EP2789047A1 - Anordnung und verfahren zur energiespeicherung in gebäuden und energieversorgung von gebäuden - Google Patents

Anordnung und verfahren zur energiespeicherung in gebäuden und energieversorgung von gebäuden

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EP2789047A1
EP2789047A1 EP12799174.3A EP12799174A EP2789047A1 EP 2789047 A1 EP2789047 A1 EP 2789047A1 EP 12799174 A EP12799174 A EP 12799174A EP 2789047 A1 EP2789047 A1 EP 2789047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chemical reactor
substrate
hydrogen
fuel cell
energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12799174.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Arlt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydrogenious Technologies GmbH
Original Assignee
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
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Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Publication of EP2789047A1 publication Critical patent/EP2789047A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/40—Fuel cell technologies in production processes

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for supplying power to or
  • Oxidation of oxygen is widely known and occurs in a variety of ways.
  • An essential and critical aspect of using fuel cells is the storage or storage of hydrogen, which is known to be extremely explosive in the presence of oxygen.
  • containers of compressed hydrogen are difficult to seal and hydrogen explodes or detonates with pressure waves> 1000 m / s in almost every 4-75% mixture with air.
  • the minimum ignition energy is lower than other gaseous substances.
  • Hydrogen is classified as highly flammable (F +) and can be found at high levels
  • the hydrogen incorporated by means of hydrogenation can subsequently be recovered from the hydrogenated product by regeneration of the aromatic substance in the reverse reaction merely by raising the temperature and / or reducing the hydrogen pressure.
  • N-ethylcarbazole N-ethylcarbazole
  • H12-NEC perhydro form
  • the hydrogen storage density of this reaction is about twice as high in volume as in a hydrogen-filled 700 bar tank.
  • the method and the arrangement are aimed at the energy supply of buildings and at the same time the buffering of electrical networks, in which electricity is fed from unstable renewable energies. These have full load hours from about 1000 h (photovoltaic) to 3500 h (wind energy), compared to 8600 h / a that is little. To the same
  • Home area is a common technology, and depending on location, roof area and orientation, plants up to 30 kW peak power are common practice.
  • a cost effective way photovoltaic electricity or other electricity in the medium term, i. for a few days to a few weeks or to save is therefore an essential step to enable further growth of photovoltaic and renewable electricity generation.
  • Electricity store to compensate for peaks or rapid waste, e.g. In the case of cloud cover, it may be just as important to contribute as the selection of suitable cell technology, which, for example, does not lead to complete shutdown of the module in the case of partial shading.
  • Described fuel cell system which is a complete, closed ensemble, and a PEM fuel cell and a PEM electrolyzer with each other united. This meets the demand for a simple and cost-effective system.
  • the power supply of this system takes place with the help of available renewable energy sources, such as solar and / or wind energy or an excess electrical energy.
  • the structure of the proposed fuel cell system allows a long
  • the PEM electrolyzer requires distilled water to operate.
  • the system automatically regulates the water balance required by the PEM electrolyzer from a dedicated reservoir.
  • the described Brennstoffze II system also includes a hydrogen storage formed in the form of a metal hydride reservoir.
  • This memory is made of specific metal alloys and allows the intermediate storage of gaseous hydrogen.
  • the metal hydride reservoir can be close to the hydrogen with hydrogen
  • metal hydride storage as a hydrogen storage is not very suitable for use in private households. They are expensive, often inefficient and have a number of intrinsic safety issues.
  • the arrangement includes the energy supply of buildings, in particular of isolated single buildings such as private houses, holiday homes, commercial real estate or production buildings,
  • At least one energy-generating plant in particular a photovoltaic plant, for providing an electric current, and / or at least one connection to the public grid,
  • At least one electrolyzer for the production of hydrogen from water using the electrical power from the power generating plant
  • At least one first chemical reactor for the at least partial hydrogenation of at least one substrate with an extended ⁇ -conjugated system below
  • At least one storage tank for storing the substrate at least partially hydrogenated in the first chemical reactor
  • At least one second chemical reactor for the at least partial dehydrogenation of the at least partially hydrogenated substrate produced in the first chemical reactor and stored in the storage tank with liberation of hydrogen
  • At least one fuel cell for the oxidation of the hydrogen released in the second chemical reactor with the release of energy At least one fuel cell for the oxidation of the hydrogen released in the second chemical reactor with the release of energy.
  • the arrangement may comprise an electrical power connection to an external power network for providing an alternating current.
  • the arrangement may include a rectifier for rectifying the provided alternating current.
  • the energy released by the fuel cell may be in the form of electrical power, such as DC and heat.
  • the arrangement may comprise an inverter for generating an alternating current from a direct current generated by the fuel cell.
  • the inverter may be a third-party or grid-guided inverter or be a self-commutated inverter and / or include a shutdown of the system in power disturbances.
  • the inverter may include diodes, thyristors, triacs, transistors or IGBTs.
  • the arrangement may include a plurality of fuel cells connected in series to form a stack to obtain a higher voltage.
  • Provision of heat and electricity in the house to increase the efficiency such as the use of waste heat of the above-described conversions to
  • Bypass hydrogen storage but still allow the coupling with the photovoltaic or other renewable energy sources.
  • By the conversion of the hydrogen and conversion by means of a fuel cell can thus be a closed circuit.
  • the present arrangement thus makes it possible to ensure the autonomous
  • a low-energy substrate is converted into its high-energy form, in which e.g. from sunlight by photovoltaic, but also from other suitable renewable energy sources, electrical energy is generated, which in turn is used to generate hydrogen and oxygen with splitting of water.
  • the hydrogen formed is then used to hydrogenate the low-energy form of the
  • Particularly suitable low-energy substrates are polycyclic, aromatic compounds with a
  • Fuel cell generates electrical energy and heat.
  • the advantage of the present arrangement and a method described below is that a building such as e.g. a private house renewable energy such as Photovoltaic but also decentralized wind energy stores and even through the
  • Heat conversion is heated.
  • the heat demand of the building is independent of other sources of energy.
  • a stand-alone building such as a building
  • a private house under
  • renewable energy such as Photovoltaic but also wind energy
  • the energy demand and the energy supply can be covered independently and independently of other energy sources and thus a power grid.
  • Another advantage is that, unlike previously known methods and models, the hydrogen factor, which is essential for energy production, need not be present in large quantities, but must be present in a chemical substance safely and without pressure in an existing infrastructure, such as e.g. in the tanks of an oil heater can be stored unlimited in time. Using existing infrastructure reduces the cost of the system.
  • the at least one electrolyzer is connected to the at least one fuel cell via the first chemical reactor, the storage tank and the second chemical reactor.
  • the individual cells and reactors of the present arrangement are connected to suitable connecting lines for the transfer of hydrogen and the low-energy or high-energy form of the aromatic hydrocarbon.
  • the lines for the transport of hydrogen are preferably made of gas-tight and pressure-resistant materials.
  • the at least one low energy substrate having an extended TT conjugated system is selected from the group consisting of polycyclic aromatic hydrocarbons, polycyclic heteroaromatic hydrocarbons, ⁇ -conjugated organic polymers, or a combination thereof.
  • the at least one low-energy substrate having an extended ⁇ -conjugated system is selected from a group containing fused heteroaromatic hydrocarbons with N, S or O heteroatom, wherein the
  • heteroatoms substituted or unsubstituted are preferably ring systems with C6 to C30, preferably C8 to C20, in particular C12.
  • the heteroatoms of the condensed hydrocarbons are substituted by at least one alkyl group, at least one aryl group, at least one alkenyl group, at least one alkynyl group, at least one cycloalkyl group and / or at least one cycloalkenyl group, substitutions of the heteroatoms with Ci-C 30 alkyl , Preferably C 1 -C 1 0 alkyl, in particular with C 2 -C 5 alkyl are advantageous and may contain further heteroatoms.
  • N-ethylcarbazole, N-n-propylcarbazole or N-isopropylcarbazole is used as the low-energy substrate suitable for the storage of hydrogen.
  • substituted when used with “alkyl”, “alkenyl”, “aryl”, etc., refers to the substitution of one or more atoms, usually H atoms, by one or more of the following substituents, preferably by one or two of the following substituents: halogen, hydroxy, protected hydroxy, oxo, protected oxo, C 3 -C 7 cycloalkyl, bicyclic alkyl, phenyl, naphthyl, amino, protected amino, monosubstituted amino, protected monosubstituted amino, disubstituted amino, guanidino, protected guanidino, a heterocyclic ring, substituted heterocyclic ring, imidazolyl, indolyl, pyrrolidinyl, CrCl 2 alkoxy, C 1 -C 12 acyl, Ci-Ci 2 acyloxy, acryloyloxy, nitro, carboxy, protected carboxy, carbamoyl
  • Examples of C 2 -C 6 alkynyls include ethynyl, propynyl, 2-butynyl, 2-pentynyl, 3-pentynyl, 2-hexynyl, 3-hexynyl, 4-hexynyl, vinyl and di- and tri- ines of straight ones and branched alkyl chains.
  • aryl refers to aromatic hydrocarbons, for example, phenyl, benzyl, naphthyl, or anthryl.
  • Substituted aryl groups are aryl groups which are substituted with one or more substituents as defined above, as defined above.
  • cycloalkyl includes the groups cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl,
  • cycloalkenyl includes the groups cyclopentenyl, cyclohexenyl, cycloheptenyl and cyclooctenyl.
  • the low-energy substrate with an extended ⁇ -conjugated system in the first chemical reactor at a temperature between 50 and 180 ° C, preferably 80 and 150 ° C and a pressure between 2 and 200 bar, preferably 10 to 100 Bar in the presence of a suitable noble metal catalyst is at least partially hydrogenated.
  • a suitable noble metal catalyst include the element ruthenium.
  • a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell is used as the fuel cell.
  • PEM low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell
  • These fuel cells can be used not only in their actual function for hydrogen oxidation, wherein the oxygen required for the hydrogen oxidation is obtained from the air, but can also be operated in reverse function as an electrolyzer, wherein the water required for the electrolysis based solely on the humidity becomes. However, it is also possible that the required water from the fuel cell is recycled or taken from a tank.
  • the at least one electrolyzer is preferably operated as an inversely operated low temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM).
  • the preferably used storage tank for the intermediate storage of the high-energy and possibly low-energy form of the hydrocarbon used has the configuration and construction of conventionally used conventional heating oil tanks.
  • the present arrangement enables the implementation of a method for
  • the electric current of the fuel cell may be a direct current. Further, the method may include the step of inverting that produced by the fuel cell
  • the inverter can be a power-driven or grid-controlled inverter or a self-commutated inverter.
  • the inverter may include diodes, thyristors, triacs, transistors or IGBTs.
  • the method may use multiple stacked fuel cells to obtain a higher voltage. Further, the method may include the step of shutting down the device or power storage in the event of power failure.
  • the hydrogen produced in the electrolyzer is used without intermediate storage to at least partially hydrogenate the at least one substrate having an extended ⁇ -conjugated system in the first chemical reactor.
  • the at least partially hydrocarbon to be hydrogenated is preferably present in liquid form in the first chemical reactor. However, it would also be conceivable to use hydrocarbons in a solid state of matter.
  • the heat produced in the at least partial hydrogenation of the at least one substrate with an expanded ⁇ -conjugated system in the first chemical reactor is introduced into a heating system of the stand-alone device or the building.
  • the at least partially hydrogenated substrate with an extended ⁇ -conjugated system is dehydrogenated in the second chemical reactor with heat input.
  • the heat required for the dehydration is preferably from the heating system of the stand-alone building or a heat storage, but may also be supplied, as needed, from another, external source, such as e.g. be supplied direct sunlight.
  • the substrate dehydrated in the second chemical reactor is recycled from the second chemical reactor via the storage tank into the electrolyzer. So there is a complete recycling of the substances used. Since the substrate used is not consumed, very long periods of use or a large number of recycling cycles can be sought.
  • the water formed in the fuel cell during the hydrogen oxidation is transferred into the electrolyzer. It is also conceivable that the water formed in the fuel cell is only partially recycled.
  • the heat released in the fuel cell and in the first chemical reactor functioning as the hydrogenation reactor is preferably introduced into the heating system of the building and the released electrical current into the public electrical network or into the network of the individual building.
  • the oxygen required for hydrogen oxidation in the fuel cell is preferably from the outside, i. outside the building, fed into the fuel cell in the form of air or pure oxygen.
  • the installation of oxygen-generating devices is not necessary. But it is also conceivable that in the electrolyzer during the
  • Hydrogenysis formed oxygen directly into the fuel cell.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the inventive arrangement.
  • FIG. 1 schematically shows a preferred embodiment of the arrangement according to the invention.
  • a photovoltaic system can be preferably used with several arranged on the roof of a building solar cell panels or the public network. These panels should preferably be arranged so be that a maximum yield of solar radiation is guaranteed.
  • the photovoltaic system 1 also enables the generation of direct current, with which risk-free hydrogen can be produced.
  • the produced direct current or rectified electricity is transferred to an electrolyzer 2 e.g. introduced a PEM electrolyzer, which is designed in the form of a backward acting as an electrolytic cell PEM fuel cell.
  • a PEM electrolyzer which is designed in the form of a backward acting as an electrolytic cell PEM fuel cell.
  • This dual function of the fuel cell simplifies and reduces the cost of the system. It is also possible to use a commercially available electrolysis cell and a separate fuel cell instead of a PEM electrolyzer.
  • the electrolysis is exothermic and the heat generated during the electrolysis can be detected in a building immediately, e.g. can be used for hot water supply or heating. In this respect, the efficiency of the electrolysis cells used is not crucial.
  • the hydrogen produced is immediately used without intermediate storage for the hydrogenation of N-ethylcarbazole or its partially hydrogenated high-energy counterparts.
  • a hydrogen storage may be added.
  • the tank contents 4 is pumped through a chemical reactor 3 and partially hydrogenated. Full hydrogenation is possible but not necessary.
  • the (partially) hydrogenated content of the storage tank 4 is passed through an endothermically operating dehydrogenation reactor 5, thereby releasing hydrogen.
  • This is stored in the fuel cell 6 e.g. a PEM fuel cell converted into electricity, water and heat.
  • the water is possibly ready for electrolysis, the heat is used to heat the dehydrogenation reactor and for domestic heat supply or heat supply to the building.
  • a thermal store can be charged (not shown in FIG. 1).
  • Figure 1 also shows an external power connector 9, with which the supply of external power is possible.
  • the external connection 9 also allows the recovery of excess energy in the power network of the house or in the public network.
  • the basis is a 120sqm house built to ENEV 2012 and one
  • a thermal store is used.
  • This example is based on identical conditions, but differs in that the house is not heated but cooled as in summer. Then the heat and part of the electricity is fed to an absorption chiller, which then releases the cold for domestic cooling.
  • This example is based on the same principles as Example 1 and 2, but is electricity.
  • This example is the case when electricity is traded, ie the profit is obtained by introducing electricity at favorable prices into the plant of FIG. 1 via line 9 and delivering it via line 9 at high prices.
  • the heat is not or only partially for home heating (as Example 1) or house cooling (as Example 2) usable, it can be stored or to the
  • Embodiment 4 The basis is a 120sqm house built to ENEV 2012 and one
  • Tank size of an oil heater In addition there is an electrical demand of 4065 kWh, so that the total energy requirement is 9165 kWh / a.
  • the present invention further relates to:
  • a method and a first arrangement for buffering excess electricity in buildings comprising: at least one electrical power connection to an external power grid or at least one power generating system (1), in particular a photovoltaic system, for providing an electrical current; at least one electrolyzer (2) for producing hydrogen from water using the electric power from the external power grid or the power plant (1); at least one first chemical reactor (3) for the at least partial hydrogenation of at least one substrate with an extended ⁇ -conjugated system below
  • At least one storage tank (4) for storing the at least partially hydrogenated substrate in the first chemical reactor (3); at least one second chemical reactor (5) for at least partially dehydrogenating the at least partially hydrogenated substrate produced in the first chemical reactor (3) and stored in the storage tank (4) with the release of hydrogen; and at least one fuel cell (6) for oxidizing the hydrogen released in the second chemical reactor (4) to release energy.
  • a fourth arrangement having the features of one of the preceding arrangements, characterized in that the at least one substrate with an extended ⁇ -conjugated system is selected from a group comprising condensed heteroaromatic
  • a fifth arrangement having the features of the fourth arrangement, characterized in that the fused heteroaromatic hydrocarbons ring systems with C6 to C30, preferably C8 to C20, in particular C12.
  • a sixth arrangement having the features of the fourth or fifth arrangement, characterized in that the heteroatoms are substituted by at least one alkyl group, at least one aryl group, at least one alkenyl group, at least one alkynyl group, at least one cycloalkyl group and / or at least one cycloalkylene group.
  • a seventh arrangement having the features of one to sixth arrangement, characterized in that the heteroatoms with Ci-C 30 alkyl, preferably Ci-Ci 0 alkyl, substituted fourth particular C 2 -C 5 alkyl.
  • An eighth arrangement having the features of one of the preceding arrangements, characterized in that N-ethylcarbazole, N-n-propylcarbazole, N-isopropylcarbazole are used as substrates with an extended ⁇ -conjugated system.
  • a ninth arrangement having the features of one of the preceding arrangements, characterized in that the substrate with an expanded ⁇ -conjugated system in the first chemical reactor (3) at a temperature between 50 and 180 ° C and a pressure between 2 and 200 bar in The presence of a suitable catalyst is at least partially hydrogenated.
  • a tenth arrangement having the features of one of the preceding arrangements, characterized in that the at least one fuel cell (6) has a
  • Low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell is and that of at least one electrolyzer (2) is a reverse-flow, low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM).
  • An eleventh arrangement having the features of one of the preceding arrangements, characterized in that in the at least one electrolyzer (2) at least one
  • Memory is stored.
  • the aforementioned arrangements comprising the steps of: providing an electrical current, preferably a direct current, from an external electrical network (9) or at least one renewable energy source (1), in particular a photovoltaic system;
  • Storage tank (4) and optionally storing the at least partially hydrogenated substrate in the storage tank (4); Transferring the at least partially hydrogenated substrate from the
  • a second method having the features of the first method characterized in that the hydrogen produced in the electrolyzer is used without intermediate storage for the at least partial hydrogenation of the at least one substrate with an extended TT-conjugated system in the first chemical reactor (3).
  • a third method having the features of the first or second method characterized in that in the at least partial hydrogenation of the at least one substrate with an expanded ⁇ -conjugated system in the first chemical reactor (3) resulting heat in a heating system or in the cooling system of the building
  • a fourth method having the features of one of the first to third methods, characterized in that the at least partially hydrogenated substrate is dehydrated with an expanded ⁇ -conjugated system in the second chemical reactor (5) under heat supply.
  • a fifth method with the features of the fourth method characterized in that the heat necessary for the dehydration from the heating system of the building or from a thermal storage is used.
  • a sixth method having the features of one of the first to fifth methods, characterized in that the substrate dehydrogenated in the second chemical reactor (5) from the second chemical reactor (5) via the storage tank (4) in the first chemical reactor (3) recycled becomes.
  • a seventh method having the features of one of the first to sixth methods, characterized in that the water formed in the fuel cell (6) during the hydrogen oxidation is transferred to the electrolyzer (2).
  • An eighth method having the features of one of the first to seventh methods, characterized in that in the absence of heating or cooling demand of the building a
  • thermal storage is installed for the accumulating heat.
  • a ninth method having the features of one of the first to eighth methods, characterized in that the heat released in the fuel cell (6) is introduced into the heating system and the released electrical current in the electrical network of the building or in an external power grid (9) ,
  • a tenth method having the features of one of the first to ninth methods characterized in that the oxygen required for hydrogen oxidation in the fuel cell (6) is externally supplied to the fuel cell (6) in the form of air.
  • An eleventh method having the features of the first to tenth methods characterized in that, if necessary, additional electric power from the fuel cell (6) is fed back into the external electrical network (9) and the financial gain not from the house heating or cooling but from fluctuating electricity prices.
  • a twelfth method having the features of one of the first to eleventh methods, characterized in that, if necessary, additional electric power from another
  • Power source (9) is fed into the electrical network (8) of the building.
  • the building may be a single building.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Anordnung zur Energieversorgung von Gebäuden umfassend mindestens einen externen Anschluss zur Bereitstellung eines elektrischen Stroms, mindestens einen Elektrolyseur (2) zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung des elektrischen Stroms aus dem Anschluss (9), mindestens einen ersten chemischen Reaktor (3) zur mindestens teilweisen Hydrierung von mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System unter Verwendung des in dem Elektrolyseur (2) gebildeten Wasserstoffs, mindestens einen Speichertank (4) zur Speicherung des im ersten chemischen Reaktor (3) zumindest teilweise hydrierten Substrates, mindestens einen zweiten chemischen Reaktor (5) zur mindestens teilweisen Dehydrierung des in dem ersten chemischen Reaktor (3) hergestellten und im Speichertank (4) gespeicherten zumindest teilweise hydrierten Substrates unter Freisetzung von Wasserstoff, und mindestens eine Brennstoffzelle (6) zur Oxidation des in dem zweiten chemischen Reaktor (4) freigesetzten Wasserstoffs unter Freisetzung von Energie.Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Energieversorgung unter Verwendung dieser Anordnung, wobei die Energie zur Heizung oder Kühlung des Gebäudes benutzt wird. Im Falle, dass das Gebäude weder einen Wärme- noch einen Kältebedarf hat, kann ein thermischer Speicher hinzugenommen werden. Der finanzielle Gewinn wird aus dem thermischen Speicher und der Speicherung von elektrischem Strom erzielt.

Description

ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR ENERGIESPEICHERUNG IN GEBÄUDEN UND
ENERGIEVERSORGUNG VON GEBÄUDEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieversorgung von oder
Energiespeicherung in Gebäuden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Energieversorgung nach Anspruch 13.
Die Verwendung von Brennstoffzellen zur Gewinnung von elektrischem Strom durch
Oxidation von Sauerstoff ist weitgehend bekannt und findet in den verschiedensten
Bereichen Anwendung. Ein wesentlicher und kritischer Aspekt bei der Verwendung von Brennstoffzellen ist die Lagerung bzw. Speicherung von Wasserstoff, der bekanntlich in Gegenwart von Sauerstoff extrem explosiv ist.
Bisher sind eine Reihe von Wasserstoffspeicherverfahren untersucht worden: adsorptiv, absorptiv, als Flüssigkeit, als hochverdichtetes Gas. Der Nachteil aller Verfahren ist deren niedrige Energiedichte pro Volumen und die zum Teil hohen Kosten des Trägers.
Die bisher gängigen Verfahren der Lagerung von Wasserstoff als Flüssigkeit und unter Druck repräsentieren technische Lösungen, die so bisher- insbesondere aufgrund des hohen technischen Aufwandes und den damit verbundenen relativ hohen Kosten- nicht im öffentlich zugänglichen Bereich und schon gar nicht in einzelstehenden Gebäuden wie z.B.
Privathäusern, Mietwohnungskomplexen, Ferienhäusern, gewerblich genutzten Immobilien oder Produktionsgebäuden existieren.
So sind Behälter mit komprimierten Wasserstoff schwer zu dichten und Wasserstoff explodiert oder detoniert mit Druckwellen >1000 m/s in fast jeder Mischung von 4-75% mit Luft. Zudem ist die Mindestzündenergie niedriger als bei anderen gasförmigen Stoffen.
Wasserstoff ist als hochentzündlich (F+) eingestuft und kann sich bei hohen
Austrittsgeschwindigkeiten, wie auch im Fall von anderen Gasen, selbst entzünden. Der Formelumsatz bei der Explosion mit Luft ist mit 286 kJ/mol sehr hoch.
Es ist daher wünschenswert, eine Technologie für die Energieversorgung unter Verwendung von Brennstoffzellen bereitzustellen, die die Risiken des reinen Wasserstoffs vermeidet.
Alternative Speicherungsformen für Wasserstoff sind bekannt. So werden in der EP 1475349 A1 verschiedene aromatische Verbindungen, insbesondere kondensierte polycyclische Kohlenwasserstoffe beschrieben, die zur Verwendung als Wasserstoffspeicher einsetzbar sind. Die beschriebenen Substanzen werden hier insbesondere in mobilen Systemen eingesetzt. Ein Verfahren und eine Anordnung zur energetischen Versorgung
einzelstehenden Gebäuden ist in der Anmeldung DE 10 201 1 1 1 1 565.3 beschrieben.
Grundlage der Wirkungsweise von kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffen, die über ein ausgedehntes ττ-konjugiertes Elektronensystem verfügen, ist deren Eigenschaft bei moderaten Temperaturen in Gegenwart eines geeigneten Katalysators einer
Hydrierungsreaktion zu untergehen. Dabei wird Wasserstoff unter Sättigung der
ungesättigten Doppelbindungen in die Substanz eingebaut (hydriert).
Der mittels Hydrierung eingebaute Wasserstoff kann im Folgenden in der Rückreaktion lediglich durch Temperaturerhöhung und/oder Reduzierung des Wasserstoffdruckes wieder aus dem hydrierten Produkt unter Regenerierung der aromatischen Substanz gewonnen werden.
Beispielhaft sei hier auf die Hydrierung / Dehydrierung von N-Ethylcarbazol (NEC) hingewiesen. Dabei wird N-Ethylcarbazol (NEC) als Edukt zur Perhydro-Form (H12-NEC) gemäß dem folgenden Reaktionsschema umgesetzt.
Die Speicherdichte für Wasserstoff ist dieser Reaktion volumenmäßig etwa doppelt so hoch wie in einem mit Wasserstoff gefüllten 700 bar Tank.
Das Verfahren und die Anordnung zielen auf die Energieversorgung von Gebäuden und zugleich die Pufferung von elektrischen Netzen, in die Elektrizität aus unsteten erneuerbaren Energien eingespeist wird. Diese haben Volllaststunden von etwa 1000 h (Photovoltaik) bis 3500 h (Windenergie), verglichen mit 8600 h/a ist das wenig. Um die gleiche
Elektrizitätsmenge wie eine immer verfügbare Energiequelle zu produzieren, müssen die unsteten erneuerbaren Energien 8600/1000 bzw. 8600/3500 mal die Leistung einspeisen, wenn sie arbeiten. Diese Überschussenergie muss zwischengespeichert werden für den Zeitraum, an dem die unsteten erneuerbaren Energien nicht arbeiten. Die Energieversorgung durch Solarzellen ist zurzeit die attraktivste Möglichkeit für die regenerative Energieversorgung für einzelstehende Gebäude wie Privathäusern,
Ferienhäuser, gewerblich genutzte Immobilien oder Produktionsgebäude. Keine andere Technologie erlaubt die erneuerbare Stromerzeugung mit einem variablen Leistungsbereich von wenigen Watt bis hin zu mehreren MW. Die Integration von Solarzellen in den
Hausbereich ist eine gängige Technologie, und je nach Lage, Dachfläche und Ausrichtung sind Anlagen bis zu 30 kW Peak Leistung gängige Praxis.
Obwohl Solarzellen die attraktivste Form der erneuerbaren Stromerzeugung sind, hat diese Technologie den Nachteil, dass der produzierte Strom nicht über einen längeren Zeitraum zwischengespeichert werden kann - auch nicht in Batterien aufgrund der Speicherkosten und der geringen Kapazität - , sondern direkt verbraucht oder in das Netz eingespeist werden muss. Dies ist bedingt durch das Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) für die Betreiber interessant, führt aber zu zusätzlichen Belastungen des ohnehin stark beanspruchten Stromnetzes.
Eine kostengünstige Möglichkeit photovoltaischen Strom oder andere Elektrizität mittelfristig, d.h. für einige Tage bis hin zu wenigen Wochen oder zu speichern ist daher ein essentieller Schritt, um ein weiteres Wachstum der photovoltaischen und regenerativen Stromerzeugung zu ermöglichen.
Die Erzeugung von Wasserstoff durch photovoltaischen oder elektrischen Strom ist eine zurzeit häufig diskutierte Option.
Um einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erreichen, ist eine effiziente
Kopplung der Solarzellen oder des externen Stromnetzes mit dem Elektrolyseur, in welchem Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, entscheidend. Hierbei ist abzuwägen, ob Spitzenströme vorteilhafter sind oder eher eine konstante Bestromung über längerem Zeitraum, dafür aber auf niedrigerem Niveau. Die Option eines schnellen
Stromspeichers zum Ausgleich von Spitzen bzw. schnellen Abfällen z.B. bei Bewölkung mag ebenso entscheidend beitragen, wie die Auswahl der geeigneten Zelltechnologie, die zum Beispiel bei Teilbeschattungen nicht zu einer kompletten Abschaltung des Moduls führt.
Einige Vorschläge bzw. Modelle für die Kopplung der Photovoltaik oder Elektrizität mit der Erzeugung von Wasserstoff sind bekannt. So wird in der EP 718 904 A1 ein
Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem es sich um ein komplettes, geschlossenes Ensemble handelt, und eine PEM-Brennstoffzelle und einen PEM-Elektrolyseur miteinander vereint. Damit wird die Forderung nach einem einfachen und kostengünstigen System erfüllt. Die Stromversorgung dieses Systems erfolgt mit Hilfe der zur Verfügung stehenden regenerativen Energiequellen, wie zum Beispiel Solar- und / oder Windenergie oder einer elektrischen Überschussenergie.
Der Aufbau des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems ermöglicht eine lange
Lebensdauer und ist für einen kontinuierlichen 24-Stunden-Betrieb ausgelegt. Ziel ist eine möglichst einfache Bedienung und Wartungsfreiheit. Eine intelligente Steuerung regelt vollautomatisch den sofortigen Betriebsmoduswechsel von Wasserstoff-Produktion auf Stromproduktion. Dabei wird immer die Kennlinie der externen Energiequelle und der PEM- B renn stoffzelle / des PEM-Elektrolyseurs berücksichtigt oder der optimale Arbeitspunkt der regenerativen Energiequelle.
Der PEM-Elektrolyseur benötigt zum Betrieb destilliertes Wasser. Das System reguliert automatisch den von dem PEM-Elektrolyseur benötigten Wasserhaushalt aus einem dafür vorgesehenen Vorratsbehälter.
Das beschriebene Brennstoffze II System umfasst ebenfalls einen Wasserstoffspeicher, der in Form eines Metallhydridspeichers ausgebildet ist. Dieser Speicher ist aus spezifischen Metalllegierungen hergestellt und ermöglicht die Zwischenspeicherung von gasförmigem Wasserstoff. Der Metallhydridspeicher kann mit Wasserstoff in der Nähe des
Umgebungsdruckes befüllt werden.
Die Verwendung von Metallhydridspeichern als Wasserstoffspeicher ist jedoch für die Anwendung in Privathaushalten wenig geeignet. Sie sind teuer, oft ineffizient und besitzen eine Reihe intrinsischer Sicherheitsprobleme.
Es besteht somit der Bedarf, in Gebäuden, die z.B. bisher mit Öl beheizt wurden, die
Überschussmengen an Elektrizität unter im Haus durchführbaren Bedingungen zu speichern oder nach einer Energieversorgung für einzelstehende Gebäude wie z.B. private Häuser, die sich in lediglich lose bebauten Gegenden befinden, die autark und unabhängig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Demnach umfasst die Anordnung zur Energieversorgung von Gebäuden, insbesondere von einzelnstehenden, isolierten Gebäuden wie Privathäuser, Ferienhäuser, gewerblich genutzten Immobilien oder Produktionsgebäuden,
- mindestens eine energieerzeugende Anlage, insbesondere eine photovoltaische Anlage, zur Bereitstellung eines elektrischen Stroms, und/oder mindestens einen Anschluss ans öffentliche Netz,
- mindestens einen Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung des elektrischen Stroms aus der energieerzeugenden Anlage,
- mindestens einen ersten chemischen Reaktor zur mindestens teilweisen Hydrierung von mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System unter
Verwendung des in dem Elektrolyseur gebildeten Wasserstoffs,
- mindestens einen Speichertank zur Speicherung des im ersten chemischen Reaktor zumindest teilweise hydrierten Substrates,
- mindestens einen zweiten chemischen Reaktor zur mindestens teilweisen Dehydrierung des in dem ersten chemischen Reaktor hergestellten und im Speichertank gespeicherten zumindest teilweise hydrierten Substrates unter Freisetzung von Wasserstoff, und
- mindestens eine Brennstoffzelle zur Oxidation des in dem zweiten chemischen Reaktor freigesetzten Wasserstoffs unter Freisetzung von Energie.
Insbesondere kann die Anordnung einen elektrischen Stromanschluss an ein externes Stromnetz zum Bereitstellen eines Wechselstroms umfassen. Weiter kann die Anordnung einen Gleichrichter zum Gleichrichten des bereitgestellten Wechselstroms umfassen.
Die von der Brennstoffzelle freigesetzte Energie kann in Form von elektrischem Strom, beispielsweise Gleichstrom und Wärme vorliegen. Weiter kann die Anordnung einen Wechselrichter zum Erzeugen eines Wechselstromes aus einem von der Brennstoffzelle erzeugten Gleichstrom umfassen. Der Wechselrichter kann ein fremdgeführter oder netzgeführter Wechselrichter sein oder ein selbstgeführter Wechselrichter sein und/oder eine Abschaltung der Anordnung bei Netzstörungen umfassen. Der Wechselrichter kann Dioden, Thyristoren, Triacs, Transistoren oder IGBTs umfassen. Die Anordnung kann mehrere zu einem Stack in Reihe geschaltete Brennstoffzellen umfassen, um eine höhere Spannung zu erhalten.
Es werden somit folgende Funktionselemente für die Energieversorgung von
einzelstehenden Gebäuden miteinander gekoppelt bzw. kombiniert:
- solare Energieerzeugung oder Pufferung regenerativ erzeugter Energie;
- Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse,
- effizienter, sicherer und kostengünstiger Wasserstoffspeicher für die verlustfreie
mittelfristige Speicherung;
- Brennstoffzelle zur Rückverstromung des Wasserstoffes, und
- Nutzung der exothermen Hydrierung und der Exothermie der Brennstoffzelle zur
Bereitstellung von Wärme und elektrischen Strom im Haus zur Wirkungsgraderhöhung, wie beispielsweise Nutzung der Abwärme oben beschriebener Wandlungen zur
Gebäudeheizung.
Eine Erzeugung von Niederdruck-Wasserstoff in konventionellen Elektrolyseuren und sofortige Umwandlung des Wasserstoffs via Hydrierung von geeigneten Verbindungen ist eine hoch interessante und relevante Alternative, die die Schwierigkeiten der
Wasserstoffspeicherung umgehen, aber nach wie vor die Kopplung mit der Photovoltaik oder an andere regenerative Energiequellen erlauben. Durch die Rückwandlung des Wasserstoffs und Umwandlung mittels einer Brennstoffzelle lässt sich so ein geschlossener Stromkreislauf darstellen.
Die vorliegende Anordnung ermöglicht somit die Sicherstellung des autonomen
Ganzjahresbetriebes eines Hauses und/oder seine Zwischenspeicherkapazität oder eine Pufferung der Überschuss-Elektrizität auf Basis der derzeitig üblichen Infrastruktur z.B. unter Verwendung eines Öltanks oder Heizöltanks.
Mittels der vorliegenden Anordnung wird ein energiearmes Substrat in seine energiereiche Form überführt, in dem z.B. aus Sonnenlicht mittels Photovoltaik, aber auch aus anderen geeigneten erneuerbaren Energiequellen, elektrische Energie erzeugt wird, die wiederum zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff unter Aufspaltung von Wasser verwendet wird. Der gebildete Wasserstoff wird dann zur Hydrierung der energiearmen Form des
verwendeten Kohlenwasserstoffs zur energiereichen Form eingesetzt. Besonders geeignete energiearme Substrate sind polyzyklische, aromatische Verbindungen mit einem
ausgedehnten ττ-Elektronensystem, die bei Hydrierung die jeweiligen gesättigten, polyzyklischen Verbindungen bilden. Die Hydrierung ist exotherm und die während der Hydrierung entstandene Wärme kann in einem Heizsystem z.B. im Haus genutzt werden. In Zeiten fehlender Sonneneinstrahlung wird die energiereiche Form des Kohlenwasserstoffs in die energiearme Form unter Wasserstoffproduktion zurückverwandelt, der in einer
Brennstoffzelle elektrische Energie und Wärme erzeugt.
Der Vorteil der vorliegenden Anordnung und eines im Weiteren beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass ein Gebäude wie z.B. ein privates Haus erneuerbare Energie wie z.B. Photovoltaik aber auch Windenergie dezentral speichert und selbst durch die
Umwandlungswärmen beheizt wird. Mit anderen Worten, der Wärmebedarf des Gebäudes ist unabhängig von weiteren Energiequellen.
Ein weiterer Vorteil einer im Weiteren beschriebenen Anordnung und eines Verfahrens besteht darin, dass ein einzelstehendes Gebäude wie z.B. ein privates Haus unter
Verwendung von erneuerbarer Energie wie z.B. Photovoltaik aber auch Windenergie autark betrieben werden kann. Mit anderen Worten, der Energiebedarf und die Energieversorgung können autark und unabhängig von weiteren Energiequellen und damit einem Stromnetz gedeckt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der für die Energieerzeugung wesentliche Faktor Wasserstoff im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren und Modellen nicht in großen Mengen vorhanden sein muss, sondern in einer chemischen Substanz sicher und drucklos in einer vorhandenen Infrastruktur wie z.B. in den Tanks einer Ölheizung zeitlich unlimitiert gespeichert werden kann. Die Nutzung vorhandener Infrastruktur reduziert die Kosten des Systems.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Elektrolyseur mit der mindestens einen Brennstoffzelle über den ersten chemischen Reaktor, den Speichertank und den zweiten chemischen Reaktor verbunden. Somit bilden die einzelnen Komponenten bzw. Bestandteile der vorliegenden Anordnung ein in sich verbundenes System zur
Energieerzeugung und -speicherung. Die einzelnen Zellen und Reaktoren der vorliegenden Anordnung sind mit geeigneten Verbindungsleitungen zur Überführung von Wasserstoff sowie der energiearmen bzw. energiereichen Form des aromatischen Kohlenwasserstoffes verbunden. Die Leitungen für den Wasserstofftransport sind bevorzugt aus gasdichten und druckfesten Materialien hergestellt. Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine energiearme Substrat mit einem ausgedehnten TT-konjugierten System ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, polycyclische heteroaromatische Kohlenwasserstoffe, ττ- konjugierte organische Polymere oder eine Kombination davon.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine energiearme Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System ausgewählt aus einer Gruppe enthaltend kondensierte heteroaromatische Kohlenwasserstoffe mit N, S oder als O Heteroatom, wobei die
Heteroatome substituiert oder unsubstituiert vorliegen. Dabei sind die kondensierten heteroaromatischen Kohlenwasserstoffe bevorzugterweise Ringsysteme mit C6 bis C30, bevorzugt C8 bis C20, insbesondere C12.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Heteroatome der kondensierten Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Alkylgruppe, mindestens einer Arylgruppe, mindestens einer Alkenylgruppe, mindestens einer Alkinylgruppe, mindestens einer Cycloalkylgruppe und/oder mindestens einer Cycloalkenylgruppe substituiert, wobei Substitutionen der Heteroatome mit Ci-C30-Alkyl, bevorzugt C1-C10 Alkyl, insbesondere mit C2-C5-Alkyl vorteilhaft sind und weitere Heteroatome enthalten sein können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als energiearmes Substrat geeignet zur Speicherung von Wasserstoff N-Ethylcarbazol, N-n-Propylcarbazol oder N-iso- Propylcarbazol verwendet.
Der Begriff "substituiert", in Verwendung mit "Alkyl", "Alkenyl", "Aryl", etc., bezeichnet die Substitution eines oder mehrerer Atome, in der Regel H-Atome, durch einen oder mehrere der folgenden Substituenten, bevorzugt durch einen oder zwei der folgenden Substituenten: Halogen, Hydroxy, geschütztes Hydroxy, Oxo, geschütztes Oxo, C3-C7 Cycloalkyl, bicyclisches Alkyl, Phenyl, Naphtyl, Amino, geschütztes Amino, monosubstituiertes Amino, geschütztes monosubstituiertes Amino, disubstituiertes Amino, Guanidino, geschütztes Guanidino, ein heterozyklischer Ring, ein substituierter heterozyklischer Ring, Imidazolyl, Indolyl, Pyrrolidinyl, CrCi2-Alkoxy, C1-C12 Acyl, Ci-Ci2-Acyloxy, Acryloyloxy, Nitro, Carboxy, geschütztes Carboxy, Carbamoyl, Cyano, Methylsulfonylamino, Thiol, Ci-Ci0-Alkylthio und CrCio-Alkylsulfonyl. Die substituierten Alkygruppen, Arylgruppen, Alkenylgruppen, können einmal oder mehrfach substituiert sein und bevorzugt 1 - oder 2-mal, mit denselben oder unterschiedlichen Substituenten. Der Begriff "Alkinyl", wie hier verwendet, bezeichnet einen Rest der Formel R-C= C-, insbesondere ein "C2-C6-Alkinyl". Beispiele für C2-C6 -Alkinyle schließen ein: Ethinyl, Propinyl, 2-Butinyl, 2-Pentinyl, 3-Pentinyl, 2-Hexinyl, 3-Hexinyl, 4-Hexinyl, Vinyl sowie Di- und Tri-ine von geraden und verzweigten Alkylketten.
Der Begriff„Aryl", wie hierin verwendet, bezeichnet aromatische Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Phenyl, Benzyl, Naphthyl, oder Anthryl. Substituierte Arylgruppen sind Arylgruppen, die, wie oben definiert, mit einem oder mehreren Substituenten, wie oben definiert, substituiert sind.
Der Begriff„Cycloalkyl" umfasst die Gruppen Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl,
Cyclohexyl und Cycloheptyl.
Der Begriff "Cycloalkenyl" umfasst die Gruppen Cyclopentenyl, Cyclohexenyl, Cycloheptenyl und Cyclooctenyl.
Es ist von Vorteil, wenn das energiearme Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System in dem ersten chemischen Reaktor bei einer Temperatur zwischen 50 und 180°C, bevorzugt 80 und 150°C und einem Druck zwischen 2 und 200 bar, bevorzugt 10 bis 100 bar in Gegenwart eines geeigneten Edelmetallkatalysators zumindest teilweise hydriert wird. Besonders geeignete Katalysatoren für die Hydrierung des energiearmen Substrats enthalten das Element Ruthenium.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Brennstoffzelle eine Niedertemperatur-Polymer- Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen können nicht nur in ihrer eigentlichen Funktion zur Wasserstoffoxidation verwendet werden, wobei der für die Wasserstoffoxidation benötigte Sauerstoff aus der Luft bezogen wird, sondern können in umgekehrter Funktion ebenfalls als Elektrolyseur betrieben werden, wobei das für die Elektrolyse benötigte Wasser allein aus der Luftfeuchte bezogen wird. Hierbei ist es aber auch möglich, dass das benötigte Wasser aus der Brennstoffzelle recycelt wird oder einem Tank entnommen wird. Somit wird der mindestens eine Elektrolyseur bevorzugt als eine umgekehrt betriebene Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) betrieben.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn in dem mindestens einen Elektrolyseur mindestens ein wasserspeicherndes Medium angeordnet ist. Der bevorzugt zum Einsatz kommende Speichertank für die Zwischenspeicherung der energiereichen und ggf. energiearmen Form des verwendeten Kohlenwasserstoffs weist die Konfiguration und Aufbau von üblicherweise zum Einsatz kommenden konventionellen Heizöltanks auf.
Die vorliegende Anordnung ermöglicht die Durchführung eines Verfahrens zur
Energieversorgung von Gebäuden, beispielsweise einzelstehenden Gebäuden, unter Verwendung der obigen Anordnung mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines elektrischen Stroms aus dem Netz oder Bereitstellen eines elektrischen Stroms, bevorzugt eines Gleichstroms, aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle, insbesondere einer photovoltaischen Anlage oder Windradanlage oder aus dem Netz
- Herstellen von Wasserstoff aus Wasser in mindestens einem Elektrolyseur unter
Verwendung des elektrischen Stroms aus der mindestens einen erneuerbaren Energiequelle und ggf. Nutzung der dabei entstehenden Wärme z.B. zur Bereitung von Warmwasser,
- Überführen des gebildeten Wasserstoffes aus dem mindestens einen Elektrolyseur in einen ersten chemischen Reaktor enthaltend mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten TT-konjugierten System und mindestens teilweise Hydrierung des Substrates,
- Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem ersten chemischen Reaktor in mindestens einen Speichertank und ggf. Speicherung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem Speichertank,
- Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem Speichertank in mindestens einen zweiten chemischen Reaktor und Dehydrierung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem zweiten chemischen Reaktor unter Freisetzung von
Wasserstoff, und
- Überführen des Wasserstoffs aus dem zweiten chemischen Reaktor in mindestens eine Brennstoffzelle und Oxidation des Wasserstoffs und in der Brennstoffzelle vorhandenen Sauerstoffs zu Wasser bei gleichzeitiger Freisetzung von Energie in Form von elektrischen Strom und Wärme.
- Gegebenenfalls Abgabe des elektrischen Stroms an das öffentliche Netz Der elektrische Strom der Brennstoffzelle kann ein Gleichstrom sein. Weiter kann das Verfahren den Schritt eines Wechselrichtens des von der Brennstoffzelle erzeugten
Gleichstromes in Wechselstrom mittels eines Wechselrichters umfassen. Der Wechselrichter kann ein fremdgeführter oder netzgeführter Wechselrichter sein oder ein selbstgeführter Wechselrichter sein. Der Wechselrichter kann Dioden, Thyristoren, Triacs, Transistoren oder IGBTs umfassen.
Das Verfahren kann mehrere zu einem Stack in Reihe geschaltete Brennstoffzellen verwenden, um eine höhere Spannung zu erhalten. Weiter kann das Verfahren den Schritt eines Abschaltens der Anordnung oder der Energiespeicherung bei Netzstörungen umfassen.
In einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird der in dem Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff ohne Zwischenspeicherung zur zumindest teilweisen Hydrierung des mindestens einen Substrates mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System im ersten chemischen Reaktor verwendet. Der zumindest teilweise zu hydrierende Kohlenwasserstoff liegt im ersten chemischen Reaktor bevorzugt in flüssiger Form vor. Es wäre jedoch auch denkbar, Kohlenwasserstoffe in festem Aggregatzustand zu verwenden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die bei der zumindest teilweisen Hydrierung des mindestens einen Substrates mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System im ersten chemischen Reaktor entstehende Wärme in ein Heizsystem der einzelstehenden Einrichtung bzw. des Gebäudes eingeschleust wird. Das zumindest teilweise hydrierte Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System wird im zweiten chemischen Reaktor unter Wärmezufuhr dehydriert. Die für die Dehydrierung notwendige Wärme stammt bevorzugt aus dem Heizsystem des einzelstehenden Gebäudes oder einem Wärmespeicher, kann jedoch auch bei Bedarf aus einer weiteren, externen Quelle wie z.B. direkte Sonneneinstrahlung zugeführt werden. Anschließend wird das im zweiten chemischen Reaktor dehydrierte Substrat aus dem zweiten chemischen Reaktor über den Speichertank in den Elektrolyseur rückgeführt. Es erfolgt also ein vollständiges Recycling der verwendeten Substanzen. Da das verwendete Substrat nicht verbraucht wird, können sehr lange Gebrauchszeiten bzw. eine große Anzahl von Recyclingzyklen angestrebt werden.
Auch ist es von Vorteil, wenn das in der Brennstoffzelle während der Wasserstoffoxidation gebildete Wasser in den Elektrolyseur überführt wird. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass das in der Brennstoffzelle gebildete Wasser lediglich teilweise recycelt wird. Die in der Brennstoffzelle und in dem als Hydrierreaktor fungierenden ersten chemischen Reaktor freigesetzte Wärme wird bevorzugt in das Heizsystem des Gebäudes und der freigesetzte elektrische Strom in das öffentliche elektrische Netz oder in das Netz des einzelstehenden Gebäudes eingeleitet.
Es ist das Ziel des Verfahrens, zu Zeiten, wo Elektrizität billig oder gar mit negativen Preisen belastet ist, diese in das System aufzunehmen, und zu Zeiten, wo Elektrizität sehr teuer ist, diese nach extern abzugeben. Die notwendigerweise anfallenden Umwandlungsenergien werden vorteilhaft zur Hausbeheizung genutzt, die "Abwärme" wird sinnvoll genutzt.
Es wird also eine gleichmäßige und konstante Wärme- und Stromversorgung auch bei schwankenden äußeren Bedingungen wie unterschiedliche Sonneneinstrahlung mit dem vorliegenden Verfahren gewährleistet. Es ist ebenfalls denkbar, die erzeugte Energie z.B. den elektrischen Strom aus mindestens einer erneuerbaren Energiequelle nach außen an externe Stromnetze zur Stabilisierung der Stromnetze abzugeben. Es kann zudem lukrativ sein, zu Zeiten, wo Elektrizität billig oder gar mit negativen Preisen belastet ist, diese zusätzlich zu der mindestens einen erneuerbaren Energiequelle oder allein in das System aufzunehmen, und zu Zeiten, wo Elektrizität sehr teuer ist, diese nach extern abzugeben.
Der für die Wasserstoffoxidation in der Brennstoffzelle benötigte Sauerstoff wird bevorzugt von außen, d.h. außerhalb des Gebäudes, in die Brennstoffzelle in Form von Luft oder reinem Sauerstoff zugeführt. Somit ist die Installation von sauerstofferzeugenden Geräten nicht notwendig. Es ist aber auch denkbar, den im Elektrolyseur während der
Wasserhydrolyse gebildeten Sauerstoff unmittelbar in die Brennstoffzelle einzuleiten.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt.
Als Energiequelle bzw. energieerzeugende Anlage 1 kann eine photovoltaische Anlage bevorzugt mit mehreren auf dem Dach eines Gebäudes angeordneten Solarzellenpaneelen oder das öffentliche Netz verwendet werden. Diese Paneele sollten bevorzugt so angeordnet sein, dass eine größtmögliche Ausbeute der Sonneneinstrahlung gewährleistet ist. Die photovoltaische Anlage 1 ermöglicht ebenfalls die Erzeugung von Gleichstrom, mit welchem risikolos Wasserstoff produziert werden kann.
Der produzierte Gleichstrom oder gleichgerichtete Elektrizität wird in einen Elektrolyseur 2 z.B. einen PEM-Elektrolyseur eingeführt, der in Form einer rückwärts als Elektrolysezelle arbeitenden PEM-Brennstoffzelle ausgeführt ist. Diese Doppelfunktion der Brennstoffzelle vereinfacht und verbilligt die Anlage. Ebenfalls ist es möglich anstatt eines PEM- Elektrolyseurs eine käufliche Elektrolysezelle und eine separate Brennstoffzelle einzusetzen.
Die Elektrolyse verläuft exotherm und die während der Elektrolyse entstandene Wärme kann in einem Gebäude sofort z.B. für die Warmwasserversorgung oder Heizung verwendet werden kann. Insofern ist der Wirkungsgrad der verwendeten Elektrolysezellen nicht entscheidend.
Der erzeugte Wasserstoff wird sofort ohne Zwischenspeicherung zur Hydrierung von N- Ethylcarbazol bzw. seinem teilhydrierten energiereichen Pendants benutzt. In einer besonderen Ausführungsform kann ein Wasserstoffspeicher hinzugenommen werden. Dazu wird der Tankinhalt 4 durch einen chemischen Reaktor 3 gepumpt und teilhydriert. Eine Vollhydrierung ist möglich aber nicht notwendig.
Bei der Energieentnahme wird der (teil)-hydrierte Inhalt des Speichertanks 4 durch einen endotherm arbeitenden Dehydrierreaktor 5 geführt und dabei Wasserstoff freigesetzt. Dieser wird in der Brennstoffzelle 6 z.B. einer PEM-Brennstoffzelle in Elektrizität, Wasser und Wärme gewandelt. Das Wasser steht ggf. zur Elektrolyse bereit, die Wärme dient zur Heizung des Dehydrierreaktors und zur Hauswärmeversorgung oder Wärmeversorgung des Gebäudes.
Ist kein Wärmebedarf vorhanden, kann in einer Variante des Verfahrens ein thermischer Speicher aufgeladen werden (nicht in Figur 1 gezeigt).
Figur 1 zeigt zudem einen externen Stromanschluss 9, mit dem die Einspeisung von externem Strom möglich ist.
Der externe Anschluss 9 ermöglicht zudem die Rückspeisung von überschüssiger Energie in das Stromnetz des Hauses oder in das öffentliche Netz 9. Ausführungsbeispiel 1
Die Grundlage bildet ein 120qm Haus, das nach ENEV 2012 gebaut ist und einen
Jahresheizbedarf von 30 kWh/qm und Warmwasserbedarf von 12,5, in Summe 42,5 kWh/qm oder 42,5 * 120 qm = 5100 kWh, aufweist. Die Anlage in diesem Beispiel ist wärmegeführt, das heißt, der Wärmebedarf des Hauses bestimmt die aufgenommene Elektrizität. Zur Vereinfachung der Rechnung soll der Bedarf von 5100 kWh gleichmäßig über 180 Tage im Jahr anfallen, pro Tag folglich 28,3 kWh. Die Effizienz der Wandlung von Elektrizität in Elektrizität ist nach der Lehre dieser Patentschrift etwa 30%, folglich sind 70% Wärme auf hohem Temperaturniveau. Nimmt eine Anlage pro Tag 40,5 kWh Überschuss-Elektrizität auf, verbleiben 28,3 kWh als Wärme im Gebäude, wahrend 40,5-28,3 = 12,2 kWh elektrisch gepuffert werden. Der Energieinhalt pro Liter Perhydro-N-Ethylcarbazol von 2kWh ergibt einen Pufferbedarf von nur 40,5/2 = ca. 20 Litern, der allerdings nicht die Situation beinhaltet, dass das Gebäude tagelang nicht mit Strom versorgt wird. Aus Gründen der
Versorgungssicherheit wird daher der Vorrat deutlich größer sein.
In einer besonderen Ausführungsform wird ein thermischer Speicher benutzt.
Ausführungsbeispiel 2
Dieses Beispiel geht von identischen Voraussetzungen aus, unterscheidet sich aber dadurch, dass das Haus nicht erwärmt sondern wie im Sommer gekühlt werden soll. Dann wird die Wärme und ein Teil der Elektrizität zu einer Absorptionskältemaschine geführt, die dann die Kälte zur Hauskühlung abgibt.
Ausführungsbeispiel 3
Auch dieses Beispiel geht von den gleichen Grundlagen wie das Beispiel 1 und 2 aus, ist jedoch elektrizitätsgeführt. Dieses Beispiel trifft zu, wenn mit Elektrizität gehandelt wird, der Gewinn also dadurch erzielt wird, dass Elektrizität zu günstigen Preisen in die Anlage der Figur 1 über Leitung 9 eingeleitet und bei hohen Preisen über die Leitung 9 abgegeben wird. In diesem Fall ist die Wärme nicht oder nur teilweise zur Hausheizung (wie Beispiel 1 ) oder Hauskühlung (wie Beispiel 2) verwendbar, sie kann gespeichert werden oder an die
Umgebung abgegeben werden.
Ausführungsbeispiel 4 Die Grundlage bildet ein 120qm Haus, das nach ENEV 2012 gebaut ist und einen
Jahresheizbedarf von 30 kWh/qm und Warmwasserbedarf von 12,5, in Summe 42,5 kWh/qm, aufweist.
Mit einem Heizwert des Wasserstoffs in Perhydro-N-Ethylcarbazol ergibt sich ein
Jahresvolumen von 2400 Litern=5100 kWh/a energiearmen Stoffes, also die heutige
Tankgröße einer Ölheizung. Hinzu kommt ein elektrischer Bedarf von 4065 kWh, so dass der Gesamtenergiebedarf 9165 kWh/a ist. Rechnet man 1 qm Solarpanel mit 100 W und einer Volllastzeit von 1000 h, ergeben sich 100 kWh/qm oder für 9165 kWh 92 qm Solarpanel zur ganzjährigen Energiebereitstellung. Damit ist gezeigt, dass überschlägig ein Einfamilienhaus mit 92 qm Solarzellen und einem 2400 Liter Speichertank autark sein kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter:
Ein Verfahren und eine erste Anordnung zur Pufferung von Überschuss-Elektrizität in Gebäuden umfassend: mindestens einen elektrischen Stromanschluss an ein externes Stromnetz oder mindestens eine energieerzeugende Anlage (1 ), insbesondere eine photovoltaische Anlage, zur Bereitstellung eines elektrischen Stroms; mindestens einen Elektrolyseur (2) zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung des elektrischen Stroms aus dem externen Stromnetz oder der energieerzeugenden Anlage (1 ); mindestens einen ersten chemischen Reaktor (3) zur mindestens teilweisen Hydrierung von mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System unter
Verwendung des in dem Elektrolyseur (2) gebildeten Wasserstoffs; mindestens einen Speichertank (4) zur Speicherung des im ersten chemischen Reaktor (3) zumindest teilweise hydrierten Substrates; mindestens einen zweiten chemischen Reaktor (5) zur mindestens teilweisen Dehydrierung des in dem ersten chemischen Reaktor (3) hergestellten und im Speichertank (4) gespeicherten zumindest teilweise hydrierten Substrates unter Freisetzung von Wasserstoff; und mindestens eine Brennstoffzelle (6) zur Oxidation des in dem zweiten chemischen Reaktor (4) freigesetzten Wasserstoffs unter Freisetzung von Energie.
Eine zweite Anordnung mit den Merkmalen der ersten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektrolyseur (2) mit der mindestens einen Brennstoffzelle (6) über den ersten chemischen Reaktor (3), den Speichertank (4) und den zweiten chemischen Reaktor (5) verbunden ist.
Eine dritte Anordnung mit den Merkmalen der ersten oder zweiten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, polycyclische heteroaromatische Kohlenwasserstoffe, ττ-konjugierte organische Polymere oder eine Kombination davon.
Eine vierte Anordnung mit den Merkmalen einer der vorhergehenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend kondensierte heteroaromatische
Kohlenwasserstoffe mit N, S oder als O Heteroatom, wobei die Heteroatome substituiert oder unsubstituiert vorliegen.
Eine fünfte Anordnung mit den Merkmalen der vierten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die kondensierten heteroaromatischen Kohlenwasserstoffe Ringsysteme mit C6 bis C30, bevorzugt C8 bis C20, insbesondere C12 sind.
Eine sechste Anordnung mit den Merkmalen der vierten oder fünften Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Heteroatome mit mindestens einer Alkylgruppe, mindestens einer Arylgruppe, mindestens einer Alkenylgruppe, mindestens einer Alkinylgruppe, mindestens einer Cycloalkylgruppe und/oder mindestens einer Cycloalkylengruppe substituiert sind.
Eine siebte Anordnung mit den Merkmalen der einer der vierten bis sechsten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Heteroatome mit Ci-C30-Alkyl, bevorzugt Ci-Ci0-Alkyl, insbesondere mit C2-C5-Alkyl substituiert sind.
Eine achte Anordnung mit den Merkmalen einer der vorhergehenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System N- Ethylcarbazol, N-n-Propylcarbazol, N-iso-Propylcarbazol verwendet werden.
Eine neunte Anordnung mit den Merkmalen einer der vorhergehenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System in dem ersten chemischen Reaktor (3) bei einer Temperatur zwischen 50 und 180°C und einem Druck zwischen 2 und 200 bar in Gegenwart eines geeigneten Katalysators zumindest teilweise hydriert wird.
Eine zehnte Anordnung mit den Merkmalen einer der vorhergehenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (6) eine
Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist und dass der mindestens eine Elektrolyseur (2) eine umgekehrt betriebene Niedertemperatur-Polymer- Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist.
Eine elfte Anordnung mit den Merkmalen einer der vorhergehenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Elektrolyseur (2) mindestens ein
wasserspeicherndes Medium angeordnet ist.
Eine zwölfte Anordnung mit den Merkmalen der Anordnung 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle fehlenden Wärmebedarfs die anfallende Wärme in einem thermischen
Speicher gespeichert wird.
Ein erstes Verfahren zur Energiespeicherung in Gebäuden oder Energieversorgung von einzelstehenden Gebäuden unter Verwendung einer Anordnung gemäß einer der
vorgenannten Anordnungen umfassend die Schritte: Bereitstellen eines elektrischen Stroms, bevorzugt eines Gleichstroms, aus einem externen elektrischen Netz (9) oder mindestens einer erneuerbaren Energiequelle (1 ), insbesondere einer photovoltaischen Anlage;
Herstellen von Wasserstoff aus Wasser in mindestens einem Elektrolyseur (2) unter
Verwendung des elektrischen Stroms aus dem externen elektrischen Netz (9) oder der mindestens einen erneuerbaren Energiequelle (1 ); Überführen des gebildeten Wasserstoffes aus dem mindestens einen Elektrolyseur (2) in einen ersten chemischen Reaktor (3) enthaltend mindestens einem Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System und mindestens teilweise Hydrierung des Substrates; Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem ersten chemischen Reaktor (3) in mindestens einen
Speichertank (4) und ggf. Speicherung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem Speichertank (4); Überführen des zumindest teilweise hydrierten Substrates aus dem
Speichertank (4) in mindestens einen zweiten chemischen Reaktor (5) und Dehydrierung des zumindest teilweise hydrierten Substrates in dem zweiten chemischen Reaktor (5) unter Freisetzung von Wasserstoff; Überführen des Wasserstoffs aus dem zweiten chemischen Reaktor (5) in mindestens eine Brennstoffzelle (6) und Oxidation des Wasserstoffs und in der Brennstoffzelle vorhandenen Sauerstoffs zu Wasser bei gleichzeitiger Freisetzung von Energie in Form von elektrischen Strom und Wärme.
Ein zweites Verfahren mit den Merkmalen des ersten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff ohne Zwischenspeicherung zur zumindest teilweisen Hydrierung des mindestens einen Substrates mit einem ausgedehnten TT-konjugierten System im ersten chemischen Reaktor (3) verwendet wird. Ein drittes Verfahren mit den Merkmalen des ersten oder zweiten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der zumindest teilweisen Hydrierung des mindestens einen Substrates mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System im ersten chemischen Reaktor (3) entstehende Wärme in ein Heizsystem oder in das Kühlsystem des Gebäudes
eingeschleust wird.
Ein viertes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis dritten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise hydrierte Substrat mit einem ausgedehnten ττ- konjugierten System im zweiten chemischen Reaktor (5) unter Wärmezufuhr dehydriert wird.
Ein fünftes Verfahren mit den Merkmalen des vierten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Dehydrierung notwendige Wärme aus dem Heizsystem des Gebäudes oder aus einem thermischen Speicher verwendet wird.
Ein sechstes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis fünften Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass das im zweiten chemischen Reaktor (5) dehydrierte Substrat aus dem zweiten chemischen Reaktor (5) über den Speichertank (4) in den ersten chemischen Reaktor (3) rückgeführt wird.
Ein siebtes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis sechsten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Brennstoffzelle (6) während der Wasserstoffoxidation gebildete Wasser in den Elektrolyseur (2) überführt wird.
Ein achtes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis siebten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlendem Wärme- oder Kältebedarf des Gebäudes ein
thermischer Speicher für die anfallende Wärme installiert wird.
Ein neuntes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis achten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brennstoffzelle (6) freigesetzte Wärme in das Heizsystem und der freigesetzte elektrische Strom in das elektrische Netz des Gebäudes oder in ein externes Stromnetz (9) eingeleitet wird.
Ein zehntes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis neunten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Wasserstoffoxidation in der Brennstoffzelle (6) benötigte Sauerstoff außen in die Brennstoffzelle (6) in Form von Luft zugeführt wird. Ein elftes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis zehnten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf zusätzlicher elektrischer Strom aus der Brennstoffzelle (6) in das externe elektrische Netz (9) zurückgespeist wird und der finanzielle Gewinn nicht aus der Hausheizung oder -Kühlung sondern aus fluktuierenden Elektrizitätspreisen erzielt wird.
Ein zwölftes Verfahren mit den Merkmalen eines des ersten bis elften Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf zusätzlicher elektrischer Strom von einer weiteren
Energiequelle (9) in das elektrische Netz (8) des Gebäudes eingespeist wird. Das Gebäude kann beispielsweise ein einzelstehendes Gebäude sein.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten
Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Anordnung zur Energiespeicherung in Gebäuden, mit:
- einem elektrischen Stromanschluss an ein externes Stromnetz;
- einem Elektrolyseur (2) zum Herstellen von Wasserstoff aus Wasser unter Verwendung von elektrischem Strom aus dem externen Stromnetz;
- einem ersten chemischen Reaktor (3) zum Hydrieren eines Substrats mit einem
ausgedehnten ττ-konjugierten System unter Verwendung des in dem Elektrolyseur (2) hergestellten Wasserstoffs;
- einem Speichertank (4) zum Speichern des im ersten chemischen Reaktor (3) hydrierten Substrates;
- einem zweiten chemischen Reaktor (5) zum Dehydrieren des in dem ersten chemischen Reaktor (3) hergestellten und im Speichertank (4) gespeicherten, hydrierten Substrates unter Freisetzung von Wasserstoff; und
- einer Brennstoffzelle (6) zum Oxidieren des in dem zweiten chemischen Reaktor (4) freigesetzten Wasserstoffs unter Freisetzung von Energie.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (2) mit der Brennstoffzelle (6) über den ersten chemischen Reaktor (3), den Speichertank (4) und den zweiten chemischen Reaktor (5) verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System ausgewählt ist aus einer Gruppe, die polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, polycyclische heteroaromatische Kohlenwasserstoffe, ττ- konjugierte organische Polymere oder eine Kombination davon umfasst.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System ausgewählt ist aus einer Gruppe, die kondensierte heteroaromatische Kohlenwasserstoffe mit N, S oder O als Heteroatom umfasst, wobei die Heteroatome substituiert oder unsubstituiert vorliegen.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kondensierten heteroaromatischen Kohlenwasserstoffe Ringsysteme mit C6 bis C30, bevorzugt C8 bis C20, insbesondere C12 sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heteroatome mit einer Alkylgruppe, einer Arylgruppe, einer Alkenylgruppe, einer Alkinylgruppe, einer
Cycloalkylgruppe und/oder einer Cycloalkylengruppe substituiert sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Heteroatome mit Ci-C30-Alkyl, bevorzugt Ci-Ci0-Alkyl, insbesondere mit C2-C5-Alkyl substituiert sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System N-Ethylcarbazol, N-n- Propylcarbazol, N-iso-Propylcarbazol umfasst.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ausgebildet ist, das Substrat mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System in dem ersten chemischen Reaktor (3) bei einer Temperatur zwischen 50 und 180°C und einem Druck zwischen 2 und 200 bar in Gegenwart eines Katalysators zu hydrieren.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (6) eine Niedertemperatur-Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist und dass der Elektrolyseur (2) eine umgekehrt betriebene Niedertemperatur- Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist.
1 1. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyseur (2) ein wasserspeicherndes Medium angeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen thermischen Speicher zum Speichern von anfallender Wärme im Falle eines fehlenden Wärmebedarfs umfasst.
13. Verfahren zur Energiespeicherung in Gebäuden mit den Schritten:
- Bereitstellen von elektrischem Strom aus einem externen elektrischen Stromnetz (9); - Herstellen von Wasserstoff aus Wasser in einem Elektrolyseur (2) unter Verwendung des elektrischen Stroms aus dem externen elektrischen Stromnetz (9),
- Überführen des hergestellten Wasserstoffes aus dem Elektrolyseur (2) in einen ersten chemischen Reaktor (3), der ein Substrat mit einem ausgedehnten ττ-konjugierten System umfasst und Hydrieren des Substrates,
- Überführen deshydrierten Substrates aus dem ersten chemischen Reaktor (3) in einen Speichertank (4) und Speichern des Substrates in dem Speichertank (4),
- Überführen des Substrates aus dem Speichertank (4) in einen zweiten chemischen Reaktor (5) und Dehydrieren des hydrierten Substrates in dem zweiten chemischen Reaktor (5) unter Freisetzung von Wasserstoff,
- Überführen des Wasserstoffs aus dem zweiten chemischen Reaktor (5) in eine
Brennstoffzelle (6) und Oxidieren des Wasserstoffs und in der Brennstoffzelle vorhandenen Sauerstoffs zu Wasser bei gleichzeitiger Freisetzung von Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Elektrolyseur hergestellte Wasserstoff ohne Zwischenspeicherung zum Hydrieren des Substrats mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System in dem ersten chemischen Reaktor (3) verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Hydrieren des Substrates mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System im ersten chemischen
Reaktor (3) entstehende Wärme in ein Heizsystem oder in das Kühlsystem des Gebäudes eingeschleust wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrierte Substrat mit dem ausgedehnten ττ-konjugierten System in dem zweiten
chemischen Reaktor (5) unter Wärmezufuhr dehydriert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die für das Dehydrieren notwendige Wärme aus dem Heizsystem des Gebäudes oder aus einem thermischen Speicher verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem zweiten chemischen Reaktor (5) dehydrierte Substrat aus dem zweiten chemischen Reaktor (5) über den Speichertank (4) in den ersten chemischen Reaktor (3) rückgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Brennstoffzelle (6) während der Wasserstoffoxidation gebildete Wasser in den
Elektrolyseur (2) überführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlendem Wärme- oder Kältebedarf des Gebäudes ein thermischer Speicher für die anfallende Wärme aufgeladen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brennstoffzelle (6) freigesetzte Wärme in das Heizsystem und der freigesetzte elektrische Strom in das elektrische Stromnetz des Gebäudes oder in ein externes Stromnetz (9) eingeleitet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der zum Oxidieren von Wasserstoff in der Brennstoffzelle (6) benötigte Sauerstoff von außen in die Brennstoffzelle (6) in Form von Luft zugeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf zusätzlicher elektrischer Strom aus der Brennstoffzelle (6) in das externe elektrische Stromnetz (9) zurückgespeist wird.
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