电池。
在WO 2010/115983 A1中描述的技术中，为实现供电还需要一个固定的、当地现有的、大功率CO-源或CO2-源(沼气装置、燃烧发电厂等)，因为否则会由于从空气中提取二氧化碳，例如借助于胺洗，使总效率急剧下降到＜30 %的不经济的水平。此外，前述方法经整个过程，最后不是呈CO2-中性的，因为要使用排放CO2的发电厂用于供应二氧化碳，而能量利用转让给了技术配备不同的终端用户，并因此在该过程中无法全面回收CO2。
与此相反，在本发明的分散式能量供应装置中提供了，将产热和发电时所产生的CO2-成分的＞70%的主要部分借助过滤或分离回收。因此，本发明的能量供应装置不与当地的如上所述的固定的二氧化碳源相连接。
对此提供使用半渗透的、任选多级的膜过滤器和使用与CO2形成碳酸盐（吸收）的金属氧化物来分离CO2，和/或以碳酸氢盐的形式结合二氧化碳。该碳酸盐和/或碳酸氢盐可在之后通过热和/或化学活化步骤再释出所需的CO2。
因此，仅最多30 %所需的CO2-成分要再次由外部重新送入反应循环中。这优选借助于由空气中分离CO2、再利用膜过滤器、碳酸盐例如CaCO3和/或碳酸氢盐例如碳酸氢钠和随后的活化步骤来实现CO2的再次释放。
所需的CO2也可以例如在农业加工厂、酿造厂中源自于发酵过程和生物质，以保证CO2-中性。
此外，也提供额外的单独的重整步骤，例如借助于水蒸汽-重整和/或使用带有整合重整作用的高温-燃料电池(HT-BZ)，以获取二氧化碳，例如从天然气和醇类如甲醇中。也可通过任选的从天然气管网中获得甲烷，和通过各化学储存介质(见下面，如醇类例如甲醇、甲酸(蚁酸))的补充供料将二氧化碳补充送入过程循环中。
另一方法是通过冷却和加压直接以液态由借助热交换器预冷(所谓的CO2低温分离)的也富含二氧化碳的废气，例如所使用的中央热电站的废气来物理分离CO2。
因仅最多30 %的CO2比例需补充送入该过程，所以其效率在经济上可以维持在合理的数量级内。
如DE 10 2008 034 931 A1中所述，尽管希望完全回收该过程循环的二氧化碳，但由于并非完全可控的工艺过程(如燃烧反应)，在当前和可预见的未来出于经济和技术上的理由尚不能转化应用于住宅工程领域。
“J. Kopyscinski et al., Chem. Eng. Sci., 66(5) (2011) 924-934”在一篇概述文章中综述了关于利用煤和干的生物质制取SNG的近60年的现有知识。“T. Kienberger und J. Karl, 11. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2010, Graz, Austria”同样综述了现有技术和理论基础以及格拉兹理工大学的成果。
将根据下列方程1和2的CO或CO2生成甲烷和水的强放热反应称为Sabatier-反应：
方程1：CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (△HR = -165 kJ/mol (298 K))
方程2：CO + 3 H2 → CH4 + H2O (△HR = -206 kJ/mol (298 K))。
在http://people.oregonstate.edu/-atwateri/h2o gen.htm.中可获取热力学数据。
该反应几乎在110年前(1902 Sabatier)就已知了，并且是借助于多相催化剂进行的。主要使用镍-催化剂，使用在Al2O3-载体或TiO2-载体上的钌是更有效的。
在使用固定床反应器时，该Sabatier-反应的强放热的反应热和差的散热是成问题的，见出处“T. Kienberger, J. Karl, 11. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2010, Graz, Austria ”。
对于住宅工程领域的应用，这是一个重要的限制因素。因为这里需要非常紧凑的反应器，并且尽管如此仍必须实现在低成本下稳定可再现的高效过程控制。
因此，在固定床反应器的情况中，成本昂贵和强的冷却是不可避免的。
但用惰性气体稀释反应物气体是不适宜的，因为由所需的大的气量引起的能量损失通常是不可接受的。
另一方面，本发明的能量供应装置的生产成本应保持尽可能低，以使私人家庭也可采用该技术。
此外，对于放热的反应热使用管束反应器也是有问题的。
相比之下，从经济和技术角度看，对于住宅工程领域中的分散式应用而言，设计为所谓的、也是微结构化的壁式反应器的紧凑的、任选多级的反应器是有利的。
因此，这里将采用的本发明的方案和其它装置方案的不同点也在于使用了有效地吸收高放热的反应热的微结构化的反应器(气相)。
在此将所述催化剂施加在相应成形的薄金属板上，在该薄金属板的背面有冷却介质(载热油)循环。
所述微型反应器的另一优点是，在需要时可通过并列多个反应器(模块式结构)，以低成本提高反应器效率。
基于这种微反应器，可对分散式的小型能量供应装置进行有效地重新配置，还可高度利用在该过程中产生的反应热，由此也可使局部产生的再生能量具有高的总利用度。
此外，在本发明的能量供应装置中应尽最大可能地不采用通常在大型工业中所用的按上述方程2的非常强的放热反应和含有CO的气体(例如合成气)，并且持续监控一氧化碳的含量。
一氧化碳是一种强的呼吸毒物，并因此在住宅工程中是不希望的。此外，约＞10 ppm的一氧化碳浓度，已能强烈损害燃料电池的工作方式。
对分散式的局部应用而言，在1-500 kW范围的视在功率，例如为制备氢化CO2所需的氢而提供的电解装置的视在功率，通常是完全足够的。
该功率范围也足以用化学储存的能量向单家庭住宅至较大的公寓住所、公共建筑物如医院、农庄、酿酒厂、旅馆以及小型至中型工商企业完全自给自足地供电，而无需连接外部供应，如电网或天然气管网。
化学储能器(罐)的储存容量通常配定为年需能量的约5-30 %，以保持低的与此相关的成本。因此，该储能器在一年中经多次添补。
除住宅工程外，本发明的能量供应装置也适合用于孤立地区或基础设施供应不足(如无供电、供气和供水)的地区的固定使用。例如本发明的能量供应装置与作为上述方程1的 H2-源和CO2-源的生物质组合，也可完全自给自足供应生产甲烷和/甲醇(见下面的方程3)形式的燃油和燃料以及水。
除已提及的Sabatier-反应外，还有其它基于CO2氢化的化学过程和化合物适合用作住宅工程的化学储存介质(长期储存器)，所述CO2的氢化借助多相和/或均相催化剂来促进，以在适度的温度和压力下进行所需反应。其中包括醇类特别是例如甲醇和蚁酸(甲酸)。
因此，下面要在此论及甲醇，参见H. Junge, M. Beller, Tetrahedron Lett. 2005, 46, 1031-1034, Ruthenium catalyzed generation of hydrogen from isopropanol；H. Junge, B. Loges M. Beller, Chem. Commun. 2007, 522-524, Novel improved ruthenium catalysts for the generation of hydrogen from alcohols；和论及蚁酸，参见B. Loges, A. Boddien, H. Junge, M. Beller, Angew. Chem., 2008, 120, 4026-4029, Controlled Generation of hydrogen from Formic Acid Adducts at Room temperature and Application in H2/O2 Fuel Cells；和A.Boddien, B. Loges, H. Junge, M. Beller ChemSusChem, 2008, 1, 751-758, Hydrogen Generation at Ambient Conditions；Application in Fuel Cells；和也参见http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.42.html//http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2011/April/11041101.asp. 及其作为长期储存介质的应用。
对于所谓的无压的氢储存，现论及各种有机化合物。
其中包括例如有机的“氢化物”如十氢化萘或甲基环已烷，还有甲醇和蚁酸(甲酸)。
DE 102009007567 A1公开了借助于储存介质甲醇的大型工业集中式能量储存方案。
与这里所述的本发明相反，为制备甲醇，也如上述的借助于甲烷的储存(见WO 2010/115983 A1)一样，需要外部的且固定的工业用二氧化碳-源，例如化石燃料发电厂、化学生产线，用于提供二氧化碳。
作为氢供体的醇类(如甲醇、乙醇)以及液态“有机氢化物”的优点是易储存、易计量、易操作，并需要与常用燃料相当的基础设施。通常要通过200℃以上的重整过程和复杂的气体净化步骤来从醇类获取氢，而在高于100℃时就可从“有机氢化物”以显著规模实现氢的释出。但由于效率原因，此温度对许多工业应用是不可取的，因为损失太多的能量用于释出氢。
蚁酸结合有约4.4重量%的H2，并且也非常易于操作。一升蚁酸含约53 g氢，与此相反，同样体积的纯氢在350 bar下的体积仅约28 g。因此，经组合CO2-氢化和蚁酸-脱氢，蚁酸适合作为可逆储存循环中的主产物。
与通常的储存体系相比，利用蚁酸作为液态氢储存器有明显的优点。如在适度的压力和温度下 (如在＜60 bar，＜100℃下）可使氢与CO2催化反应成蚁酸(甲酸，HCOOH)，之后在温和的条件下再释出氢。
与重整过程相反，对此无需高温。此外，由蚁酸选择性地产生氢和二氧化碳，而不会同时形成有害的一氧化碳。由此，该氢可直接在燃料电池中以高效率使用，并且可借助于相对简单的气体分离，例如用半渗透的任选多级的膜分离在技术上实现二氧化碳的回收以用于水解。原则上，从蚁酸催化制备氢自25℃开始就已经可行。
因此，借助于蚁酸作为所谓的无压储存介质可使所确立的氢-氧-燃料电池的优点与液态燃油的优点相组合。
此外，蚁酸是无毒的。因此美国食品药品管理局允许将稀释的蚁酸作为食品添加剂 (美国联邦法规：21 CFR 186.1316, 21 CFR 172. 515)。
再则，蚁酸易计量、易储存，并可与已有的液态能量载体的基础设施兼容。因此，蚁酸也适合用为长期储存电能的化学化合物(储存介质)。
基于催化制备甲烷、醇类、蚁酸和催化分解蚁酸的原理，因此可实现高效的、分散式的并优选自给自足的以及在很大程度上CO2-中性的、特别适于住宅工程领域的能量供应装置。
本发明的有利实施方式示于下列3个附图中。其中：
图1示出本发明的能量供应装置的示意图，其具有在使用甲烷作为长期储存的储存介质时的主要部件和机组，
图2示出本发明的能量供应装置的示意图，其具有在使用甲醇作为长期储存的储存介质时的主要部件和机组，
图3示出本发明的能量供应装置的示意图，其具有在使用甲酸(蚁酸)作为长期储存的储存介质时的主要部件和机组。
图1示意性示出一种分散式的能量供应装置，该装置通过局部的电能供应1如光伏设备、水力设备和风能设备优选自结自足地供电。任选地，如果存在，该能量供应装置可通过现有的电网端子2和/或天然气管网连接端3来供给。
当由于非常大的跨地域的供应量，例如在(再生性地)产生的能量生产过剩时，以致采购价格很便宜，而多余的能量可以消费和/或储存，且局部大都作为自产产品产生的电能供应1的电能和/或没有或仅具有少量甲烷作为储存介质时，通常出现受时限的从电网2的用电或由煤气管网3取用天然气。
给跨地域的电网和煤气管网的供料不是通过本发明的分散式能量装置提供的。
一种附加的由蓄电池组成的短期电储存器4作为缓冲储存器，在需要时，例如用于***的起动，也在超负荷情况下提供短期电能。此外，该短期电储存器4也用于存储来自能量供应装置范围中的电能供应1的过剩电能，并在晚间局部产能(例如通过太阳能电池)过少的情况下， 充当例如电解装置5的补充供电。
对提供足够过量的、廉价的、尽可能是再生和局部产生的电能1, 2的情况，在此优选运行电解装置5，以将水(H2O)分解成氢(H2)和氧(O2)。
另一种选择或对电解装置5的补充，可逆燃料电池(RFC)可用于制备氢和氧和/或运行单独的重整器6，例如所谓的蒸汽重整器可用于制备所需的氢和二氧化碳。
此外，可使用一个或多个带重整段的高温-燃料电池(特别是SOFC、MCFC)(图1中未示出)，用于例如从天然气(甲烷)或醇如甲醇产生氢和二氧化碳。
该电解装置所需的水可通过住宅工程中通常的供水设施如通过公共水管提供，并且也可以，至少部分，由随后的在反应器7中的甲烷化通过串接的分离器8获得。如此产生的水经相应后处理，还可用于其它目的，例如用作饮用水。
在电解(电解装置5)时，除氢(H2)外还产生的氧(O2)，可在之后在随后的产生能量的燃烧过程中补充加入和/或也可在使用燃料电池(大多经压缩)时使用。
与此相反，在生产合成天然气(甲烷化)的情况中，将所产生的氢(H2) 供入一个或多个单级或多级的紧凑的反应器7中，其中在催化剂作用下进行方程1(见上面)的强放热的所谓的Sabatier-反应。
为获得高的过程稳定性和均匀的温度分布以及高的效率，将反应器7，其优选用于甲烷化，设计成单级或多级的，并也是微结构化的壁式反应器。用电解装置5产生的氢(H2)，也可使用和储存在用于产热和发电的转换器9中、燃料电池中、燃烧机组中等等，以直接或额外地产生甲烷。
为反应器7中的甲烷化反应所需的二氧化碳(CO2)由二氧化碳储罐10提供。二氧化储罐10优选填充有得自燃烧废气和得自空气的二氧化碳，所述二氧化碳借助于膜过滤器，和/或在加压及冷却过程的情况下呈气态或液态形式和/或借助于适合吸收二氧化碳的金属氧化物和用形成碳酸氢盐的原料通过在气体分离器11, 12中的气体分离获得(形成碳酸盐和碳酸氢盐，并随后热释出和/或化学释出二氧化碳)。
通过应用用于产热和/或发电(转化器9)的带重整段的高温-燃料电池(SOFC、MCFC等)，也可由所产生的合成天然气(甲烷)，和/或由外部经天然气连接端3供入的天然气，和/或通过一个或多个单独的重整器6 (见上面)产生用于反应器7中的甲烷化的二氧化碳(CO2)，以及例如借助于半渗透膜除去氢，和/或通过形成碳酸盐和/或碳酸氢盐(如上所述)获取，并随后输送入储罐10中用于中间储存。
所需的二氧化碳也可从例如农庄、酿酒厂，通过有机发酵过程、生物质和随后的过滤或通过金属氧化物的吸收以及也借助于形成碳酸氢盐的原料和随后的二氧化碳的热释出和化学释出(如上所述)获得。此外，也鉴于过程压力，也可以通过优选的反应器7的多级设计，在产热和发电时，将富集二氧化碳的含二氧化碳的燃烧废气以及例如高温-燃料电池的含甲烷、含氢和含二氧化碳的废气和由各种有机发酵过程形成的气体(大多为含甲烷、含氢和含二氧化碳的气体)，单独地或经预混合地在反应器7中直接转化用以甲烷化。
如上所述，在反应器7中的强放热甲烷化之后，串接的分离器8分离所形成的反应产物甲烷(CH4)和(热)水(H2O)。将该热水以及反应器7中的冷却剂(优选水)导入热交换器13，并由此尤其驱动热水供暖14。
只要在该能量供应装置区域内的配电器15中存在足够的电能，则该热水供暖14也可额外地或单独地 (以及其它机组，例如任选在炎热的乡村替代存在的空调装置16)，优选仅由电能驱动。此外，存在于图1 (对图2和图3也适用)的能量供应装置区域中的电能用于实行单独的控制和调节，尤其是工艺***的单独的控制和调节，例如借助于阀门、伺服电动机(这里未单个示出)。
也适合直接用产生的甲烷(合成天然气)驱动在所谓的冷热电联产技术范围内的任选的供暖-和制冷机组 (这里没有图解示出)。
通过分离器8分开的合成天然气(甲烷, CH4)，以气态或液态储存在储罐17中。该储罐17承担中间储存器(长期储存器)的任务，直到下一个提取能量的需求。按储罐大小的设计，也可由此在较长的时间例如通过光伏设备、风能和水力，对区域牲能量供应的季节性的波动(冬/夏)进行调节。从储罐17和经图1中未示出的其它中间储罐，可将生产的过量储能介质，这里为甲烷，输送给外部用户18(例如分散连接的能量供应装置)，以作其它利用。
为在转换器9中产热和/或发电，根据当地各自所需配置，可采用热电联产(KWK)或冷热电联产(KWKK)，例如使用所谓的中央热电站(Mikro-BHKWs)，和燃气取暖设备、燃气发动机、微型-涡轮机、低温燃料电池和高温燃料电池以及所谓的催化燃烧器以获得高的效率。
最后，控制设备和调节设备19负责使分散式能量供应装置经协调各自的与时间相关的能量供应和消耗(负荷)，在经济上以最佳的方式运行。
通过现有的远程询问和远程控制，也可使多个分散式的能量供应装置相互调节、协调并(虚拟)联接成一个大型的储能器。
由此，例如可以在提供便宜的例如(再生)电的同时满足市场上的大量需求。如果估算例如具有大约5 MWh(el)的本发明能量供应装置的平均存储容量，可满足1000个住宅工程装置最多达约5 GWh(el)的每年多次的需求。这大致相当于大约5个较大的且昂贵的抽水蓄能电厂的储量。
通过与图1的比较，可看出各种运行方式。此外，在图1中示出所必需的部件和次级机组。按地域性情况和需求分布，必须相应于本发明的储能装置的各营运商的需求调整这些部件和次级机组。
在下面的图2中示意性示出在使用醇类(这里是甲醇)作为长期储能的第一化学化合物(储存介质)时本发明的能量供应装置的另一实施例。图2中的能量供应装置的实施例与根据图1中的第一实施例仅略有不同。
同样在通常通过多相催化剂的催化促进下，在至少一个反应器20中，由二氧化碳和电解产生的氢，优选按下列反应方程伴随放热反应热制备甲醇：
方程3：CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O (△HR = -49.6 kJ/mol (298 K))。
一种合适的高效催化剂例如描述于DE 69808983 T2中。
类似于甲烷化(见图1)，将所形成的甲醇(CH3OH)在串接的分离器8中与同时产生的水分离，并且借助于热交换器13将过程热和反应热用于热水供暖14。
接着，可将甲醇储于储罐17中，直至出现能量需求。然后可使用该甲醇作为燃油和燃料在转换器9中用于产热和发电，和/或经重整后以氢的形式用于例如燃料电池或催化燃烧器中。
在甲醇重整中形成的二氧化碳，例如可借助于半渗透膜分离，并再供入反应器20用于制备甲醇。所出现的二氧化碳的损失可如图1实施例中所述的，通过空气分离、由碳酸盐、碳酸氢盐和/或由任选的天然气供应通过天然气的重整来补偿。
也可通过再装料，例如优选由生物质获得的CO2-中性的甲醇，和后续的重整，特别是借助于管式反应器和膜反应器用以分离二氧化碳，以简单的方法补偿二氧化碳损失(循环损失)。
在下面的图3中示意性示出在使用蚁酸(甲酸)作为长期储能的第一化学化合物(储存介质)时本发明的能量供应装置的另一实施例。
与示意性示出的图1和图2相比，在本实施例中优选使用了两个具有不同作用的化学反应器21, 22。如此，反应器21用于由二氧化碳和氢来制备(二氧化碳的氢化)蚁酸，相反，另一反应器22在需要能量时，用于使在储罐17中进行中间储存后的蚁酸分解(脱氢)成氢和二氧化碳。
在此，与所谓的单反应器方案相比，这些反应器调整构成得更小且彼此在转化方面更有效，在所述单反应器方案中将反应器21和反应器22以及储罐17组合成一个具有单一催化剂的一个单独的新反应器，并可经由压力和温度控制该反应的方向。再则，蚁酸可在反应器外的单独的储罐17中储存。
两个反应器可完全独立运行是另一重要优点。此外，也可使用不同的催化剂。
蚁酸的制备和分解在适度的压力和温度下优选借助多相和/或均相的催化剂，例如基于钌、银、钯和/或铁配合物，如铁(II)-配合物的催化剂进行，以确保尽可能高的效率。
由于在反应器22中的脱氢时产生的气体混合物几乎完全由氢和二氧化碳组成，所以其可相对简单地例如借助于半渗透膜分离，并且可将二氧化碳返回到循环中的反应器21以进一步氢化。
所得的氢可在转换器9中用于产热和发电。为此，可使用类似于在实施例图1和图2中的部件和次级机组例如燃料电池、燃烧机组。
在非常高的能耗下，例如也可将通过反应器22制备氢与电解装置5的制备氢组合。此外，可各依据产生电能的时间和与时间相关的能耗(负荷)，来选用和调节另一些运行方式。
此外，在反应器22处也可将所谓的蚁酸-燃料电池(图3中未示出)整合进能量供应装置中。也还可将另外的化学反应器整合进所述能量供应装置中，以可用其制备第二化学化合物，例如燃油和燃料。
还可利用任选的天然气连接端3用于给能量供应装置供能。这例如可通过将天然气混入氢中或仅使用天然气用于在转换器9中产热和发电来实现。例如可双重地或相应于各自的运行方式设计用于供暖装置的煤气燃烧器。
天然气也可用作在循环中损耗的二氧化碳的来源。
由此，在本实施例中，天然气也可通过单独的重整器6，和/或被一个或多个高温-燃料电池，例加借助于镍催化剂分离成CO2和氢。由此产生的氢，一方面可用于其它的能量生产，和/或另一方面与二氧化碳一起在反应器21中用于生产蚁酸。
如在上述的另一些实施例中一般，也可通过简单的蚁酸的再装料来补偿二氧化碳的损失。
与其它实施例图1和图2相比，在本实施例中没有利用反应热，因为该反应热仅是很微小的。
标号表
1 电能供应
2 电网端子
3 天然气管网连接端
4 短期电储存器
5 电解装置
6 重整器
7 反应器
8 分离器
9 转换器
10 二氧化碳储罐
11 气体分离器
12 气体分离器
13 热交换器
14 热水供暖
15 配电器
16 空调装置
17 储罐
18 外部用户
19 控制-和调节体系
20 反应器
21 反应器
22 反应器。

Claims (20)

1.能量供应装置，其尤其适合于住宅工程领域，所述装置具有电能供应(1)、至少一个用以产生氢和氧的电解装置(5)、至少一个用以将二氧化碳和通过电解产生的氢催化转化成可长期储存的高能量密度的第一化学化合物的化学反应器(7, 20, 21)、至少一个用以中间储存二氧化碳和所述化学化合物的储罐(10, 17)、以及具有至少一个用以产热和/或发电的转换器(9)，其特征在于，所述电能供应(1)是仅配属于所述能量供应装置的局部电能供应，所述局部电能供应(1)配置有短期电储存器(4)作为缓冲储存器，并且提供至少一个气体分离器，所述气体分离器从空气中和/或从转换器的废气中和/或从吸收二氧化碳的金属氧化物中分离出二氧化碳，并且所述至少一个气体分离器经管道与局部储罐(10)相连。
2.根据权利要求1的能量供应装置，其特征在于，电网端子(2)与所述局部电能供应(1)呈并联和/或天然气管网连接端(3)与所述储罐(17)呈并联。
3.根据权利要求1或2的能量供应装置，其特征在于，替代或补充电解装置（5），提供至少一个可逆燃料电池(RFC)用于制备氢和制备氧，和/或提供至少一个单独的重整器(6)用于由天然气、甲烷和/或醇类如甲醇，制备氢和二氧化碳。
4.根据权利要求1-3之一的能量供应装置，其特征在于，至少一个附加的化学反应器(22)用于使第一化学化合物催化转化成第二化学化合物如燃油、燃料和/或用于使第一化学化合物催化分解成其原料。
5.根据权利要求1-4之一的能量供应装置，其特征在于，所述第一化学化合物主要由甲烷、醇类如甲醇、乙醇和/或甲酸(蚁酸)组成。
6.根据权利要求5的能量供应装置，其特征在于，向为长期储存而制备的甲烷中加入少于50%体积百分比的氢。
7.根据权利要求5或6的能量供应装置，其特征在于，将用于甲烷化的反应器(7)设计成单级或多级的，也是微结构化的，所谓的壁式反应器。
8.根据权利要求1-7之一的能量供应装置，其特征在于，作为用于产热和/或发电的转换器(9)单独地或任意组合地提供用于利用在甲烷化时和在制备甲醇时的放热过程能量的热交换器(13)，用于气体分离的分离器(8, 11, 12)，低温燃料电池和/高温燃料电池，还有蚁酸燃料电池，催化燃烧器，借助于煤气和/或电流用于供暖的设备，热泵，用于发电的设备如内燃机、发电机、微型-涡轮机以及用于热电联产(BHKW)的设备；通风设备和空调设备。
9.用于运行根据权利要求1-8之一的能量供应装置的方法，其特征在于，为制备所述第一化学化合物所需的二氧化碳绝大部分回收自用于产热和/或发电的转换器(9)的燃烧过程和分解过程并再次使用，并且在循环中不足的二氧化碳份额通过由空气和/或由生物质的燃烧过程或发酵过程和/或由醇类如甲醇和乙醇、天然气、所述第一化学化合物如甲烷和/或蚁酸和/或由碳酸盐和/或碳酸氢盐分离二氧化碳而产生。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，为氢化二氧化碳所需的氢由发酵过程，和/或由生物质，和/或由醇类如甲醇和乙醇，和/或由天然气，和/或由所述第一化学化合物如甲烷和/或蚁酸（甲酸）制得。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，CO2的分离(11, 12)用膜过滤器和/或结合加压和用于气体分离的气体冷却以物理方法进行，和/或用金属氧化物和/或用可形成碳酸盐和/或碳酸氢盐并通过化学活化和/或热活化再释放出所结合的二氧化碳的金属主要以化学方法进行。
12. 根据权利要求9-11之一的方法，其特征在于，所述产热和发电借助于至少一个高温-燃料电池(例如SOFC, MCFC)或催化燃烧器进行，并且同时为化学转化氢所需的二氧化碳借助于重整优选由所述第一化学化合物如甲烷和/或由天然气产生，其中所述天然气由在反应器(7)中制备的在储罐(17)中中间储存之前或之后的合成天然气组成，和/或经由任选的天然气管网连接端(3)得到。
13.根据权利要求9-12之一的方法，其特征在于，在产热或发电时产生的废气经进一步的预净化或不经进一步的预净化用于反应器(7, 20, 21)中，任选在中间储存之后。
14.根据权利要求9-13之一的方法，其特征在于，将通过在反应器(7)中的甲烷化制备的所谓的合成天然气(甲烷)，在中间储存于储罐(17)之前或之后，通过单独的重整段(6)分离成氢和二氧化碳。
15.根据权利要求9-14之一的方法，其特征在于，将通过电解装置(5)产生的氢和氧单独地或以添加到各自使用的能量载体中的形式用于产热和/或发电。
16.根据权利要求9-15之一的方法，其特征在于，所述第一化学化合物和/或所述第二化学化合物可转送给外部用户(18)。
17.根据权利要求9-16之一的方法，其特征在于，基于周期表的第6至第12族，特别是第4至包括第6周期的金属和优选钌、银、钯和铁及其配合物的均相和/或多相催化剂用于蚁酸的氢化和脱氢。
18.根据权利要求9-17之一的方法，其特征在于，所述电视在功率为1-500 kW。
19.根据权利要求9-18之一的方法，其特征在于，所述储罐(17)的储存容量总计为所述能量供应装置的年能量需求的5-35 %。
20.根据权利要求9-19之一的方法，其特征在于，至少一个能量供应装置的远程询问和远程控制经由控制体系和调节体系(19)进行，其中储存容量以及局部的和外部的产能容量的优化和协调以及将多个能量供应装置联接成一个(虚拟的)大储存器能够实现改善的经济效益。
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