DE102022120903A1

DE102022120903A1 - Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden und/oder industriellen Anlagen

Info

Publication number: DE102022120903A1
Application number: DE102022120903.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pflug
Original assignee: Groschopp AG Drives and More
Current assignee: Groschopp AG Drives and More
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-02-29
Also published as: WO2024038206A2; WO2024038206A3

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude (G) und/oder wenigstens einer industriellen Anlage (A), bei dem mittels Sonnenlicht über wenigstens eine Photovoltaikanlage (PV) Strom (4) erzeugt wird, bei dem mittels des in der Photovoltaikanlage (PV) erzeugten Stroms (4) in einem Elektrolyseur (E) Wasser in molekularen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten wird, bei dem mittels molekularem Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) in einem Synthetiseur (S) Methanol (CH3OH) erzeugt wird, bei dem das erzeugte Methanol (CH3OH) in einem Methanol-Tank (9) zwischengespeichert wird, bei dem das zwischengespeicherte Methanol (CH3OH) in einem Strom- und Wärmegenerator (V) unter Abgabe von Strom (4) und Wärme (Q) oxidiert wird und bei dem das wenigstens eine Gebäude (G) und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage (A) mit in dem Strom- und Wärmegenerator (V) erzeugtem Strom (4) und Wärme (Q) versorgt wird, so dass eine, insbesondere ganzjährige, möglichst autarke Versorgung von großen Gebäuden und/oder industrieller Anlagen wirtschaftlich erreicht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude und/oder wenigstens einer industriellen Anlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude und/oder wenigstens einer industriellen Anlage zur Durchführung des genannten Verfahrens.
Gebäude, die entweder zur gewerblichen und/oder privaten Nutzung vorgesehen sind, wie auch industrielle Anlagen, werden regelmäßig je nach Bedarf mit Strom und Wärme versorgt. In der Vergangenheit wurden Strom und Wärme meist durch Verbrennung von fossilen Energieträgern erzeugt. Derzeit wird insbesondere Strom in vielen Fällen regenerativ erzeugt. Der regenerativ erzeugte Strom kann dabei zentral oder dezentral über Photovoltaikanlagen auf dem Dach des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage erzeugt werden. Bedarfsweise lässt sich aus dem regenerativ erzeugten Strom auch über Wärmepumpen Wärme für das Gebäude oder die industrielle Anlage bereitstellen, wobei aus wirtschaftlichen Gründen das Temperaturniveau der Wärme eher gering ist. Eine möglichst autarke Versorgung des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage mit Strom und Wärme ist jedoch in vielen Fällen nicht oder nur eingeschränkt möglich. Dies gilt insbesondere, wenn der autarke Betrieb des Gebäudes oder der industriellen Anlage ganzjährig, also auch im Winter, wo die Sonneneinstrahlung sehr gering und der Wärmebedarf dafür sehr groß ist, beabsichtigt wird.
Um dies zu erreichen, sind Speichereinrichtungen zum Zwischenspeichern von Energie unerlässlich. Solche Speichereinrichtungen sind jedoch insbesondere zur Speicherung von großen Energiemengen recht kostenintensiv. Dies gilt insbesondere für entsprechend dimensionierte Batteriespeicher. Andere Speicherlösungen sind dagegen nur mit hohen Umwandlungsverlusten zu betreiben oder das Speichern von großer Menge Energie etwa in Form von Wasserstoff ist sehr aufwendig. Daher ist insbesondere die ganzjährige autarke Versorgung von großen Gebäuden und/oder industrieller Anlagen aufgrund ihres hohen Energiebedarfs noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Anlage jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine, insbesondere ganzjährige, möglichst autarke Versorgung von großen Gebäuden und/oder industrieller Anlagen wirtschaftlich erreicht werden kann.
Diese Aufgabe ist gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude und/oder wenigstens einer industriellen Anlage,

- bei dem mittels Sonnenlicht über wenigstens eine Photovoltaikanlage Strom erzeugt wird,
- bei dem mittels des in der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms in einem Elektrolyseur Wasser in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird,
- bei dem mittels dem molekulare Wasserstoff und Kohlendioxid in einem Synthetiseur Methanol erzeugt wird,
- bei dem das erzeugte Methanol in einem Methanol-Tank zwischengespeichert wird,
- bei dem das zwischengespeicherte Methanol in einem Strom- und Wärmegenerator unter Abgabe von Strom und Wärme oxidiert wird und
- bei dem das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage mit in dem Strom- und Wärmegenerator erzeugten Strom und Wärme versorgt wird.

Die genannte Aufgabe ist zudem gemäß Anspruch 11 gelöst durch eine Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude und/oder wenigstens einer industriellen Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Photovoltaikanlage zum Erzeugen von Strom mittels Sonnenlicht, mit einem Elektrolyseur zum Erzeugen von molekularem Wasserstoff mittels des in der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms, bei dem einem Synthetiseur zum Erzeugen von Methanol mittels des molekularen Wasserstoffs, mit einem Methanol-Tank zum Zwischenspeichern des Methanols und mit einem Strom- und Wärmegenerator zum Oxidieren des zwischengespeicherten Methanols und zum Versorgen des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage mit Strom und Wärme.
Verfahrensgemäß ist mithin vorgesehen, dass zunächst Sonnenlicht von einer Photovoltaikanlage aufgenommen und von der Photovoltaikanlage in bekannter Weise in Strom umgewandelt wird. Der so gewonnene Strom wird dann genutzt, um mit Hilfe eines Elektrolyseurs in ebenfalls bekannter Weise bereitgestelltes Wasser in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff zu spalten. Dabei wird auch ganz allgemein von einer Elektrolyse gesprochen. Der molekulare Sauerstoff kann an die Umgebung abgegeben werden, wenn keine Verwendung für den Sauerstoff gegeben ist. Der molekulare Wasserstoff wird jedoch an einen Synthetiseur abgegeben. Dem Synthetiseur wird zudem Kohlendioxid zugeführt, um aus dem Kohlendioxid und dem molekularen Wasserstoff Methanol (CH₃OH) zu erzeugen, etwa entsprechend des folgenden Gleichungssystems: H₂ + CO₂ -> CO + H₂O 2 H₂ + CO -> CH₃OH
Die Synthese des Methanols im Synthetiseur kann in mehreren Prozessschritten erfolgen. Zunächst wird das Kohlendioxid mittels molekularem Wasserstoff katalytisch zu Wasser und Kohlenmonoxid umgesetzt. Das Kohlenmonoxid lässt sich wiederum mit molekularem Wasserstoff, man spricht bei einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff auch von Synthesegas, katalytisch zu Methanol umsetzen. Dies erfolgt bevorzugt unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur. Anschließend wird das Methanol typischerweise kondensiert, so dass das Methanol einfach zwischengespeichert und/oder in dem Strom- und Wärmegenerator genutzt werden kann. Bei dem Strom- und Wärmegenerator handelt es sich zudem insbesondere um einen solchen, mit dem sowohl Strom als auch Wärme generiert werden kann.
Das so gewonnene Methanol wird in einem Methanol-Tank zwischengespeichert und aus dem Methanol-Tank je nach Bedarf an einen Strom- und Wärmegenerator weitergegeben, in dem das Methanol unter Abgabe von Strom und Wärme oxidiert wird. Mit dem erzeugten Strom und der erzeugten Wärme lässt sich dann das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage versorgen. Dabei wird die Versorgung insbesondere wärmegetrieben sein. Es wird also so viel Methanol oxidiert, um die benötigte Wärme bereitzustellen. Ein zusätzlicher Strombedarf kann, soweit die Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikanlage ausreicht, direkt aus dem von der Photovoltaikanlage gewonnenen Strom gedeckt werden. Andernfalls wird der Strom- und Wärmegenerator so viel Strom erzeugen, wie benötigt wird, auch wenn dabei mehr Wärme entsteht als angefordert wird.
Vorrichtungsgemäß ist eine Photovoltaikanlage vorgesehen, die Sonnenlicht einfangen und in Strom umwandeln kann. Der so erzeugte Strom kann dann über eine elektrische Leitung an einen Elektrolyseur abgegeben werden, der an eine Wasserquelle angeschlossen ist, um dem Elektrolyseur Wasser zur Spaltung in molekularen Wasserstoff und molekularen Sauerstoff zuzuführen. Der molekulare Wasserstoff kann mittels eine Leitung zwischen dem Elektrolyseur und einem Synthetiseur an den Synthetiseur geleitet werden. Bedarfsweise kann der molekulare Wasserstoff auch in einem Wasserstoff-Speicher zwischengespeichert werden, um den Synthetiseur effizient betreiben und mit Wasserstoff versorgen zu können. Im Synthetiseur kann aus dem molekularen Wasserstoff unter zusätzlicher Verwendung von Kohlendioxid Methanol erzeugt werden. Der Synthetiseur kann mit einer Zuführung für Kohlendioxid versehen sein, die wiederum mit einer Kohlendoxidquelle verbunden sein kann. Der Synthetiseur ist zudem mit einer Methanol-Leitung mit einem Methanol-Tank verbunden, in dem das erzeugte Methanol zwischengespeichert werden kann, bis es zur Versorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage mit Strom und/oder Wärme benötigt wird. Der Methanol-Tank ist dabei über die Methanol-Leitung mit einem Strom- und Wärmegenerator verbunden, in dem das Methanol oxidiert werden kann. Dabei werden Wärme und Strom freigesetzt, so dass der Strom und die Wärme zur Strom- und Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage an das Gebäude und/oder die industrielle Anlage abgegeben werden können. Hierzu kann das Gebäude und/oder die industrielle Anlage mit einer elektrischen Leitung und einer Leitung für ein Wärmeträgermedium mit dem Strom- und Wärmegenerator verbunden sein.
Das zuvor beschriebene Verfahren und die zuvor beschriebene Anlage haben den Vorteil, dass in Zeiten, in denen die Sonne intensiv scheint, ausreichend Strom produziert werden kann, um das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage auch in Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint bzw. von Wolken verdeckt ist, hinreichend mit Strom und Wärme zu versorgen. Der erzeugte Strom reicht dann aus, um solch große Mengen an Methanol zu erzeugen und zu speichern, dass eine Strom- und Wärmeversorgung des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage unabhängig davon sichergestellt werden kann, wann mit der Photovoltaikanlage Strom erzeugt werden kann. Selbst saisonale Unterschiede in der Stromgewinnung aus Sonnenlicht können durch das Zwischenspeichern von ausreichenden Mengen an Methanol ausgeglichen werden. Letztlich lässt sich so bedarfsweise ein autarker Betrieb des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage sicherstellen, und zwar vorzugsweise ganzjährig.
Wenn das Gebäude und/oder die industrielle Anlage hinreichend Fläche für das Aufstellen einer Photovoltaikanlage bereitstellt, etwa auf dem Dach des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage und/oder auf weiteren Flächen, kann eine zusätzliche Versorgung mit Strom und Wärme entbehrlich sein. Die Anlage kann dann sogar Strom und/oder Wärme zur Versorgung weiterer externer Nutzer abgegeben, etwa in ein Stromnetz und/oder einem Nah- oder Fernwärmenetz einspeisen. Es ist alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass in Sommermonaten, in denen keine Wärme von dem Gebäude und/oder der industriellen Anlage nachgefragt wird, der Strombedarf, insbesondere tagsüber, mehr oder weniger vollständig über die Photovoltaikanlage gedeckt werden kann. Ein Betrieb des Strom- und Wärmegenerators kann dann aus wirtschaftlichen Gründen unterbleiben. Im Falle der Erzeugung hinreichender Mengen überschüssigen Stroms können jedoch der Elektrolyseur und der Synthetiseur betrieben werden, um Methanol für Zeiten geringerer Sonneneinstrahlung und/oder höheren Strom- und/oder Wärmebedarfs zu erzeugen und zu speichern. Aufgrund der Komplexität der Anlage und des Strombedarfs sind die Anlage und das Verfahren insbesondere für größere Gebäude oder viele kleinere Gebäude und/oder für eine große industrielle Anlage oder viele kleinere industrielle Anlagen wirtschaftlich zu betreiben. Dies gilt insbesondere dann, wenn das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage einen hohen Bedarf an Strom und/oder Wärme haben.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein Teil des aktuellen Strombedarfs des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage durch den aktuell mittels des in der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms gedeckt. Dies ist besonders effizient. Wenn keine Wärme benötigt wird, muss der Strom- und Wärmegenerator nicht betrieben werden. Wenn Wärme benötigt wird, muss der Strom- und Wärmegenerator nur in einem Umfang betrieben werden, um die erforderliche Menge an Wärme bereitzustellen. Wenn der dabei von dem Strom- und Wärmegenerator erzeugte Strom nicht ausreicht, um den Strombedarf des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage zu decken, kann dieser vorteilhaft möglichst über den durch die Photovoltaikanlage erzeugten Strom gedeckt werden. Das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage ist mithin vorzugsweise elektrisch sowohl an den Strom- und Wärmegenerator als auch an die Photovoltaikanlage angeschlossen. Sollte zu einem bestimmten Zeitpunkt dagegen von der Photovoltaikanlage nicht genügend Strom bereitgestellt werden, um den zusätzlichen Strombedarf des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage zu decken, kann der Strom- und Wärmegenerator zusätzlich Methanol oxidieren, um eine hinreichende Menge Strom bereitzustellen, auch wenn die dabei erzeugte Wärmemenge nicht von dem Gebäude, der industriellen Anlage und/oder anderweitig genutzt oder abgegeben werden kann.
Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso bevorzugt, wenn wenigstens ein Teil des aktuellen Wärmebedarfs des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage durch die aktuell mittels dem Strom- und Wärmegenerator erzeugte Wärme gedeckt wird. So wird mit der Anlage nicht nur dem Strombedarf Rechnung getragen, sondern die Anlage kann auch genutzt werden, um den Wärmebedarf des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage wenigstens teilweise zu decken. Besonders bevorzugt kann es hinsichtlich eines autarken Betriebs sein, wenn der Wärmebedarf vollständig durch den Strom- und Wärmegenerator gedeckt wird. Denkbar ist aber auch, dass ein Teil des Wärmebedarfs aus anderen Quellen gedeckt wird, insbesondere wenn diese zusätzliche Wärme kostengünstig bereitgestellt wird.
Wenn beispielsweise zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage mittels dem Strom- und Wärmegenerator mehr Strom erzeugt wird, als von dem Gebäude oder der industriellen Anlage benötigt wird, so kann es sich anbieten, wenn mit wenigstens einem Teil des aktuell mittels dem Strom- und Wärmegenerator zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage erzeugten Stroms in dem wenigstens einen Elektrolyseur molekularer Wasserstoff und/oder der Synthetiseur Methanol erzeugt wird. Der überschüssige Strom kann dann genutzt und wenigstens teilweise in Form von Methanol gespeichert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann mit wenigstens einem Teil des aktuell mittels des Strom- und Wärmegenerators zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage erzeugten Stroms das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage mit Strom versorgt werden. Der bei der Wärmegewinnung parallel anfallende Strom wird dann zweckmäßig ebenfalls von dem wenigstens einen Gebäude und/oder von der wenigstens einen industriellen Anlage genutzt.
Um das wenigstens eine Gebäude und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage ganzjährig möglichst autark betreiben zu können, bietet es sich an, wenn das in den Sommermonaten erzeugte Methanol wenigstens teilweise, insbesondere überwiegend, also zu einem größeren Teil, bis zu den Wintermonaten in dem wenigstens einen Methanol-Tank zwischengespeichert wird. Dann sind die Sommermonate tendenziell eher die Monate, in denen Methanol bevorratet wird, während die Wintermonate tendenziell eher die Monate sind, in denen das Methanol in dem Strom- und Wärmegenerator zur Strom- und Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage genutzt wird.
Hinsichtlich eines effizienten Betriebs des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage bietet es sich alternativ oder zusätzlich an, wenn, insbesondere in den Wintermonaten, in dem Strom- und Wärmegenerator Methanol zur Wärmeversorg des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage oxidiert wird. Der Wärmebedarf ist dann grundsätzlich die leitende Größe. Mit anderen Worten werden das Verfahren und die Anlage wärmegetrieben betrieben. Der dann überschüssig erzeugte Strom kann dann anderweitig, etwa zur Methanol-Erzeugung genutzt werden. Der überschüssige Strom wird dann wenigstens teilweise dem wenigstens einen Elektrolyseur zur Erzeugung molekularen Wasserstoffs und/oder dem Synthetiseurs zur Erzeugung von Methanol zugeführt. Dies schließt jedoch nicht aus, dass das Verfahren zeitweise Stromgetrieben betrieben wird, um die benötigte Menge an Strom bereitzustellen, auch wenn die dabei erzeugte Menge an Wärme von dem wenigstens einen Gebäude und/oder von der wenigstens einen industriellen Anlage nicht nachgefragt wird.
Für eine möglichst kohlendioxidneutrale Strom- und Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage bietet es sich an, das beim Oxidieren des Methanols in dem wenigstens einen Strom- und Wärmegenerator erzeugte Kohlendioxid wenigstens teilweise dem Synthetiseur zur Erzeugung von Methanol zuzuführen. Das Kohlendioxid kann dabei quasi im Kreislauf gefahren und wiederverwendet werden. Dies ist zweckmäßig, verändert aber grundsätzlich nicht die Kohlenstoffdioxidbilanz. Es wird nämlich in jedem Fall einer anderen Quelle, bedarfsweise und primär der Umgebung, Kohlendioxid zur Methanol-Synthese entzogen.
Alternativ oder zusätzlich kann das beim Oxidieren des Methanols in dem wenigstens einen Strom- und Wärmegenerator erzeugte Wasser wenigstens teilweise dem Elektrolyseur zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff zugeführt werden. Beim Oxidieren des Methanols im Strom- und Wärmegenerator wird Wasser gebildet. Dieses kann entweder flüssig oder dampfförmig abgegeben werden oder es kann in den Elektrolyseur rückgeführt werden, um unter Nutzung des Wassers wieder neues Methanol zu bilden. Bei der Methanolsynthese im Synthetiseur wird ebenfalls Wasser gebildet, was alternativ oder zusätzlich zu dem Wasser aus dem Strom- und Wärmegenerator in den Elektrolyseur zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff zurückgeführt werden kann.
Als Strom- und Wärmegenerator bietet sich ein solcher an, der wenigstens ein Blockheizkraftwerk (BHKW) oder wenigstens einen Kessel umfasst. Blockheizkraftwerke sind sehr effizient für die Bereitstellung von Strom und Wärme nutzbar. Kessel können zur Wärme- und Dampfgewinnung genutzt werden, wobei der Dampf wenigstens teilweise mit Hilfe einer Turbine und eines daran angeschlossenen Generators zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Der Strom- und Wärmegenerator kann grundsätzlich auch zusätzlich oder alternativ eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) umfassen, mittels derer mit hohen Wirkungsgraden Strom und Wärme erzeugt werden kann. Es kommen aber auch andere Strom- und Wärmegeneratoren bzw. Versorgungseinrichtungen in Frage.
Aus Effizienzgründen kann als Elektrolyseur ein elektrochemischer Elektrolyseur verwendet werden, der einen Stack aus elektrochemischen Zellen aufweist. Die Zellen des Stacks umfassen jeweils zwei Elektroden und einen die Elektroden semipermeabel voneinander separierenden Separator. Dabei können die Stapel zur Bildung des Stacks gestapelt werden. In jeder Zelle wird dann eine Teilmenge des molekularen Wasserstoffs gebildet, der anschließend gesammelt und zum wenigstens einen Synthetiseur geleitete werden kann. Als besonders effektiv haben sich in diesem Zusammenhang elektrochemische Elektrolyseure gezeigt, bei denen die Elektroden der Zellen über Separatoren in Form von Elektronen-Austauschmenbranen (Proton Exchange Membrane - PEM) voneinander getrennt sind. Man spricht in diesem Zusammenhang auch kurz von PEM-Elektrolyseuren.
Um günstig und ressourcenschonend Wasser für die Erzeugung von molekularem Wasserstoff im Elektrolyseur bereitzustellen, kann Regenwasser, insbesondere vom Dach des wenigstens einen Gebäudes und/oder der industriellen Anlage, in einem Regenwasser-Tank gesammelt werden. Von dem Regenwassertank kann dann je nach Bedarf Wasser für die Wasserstoffherstellung entnommen werden. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu einer Rückführung von Wasser aus dem Strom- und Wärmegenerator und/oder dem Synthetiseur, jeweils bedarfsweise über den Regenwasser-Tank erfolgen. Als Wasser kann auch Brunnenwasser, Oberflächenwasser und/oder Frischwasser zum Einsatz kommen. Dabei kann es erforderlich sein, das Wasser vor der Verwendung zu reinigen.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der Anlage ist der wenigstens eine Synthetiseur mit einer Methanol-Leitung mit einem Methanol-Tank zum Zwischenspeichern des Methanols verbunden. Zudem kann der Methanol-Tank mit einer Methanol-Leitung mit dem Strom- und Wärmegenerator verbunden sein, damit der Strom- und Wärmegenerator je nach Bedarf mit Methanol versorgt werden kann. Der Strom- und Wärmegenerator kann dann stets die gewünschte Wärmemenge und/oder Menge an Strom bereitstellen. Zudem kann aber je nach dem aktuell von der Photovoltaikanlage bereitgestellten, überschüssigen Strom mittels Elektrolyseur und Synthetiseur Methanol erzeugt werden. Die Erzeugung und die Nutzung des Methanols kann so einfach zeitlich entkoppelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Strom- und Wärmegenerator über eine Kohlendioxid-Leitung mit dem Synthetiseur verbunden sein. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, dass über die Kohlendioxid-Leitung Umgebungsluft und/oder dass Abgas des Strom- und Wärmegenerators zugeführt wird, welche/r einen gewissen Anteil an Kohlendioxid enthält. Effizienter kann es jedoch sein, wenn Kohlendioxid aus einer Kohlendioxidquelle in angereicherter Form über die Kohlendioxid-Leitung zugeführt wird. Bevorzugt kann das Kohlendioxid nahezu rein zugeführt werden und/oder in einem Kohlendioxid-Speicher, etwa in Form eines Gastanks, bereitgehalten werden. Besonders zweckmäßig kann es dabei sein, wenn das Kohlendioxid aus einem industriellen Prozess abgeschieden wird, in dem das Kohlendioxid in großen Mengen und hohen Konzentrationen anfällt. Dies kann beispielsweise beim Betrieb des Strom- und Wärmegenerators der Fall sein, in dem Methanol zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird. Das Kohlendioxid kann dann in der Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung wenigstens teilweise im Kreislauf gefahren werden.
Zudem kann der Elektrolyseur über eine Wasser-Leitung mit dem Strom- und Wärmegenerator und/oder dem Synthetiseur verbunden sein. Dann kann das in dem Strom- und Wärmegenerator und /oder dem Synthetiseur entstehende Wasser an den Elektrolyseur zurückgeführt werden. Um den Elektrolyseur unabhängiger von dem Strom- und Wärmegenerator und/oder dem Synthetiseur betreiben zu können, bietet es sich an, wenn das Wasser in einem Wasserspeicher in der Wasser-Leitung zwischengespeichert werden kann. Zur Nutzung des Wassers aus dem Strom- und Wärmegenerator und für einen effizienten Betrieb des Verfahrens kann es sich besonders anbieten, wenn der Strom- und Wärmegenerator einen Kessel, ein Blockheizkraftwerk oder eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) umfasst. Aus demselben Grund kann es sich alternativ oder zusätzlich anbieten, wenn der Elektrolyseur ein elektrochemischer Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM-Elektrolyseur, ist.
Um Leitungsverluste zu vermindern und eine kompakte Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung bereitstellen zu können, bietet es sich alternativ oder zusätzlich an, wenn die Photovoltaikanlage zur Erzeugung von Strom für den Elektrolyseur auf dem wenigstens einen Gebäude und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage montiert ist, und zwar insbesondere auf dem Dach und/oder anderen (Neben-) Flächen des Gebäudes und/oder der industriellen Anlage . Diese Fläche kann so effizient genutzt werden und eine Leitung des Stroms über weite Strecken oder ein externes Stromnetz kann so vermieden werden.
Einem autarken Betrieb der Anlage kann es ebenfalls förderlich sein, wenn der Elektrolyseur mit einem Regenwasser-Tank zum Speichern des Regenwassers, etwa vom Dach, des wenigstens einen Gebäudes und/oder der industriellen Anlage verbunden ist. Das Regenwasser kann also lokal aufgefangen und auch lokal genutzt werden. Eine Versorgung über eine externe Wasserleitung oder die Verwendung von Leitungswasser ist dann nicht zwingend erforderlich. Auch Brunnenwasser muss so nicht zwingend zum Einsatz kommen.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung eines Gebäudes und/oder einer industriellen Anlage in einer schematischen Fließbilddarstellung und
2 ein zusätzliches Detail der Anlage und des Verfahrens aus 1 in einer schematischen Fließbilddarstellung.

In der 1 sind eine Anlage 1 und ein Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung eines Gebäudes G und/oder einer industriellen Anlage A dargestellt. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Anlage 1 ist auf dem Dach 2 des mit Strom und Wärme zu versorgenden Gebäudes G bzw. der industriellen Anlage A eine Photovoltaikanlage PV installiert, die bei hinreichender Sonneneinstrahlung 3 Strom 4 produziert. Dieser Strom 4 kann direkt zur Stromversorgung an das Gebäude 2 und/oder die industrielle Anlage abgegeben werden. Der Strom 4 kann aber auch wenigstens teilweise zum Betrieb eines Elektrolyseurs E verwendet werden. Mit Hilfe des so erzeugten Stroms 4 kann alternativ oder zusätzlich auch ein Synthetiseur S mit Strom 4 versorgt werden, auch wenn dies der besseren Übersichtlichkeit halber nicht im Einzelnen dargestellt ist.
Dem Elektrolyseur E wird neben dem Strom 4 noch Wasser (H₂O) zugeführt, das in dem Elektrolyseur E in molekularen Wasserstoff (H₂) und molekularen Sauerstoff (O₂) gespalten wird. Der molekulare Wasserstoff (H₂) kann zwischengespeichert werden, wird aber vorzugsweise mehr oder weniger direkt an den Synthetiseur S abgegeben, dem zusätzlich noch Kohlendioxid (CO₂) zugeführt wird. Aus dem Wasserstoff (H₂) und dem Kohlendioxid (CO₂) wird in dem Synthetiseur S Methanol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) gebildet, wobei das Methanol (CH₃OH) wiederum in einem Strom- und Wärmegenerator V oxidiert, also bedarfsweise verbrannt, werden kann. Dabei wird in dem Strom- und Wärmegenerator V einerseits Strom 4 und andererseits Wärme Q erzeugt. Die Wärme Q und der Strom 4 können bedarfsweise zur Versorgung des Gebäudes G und/oder der industriellen Anlage A genutzt werden. In Phasen, in denen mit dem Strom- und Wärmegenerator V zur Deckung des Wärmebedarfs in dem Gebäude G und/oder der industriellen Anlage A mehr Strom erzeugt als benötigt wird, kann dieser überschüssige Strom 4 an den Elektrolyseur E und/oder den Synthetiseur S abgegeben werden, um mit dem überschüssigen Strom 4 molekularen Wasserstoff (H₂) und/oder Methanol (CH₃OH) zu produzieren.
Der im Elektrolyseur E neben dem molekularen Wasserstoff (H₂) produzierte molekulare Sauerstoff (O₂) kann entweder an die Umgebung abgegeben werden oder, wie dargestellt, zur Steigerung der Effizienz zur Oxidation an den Strom- und Wärmegenerator V abgegeben werden. Dem Strom- und Wärmegenerator V muss dann beispielsweise keine Umgebungsluft mit einem hohen Anteil an inertem Stickstoff (N₂) zugeführt werden. Gleichzeitig kann bedarfsweise das beim Oxidieren in der Versorgungseinreichung V freiwerdende Kohlendioxid (CO₂) in den Synthetiseur S geleitet werden. Dabei kann zuvor eine Aufbereitung des Abgases 5 des Strom- und Wärmegenerators V erfolgen, um das Abgas 5 zu reinigen oder das Kohlendioxid (CO₂) wenigstens teilweise von anderen Bestandteilen das Abgases 5 zu trennen, so dass die Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in dem aufbereiteten Abgas 5 erhöht werden kann. Das Abgas 5 des Strom- und Wärmegenerators V bietet sich insoweit als Kohlendioxidquelle an, als dass die Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) im Abgas 5 in vielen Fällen deutlich höher sein wird als in der Umgebungsluft, in der die Konzentration an Kohlendioxid (CO₂) sehr gering ist. Das in dem Strom- und Wärmegenerator V und/oder dem Synthetiseur S anfallende Wasser (H₂O) wird bedarfsweise in den Elektrolyseur E zurückgeleitet, um erneut in molekularen Wasserstoff (H₂) und molekularen Sauerstoff (O₂) gespalten zu werden.
Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Anlage 1 zur Strom- und Wärmeversorgung ist als Strom- und Wärmegenerator V ein Blockheizkraftwerk (BHKW) vorgesehen. Zudem kann es sich bei dem Elektrolyseur E um einen PEM-Elektrolyseur E mit Polymeraustauschmembranen handeln.
In der 2 sind weitere Details des Verfahrens und der Anlage 1 dargestellt, die der besseren Übersichtlichkeit halber in der 1 unberücksichtigt geblieben sind. Bei diesen Details geht es insbesondere um eine zeitliche Entkopplung von einzelnen Verfahrensschritten und Anlagenteilen. Zudem geht es um die Wasserversorgung des Verfahrens und der Anlage 1. Das auf das Dach 2 des Gebäudes G und/oder der industriellen Anlage A als Regenwasser fallende Wasser (H₂O) kann aufgefangen und in einem (Regen-)Wasser-Tank 6 gespeichert werden, bevor das Regenwasser (H₂O) im Elektrolyseur E genutzt wird. Der (Regen-)Wasser-Tank 6 kann bedarfsweise zudem aus im Strom- und Wärmegenerator V und/oder im Synthetiseur S gebildeten Wasser (H₂O) gespeist werden. So ist die Produktion von Methanol (CH₃OH) unabhängig von aktuellen Niederschlagsmengen, so dass in Zeiten Methanol (CH₃OH) produziert werden kann, in denen mit der Photovoltaikanlage PV viel Strom 4 produziert wird. In diesen Zeiten regnet es aber typischerweise nicht gleichzeitig. Sollte das gesammelte Regenwasser nicht ausreichen, um den Wasserbedarf der Anlage 1 zu decken, kann auch Brunnenwasser, Oberflächenwasser, Frischwasser und/oder Leitungswasser zugeführt werden.
Der im Elektrolyseur E erzeugte molekulare Sauerstoff (O₂) kann ebenfalls zunächst in einem Sauerstoff-Speicher 7 gespeichert werden, bis der Sauerstoff (O₂) zur Oxidation im Strom- und Wärmegenerator V benötigt wird. Die Versorgung des Gebäudes G und/oder der industriellen Anlage A kann also abgekoppelt werden von der Herstellung des Methanols (CH₃OH). Es wird nämlich in vielen Fällen der Wärme- und/oder Strombedarf des Gebäudes G und/der der industriellen Anlage A nicht zeitgleich vorliegen mit einer starken Sonneneinstrahlung 3 auf die Photovoltaikanlage PV. Ebenso kann durch die Oxidation des Methanols (CH₃OH) kohlendioxidreiches Abgas 5 entstehen, ohne dass gleichzeitig von der Photovoltaikanlage PV nennenswert Strom 4 produziert wird. Es kann dann das Kohlendioxid (CO₂) in einem Kohlendioxid-Speicher 8 gespeichert werden, bis über den Elektrolyseur E nennenswerte Mengen an molekularem Wasserstoff (H₂) gebildet werden, die dann zusammen mit dem gespeicherten Kohlendioxid (CO₂) zu Methanol (CH₃OH) umgesetzt werden können. Auch das Methanol (CH₃OH) wird zudem in einem Methanol-Tank 9 zwischengespeichert, weil in den Wintermonaten ein hoher Wärmebedarf besteht und über die Photovoltaikanlage PV nur wenig Strom 4 erzeugt wird. Es kann dann in den Sommermonaten erzeugtes Methanol (CH₃OH) zur Strom- und Wärmeversorgung des Gebäudes G und/oder der industriellen Anlage A oxidiert werden, um den Bedarf des Gebäudes G und/oder der industriellen Anlage A an Strom 4 und Wärme Q in den Wintermonaten decken zu können.
Bezugszeichenliste

1: Anlage
2: Dach
3: Sonneneinstrahlung
4: Strom
5: Abgas
6: Regelwasser-Tank
7: Sauerstoff-Speicher
8: Kohlendioxid-Speicher
9: Methanol-Tank
A: industrielle Anlage
E: Elektrolyseur
G: Gebäude
PV: Photovoltaikanlage
Q: Wärme
S: Synthetiseur
V: Strom- und Wärmegenerator

Claims

Verfahren zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude (G) und/oder wenigstens einer industriellen Anlage (A), - bei dem mittels Sonnenlicht über wenigstens eine Photovoltaikanlage (PV) Strom (4) erzeugt wird, - bei dem mittels des in der Photovoltaikanlage (PV) erzeugten Stroms (4) in einem Elektrolyseur (E) Wasser in molekularen Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten wird, - bei dem mittels molekularem Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) in einem Synthetiseur (S) Methanol (CH₃OH) erzeugt wird, - bei dem das erzeugte Methanol (CH₃OH) in einem Methanol-Tank (9) zwischengespeichert wird, - bei dem das zwischengespeicherte Methanol (CH₃OH) in einem Strom- und Wärmegenerator (V) unter Abgabe von Strom (4) und Wärme (Q) oxidiert wird und - bei dem das wenigstens eine Gebäude (G) und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage (A) mit in dem Strom- und Wärmegenerator (V) erzeugtem Strom (4) und Wärme (Q) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, - bei dem wenigstens ein Teil des aktuellen Strombedarfs des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) durch den aktuell mittels des in der Photovoltaikanlage (PV) erzeugten Stroms (4) gedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens ein Teil des aktuellen Wärmebedarfs des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) durch die aktuell mittels des Strom- und Wärmegenerators (V) erzeugte Wärme (Q) gedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - bei dem mit wenigstens einem Teil des aktuell mittels des Strom- und Wärmegenerators (V) zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) erzeugten Stroms (4) in dem wenigstens einen Elektrolyseur (E) molekularer Wasserstoff (H₂) und/oder im wenigstens einen Synthetiseur (S) Methanol (CH₃OH) erzeugt wird und/oder - bei dem mit wenigstens einem Teil des aktuell mittels des Strom- und Wärmegenerators (V) zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) erzeugten Stroms (4) das wenigstens eine Gebäude (G) und/oder die wenigstens eine industrielle Anlage (A) mit Strom (4) versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - bei dem das in den Sommermonaten erzeugte Methanol (CH₃OH) wenigstens teilweise, insbesondere überwiegend bis zu den Wintermonaten in dem Methanol-Tank (9) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - bei dem, insbesondere in den Wintermonaten, in dem Strom- und Wärmegenerator (V) Methanol (CH₃OH) zur Wärmeversorg des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) oxidiert wird und - bei dem, vorzugsweise, der zur Wärmeversorgung des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A), insbesondere in den Wintermonaten, erzeugte Strom (4) wenigstens teilweise dem wenigstens einen Elektrolyseur (E) zur Erzeugung molekularen Wasserstoffs (H₂) und/oder dem wenigstens einen Synthetiseur (S) zur Erzeugung von Methanol (CH₃OH) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - bei dem das beim Oxidieren des Methanols (CH₃OH) in dem wenigstens einen Strom- und Wärmegenerator (V) erzeugte Kohlendioxid (CO₂) wenigstens teilweise dem Synthetiseur (S) zur Erzeugung von Methanol (CH₃OH) zugeführt wird und/oder - bei dem das beim Oxidieren des Methanols (CH₃OH) in dem wenigstens einen Strom- und Wärmegenerator (V) und /oder im Synthetiseur (S) erzeugte Wasser (H₂O) wenigstens teilweise dem Elektrolyseur (E) zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff (H₂) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - bei dem als Strom- und Wärmegenerator (V) ein Strom- und Wärmegenerator (V) umfassend wenigstens ein Blockheizkraftwerk (BHKW), eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) oder ein Kessel verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - bei dem als Elektrolyseur (E) ein elektrochemischer Elektrolyseur (E) umfassend einen Stack aus elektrochemischen Zellen mit jeweils zwei Elektroden und einen die Elektroden semipermeabel voneinander separierenden Separator verwendet wird und - bei dem als elektrochemischem Elektrolyseur (E) ein Elektrolyseur mit Elektronen-Austauschmenbranen (Proton Exchange Membrane - PEM) als Separatoren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, - bei dem Regenwasser, insbesondere vom Dach (2) des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der industriellen Anlage (A), in einem Regenwasser-Tank (6) gesammelt und das gesammelte Regenwasser (H₂O) dem Elektrolyseur (E) zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff (H₂) zugeführt wird und/oder - bei dem Brunnenwasser, Oberflächenwasser, Frischwasser und/oder Leitungswasser dem Elektrolyseur (E) zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff (H₂) zugeführt wird.
Anlage (1) zur Strom- und Wärmeversorgung von wenigstens einem Gebäude (G) und/oder wenigstens einer industriellen Anlage (A) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Photovoltaikanlage (PV) zum Erzeugen von Strom (4) mittels Sonnenlicht, mit einem Elektrolyseur (E) zum Erzeugen von molekularem Wasserstoff (H₂) mittels des in der Photovoltaikanlage (PV) erzeugten Stroms (4), bei dem einem Synthetiseur (S) zum Erzeugen von Methanol (CH₃OH) mittels des molekularen Wasserstoffs (H₂), mit einem Methanol-Tank (9) zum Zwischenspeichern des Methanols (CH₃OH) und mit einem Strom- und Wärmegenerator (V) zum Oxidieren des zwischengespeicherten Methanols (CH₃OH) und zum Versorgen des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der wenigstens einen industriellen Anlage (A) mit Strom (4) und Wärme (Q).
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthetiseur (S) mit einer Methanol-Leitung mit einem Methanol-Tank (9) zum Zwischenspeichern des Methanols (CH₃OH) und der Methanol-Tank (9) mit einer Methanol-Leitung mit dem Strom- und Wärmegenerator (V) verbunden ist und/oder dass der Strom- und Wärmegenerator (V) über eine Kohlendioxid-Leitung, und vorzugsweise einen Kohlendioxid-Speicher (8), mit dem Synthetiseur (S) verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom- und Wärmegenerator (V) und/oder der Synthetiseur (S) über eine Wasser-Leitung, und vorzugsweise einen Wasser-Speicher (6), mit dem Elektrolyseur (E) verbunden ist und/oder dass der Strom- und Wärmegenerator (V) ein Kessel, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) oder eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) umfasst und/oder dass der Elektrolyseur (E) ein elektrochemischer Elektrolyseur (E), insbesondere PEM-Elektrolyseur, ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (PV) auf dem wenigstens einen Gebäude (G) und/oder auf der wenigstens einen industriellen Anlage (A) montiert ist und/oder dass der Elektrolyseur (E) mit einem Regenwasser-Tank (9) zum Speichern des Regenwassers (H₂O) vom Dach des wenigstens einen Gebäudes (G) und/oder der industriellen Anlage (A) verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (E) mit einer Quelle für Brunnenwasser, Oberflächenwasser, Frischwasser und/oder Leitungswasser verbunden ist.