Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage mit einer Elektroenergieversorgung, mindestens einem Elektrolyseur zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, mindestens einem chemischen Reaktor zum katalytischen Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in eine Langzeit-speicherbare erste chemische Verbindung hoher Energiedichte, mindestens einen Tank zum Zwischenlagern von Kohlendioxid und der chemischen Verbindung, sowie mit mindestens einem Wandler zur Wärme- und/oder Stromerzeugung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Energieversorgungsanlage.

Derartige Energieversorgungsanlagen sind als zentrale Großanlagen bekannt, die jedoch den Nachteil eines hohen CO ₂ Ausstoßes und eines geringen Wirkungsgrades aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hocheffizente, dezentrale und weitestgehend C0 ₂ -neutrale sowie autarke Energieversorgungsanlage, insbesondere für den Bereich der Haustechnik zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass es sich bei der Elektroenergieversorgung um eine, ledigliche der Energieversorgungsanlage zugeordnete, lokale Elektroenergieversorgung handelt, dass der lokalen Elektroenergieversorgung ein elektrischer Kurzzeitspeicher als Pufferspeicher zugeordnet ist, und dass mindestens ein Gasseparator vorgesehen ist, der aus der Luft und/oder aus den Abgasen der Wandler und/oder aus Kohlendioxid absorbierenden Metalloxiden Kohlendioxid separiert, und dass der zumindest eine Gasseparator über eine Leitung mit dem lokalen Tank verbunden ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Energieversorgungsanlage ergeben sich nach den weiterbildenden Erfindungsmerkmalen der Ansprüche 2 bis 8.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit Hilfe der Merkmale der Ansprüche 9 bis 20 gelöst.

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine hocheffiziente, dezentrale und weitgehend C02-neutrale sowie vorzugsweise autarke Energieversorgungsanlage, insbesondere für den Bereich der Haustechnik.

Diese besteht vor allem aus einer lokalen Elektroenergieversorgung, einem elektrischen Energiespeicher zur Kurzzeitspeicherung und einem oder mehreren kompakten chemischen Reaktoren zum Herstellen und ggf. zum Zersetzen chemischer Verbindungen, welche als Speichermedien vorzugsweise zur Langzeitspei- cherung von Energie geeignet sind, sowie einem Steuerungs- und Regelungssystem in Kombination mit den nötigen Komponenten und Sekundäraggregaten zur Energieversorgung.

Die ständige Verteuerung und Verknappung sowie die klimaschädlichen Emissionen von fossilen Energieträgern, wie z.B. Erdöl oder Erdgas, erfordern weitgehend emissionsfreie, dezentrale Energieversorgungsanlagen mit einem hohen Wirkungsgrad, welche auch die effektive Nutzung von lokal vorhandenen, auch erneuerbaren Energieträgern, wie Wind, Wasser und Sonne für den Eigenverbrauch, ermöglichen. Hierzu ist der Einsatz von Kurzzeit- und Langzeitenergiespeichem zur Zwischen- speicherung nötig.

So muss das zeitliche Ungleichgewicht zwischen der lokalen Erzeugung der erneuerbaren Energie und dem jeweils aktuellen Verbrauch (z.B. bei Tag/Nacht, Sommer/Winter) ausgeglichen werden.

Energiespeicher werden jedoch zum gegenwärtigen Zeitpunkt vornehmlich für den großtechnischen, zentralen Einsatz diskutiert.

Dieser Sachverhalt ist sehr überraschend vergegenwärtigt man sich nachfolgend die in Form einer Aufzählung dargestellten u. a. volkswirtschaftlichen und betriebswirtschaftlichen Vorteile einer dezentralen (lokalen) Energieversorgung und Ener- giespeicherung:

Die Nutzung erfolgt dezentral. Die Teilnahme der Verbraucher an dem Ener- giegewinnungsprozess ist inbegriffen.

Die Netzproblematik wird deutlich verringert, da große Strommengen nicht mehr in dem Maße wie bisher transportiert werden müssen. Diese werden überwiegend dort verbraucht, wo diese lokal entstehen.

Der dezentrale chemische Speicher löst das Volumen- und Mengenproblem. Die Speichermenge einer großen Anzahl dezentraler Kleinspeicher ist um ein vielfaches höher, als die weniger zentraler Großspeicher.

Die dezentrale Energieherstellung und -speicherung ist kostengünstiger für den Verbraucher im Vergleich zur zentralen Erzeugung und Speicherung. Die Möglichkeit der Dauernutzung der alternativen Energien, unabhängig vom jeweiligen Verbrauch, führt zu einer erheblichen Effizienzsteigerung.

Durch die dezentrale chemische Speichertechnologie wird erstmalig eine weitgehend emissionsfreie, umweltneutrale Langzeitversorgung (C0 ₂ -neutraler Zyklus an einem Ort) mit Energie ermöglicht.

Durch einen hohen Wirkungsgrad (rd. 80%), bei möglicher gleichzeitiger Nutzung von Elektro- und Wärmeenergie, z.B. durch Kraftwärmekopplung (KWK), bei der dezentralen, lokalen, Energieversorgung mittels einem chemischen Energiespeichermedium, wie z.B. synthetisches Erdgas, ergibt sich gegenüber großtechnischen Anwendungen (Wirkungsgrad bei der Verstromung von synthetischen Erdgas in der Regel maximal rd. 30%) ein beträchtlicher wirtschaftlicher Wettbewerbsvorteil.

Ein weiterer, möglicher Wettbewerbsvorteil liegt in dem Potential der Nutzung von Niedrig- und Negativstrompreisen aus dem Netz. Dadurch ergibt sich eine zusätzlich hohe Wertschöpfung.

Durch die dezentrale, chemische Speichertechnologie ergibt sich zudem die Möglichkeit von energieautarken Insellösungen, die weltweit die Energieversorgung auch in abgelegenen Gebieten der dritten Welt gewährleisten können.

Es besteht sowohl die Möglichkeit stationäre, als auch mobile Lösungen für dezentrale Anwendungen und für verschiedene und große Märkte, wie der Haustechnik, Automobiltechnik, umzusetzen.

Der dezentrale Speicher löst das Kostenproblem und Zeitproblem der zentralen Großtechnik. So sind die Entwicklungs- und Investitionskosten des dezentralen Speicherverfahrens im Vergleich zu zentralen großtechnischen Lösungsansätzen erheblich niedriger und gleichzeitig die technische Umsetzung wesentlich schneller und auch mit einem beträchtlich geringeren wirtschaftlichen Risiko verbunden.

Stoffliche, dezentrale Energiespeicher sind zudem gesellschaftlich leichter umsetzbar, als großtechnische Lösungen.

Eine Zusammenfassung für den großtechnischen, zentralen Einsatz von Energiespeichern gibt„U. Sauer: Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung, RWTH Aachen, (http://www.eurosolar.de/de/images/stories/pdf/Sauer Optionen Speicher regene rativ okt06.pdf)".

Es bieten sich vornehmlich aus Kostengründen für die Verwendung als Kurzzeitspeicher (meist einige Stunden) für elektrische Energie, insbesondere Batterien auch für die stationäre und mobile, dezentrale Versorgung an. Demgegenüber ist die Energiespeicherung infolge der Nutzung von chemischen Verbindungen als Speichermedien meist wesentlich kostengünstiger für größere Energiemengen und für Langzeitspeicher geeignet.

Eine in den letzten Zeit für großtechnische Anwendungen (vorgesehene elektrische Anschlussleistungen, z.B. für den Elektrolyseur im Megawattbereich) intensiv diskutierte chemische Speicheroption stellt das mit der sog. Sabatier-Reaktion zugängliche Methan dar (auch als SNG bezeichnet - synthetic natural gas). So könnte SNG in das Erdgasnetz eingespeist werden. In das Netz eingebundene, vorhandene Untergrundspeicher könnten ferner in der Form von synthetischem Erdgas insbesondere von Wind- und Solarenergie erzeugte große Energieüberschüsse aufnehmen, vgl. a. WO 2010/115983 A1. Vorhandene Gaskraftwerke zur variablen Elektroenergieerzeugung sind im Bedarfsfall zum Rückverstromen vorgesehen.

Daher kann im Regelfall die gleichzeitig entstehende Abwärme bei der Verstro- mung als auch die bei der stark exothermen Methanisierung (Sabatier-Reaktion) entstehende Wärme nicht direkt genutzt werden, was zu einem mehr als halbierten Gesamtwirkungsgrad selbst bei sogenannten modernen GuD- Gaskraftwerken und wesentlich höheren Entstehungskosten gegenüber einer dezentralen Anwendung führt, bei der sowohl die Wärme- als auch die Elektroenergie im Sinn einer Kraftwärme- kopplung (KWK) genutzt werden kann, z.B. wie hier im folgenden beschrieben für den Bereich der Haustechnik. So kann auch im Sinn einer wesentlich schnelleren technischen, kostengünstigen und wirtschaftlich risikoreduzierten Umsetzung für den Bereich der Haustechnik im Vergleich zur Großtechnik auf eine Reihe erprobter und in der Praxis bereits bewährter Komponenten und Sekundäraggregate zur Wärme- und Elektroenergieerzeugung, wie u.. Blockheizkraftwerken (Mikro-BHKWs), Brennstoffzellen, zurückgegriffen werden.

Die in der WO 2010/115983 A1 beschriebene Technik benötigt zur Versorgung zudem eine stationäre, örtlich vorhandene, leistungsfähige CO- bzw. CO ₂ -Quelle (Biogasanlage, Verbrennungskraftwerk o. ä.), da sonst infolge der Entnahme von Kohlendioxid aus der Luft, z.B. mittels Aminwäschern der Gesamtwirkungsgrad drastisch auf ein unwirtschaftliches Niveau von < 30% abfällt. Die vorgenannte Verfahrensweise ist zudem über den Gesamtprozess letztlich nicht CO ₂ -neutral, da auch CO ₂ -emittierende Kraftwerke für die Versorgung mit Kohlendioxid eingesetzt werden und die energetische Nutzung dem technisch unterschiedlich ausgestatteten Endverbraucher überlassen wird und so keine umfassende CO ₂ - Rückführung in den Prozess erfolgen kann.

Demgegenüber ist es bei der erfindungsgemäßen dezentralen Energieversorgungsanlage vorgesehen, den bei der Wärme- und Stromerzeugung anfallenden C0 ₂ -Anteil zum überwiegenden Teil >70% mittels Filterung bzw. Separation zurückzugewinnen. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Energieversorgungsanlage nicht örtlich an eine stationäre Kohlendioxidquelle, wie oben beschrieben, gebunden.

Hierzu bietet sich das Verwenden von semipermeablen, ggf. mehrstufigen, Memb- ranfiltern zur Abtrennung von CO2 und auch von Metalloxiden zur Carbonat- bildung (Absorption) mit dem C0 ₂ und/oder das Abbinden von Kohlendioxid in der Form von Bicarbonaten an. Das Carbonat und/oder Bicarbonat kann später durch einen thermischen und/oder chemischen Aktivierungsschritt benötigtes CO2 wieder freisetzen.

Nur maximal 30% des benötigten C0 ₂ -Anteiles werden daher dem Reaktionskreislauf wieder von außen neu zugeführt. Dies geschieht vorzugsweise mittels CO2- Separation aus der Luft, wiederum mit der Hilfe von Membranfiltern, Carbonaten, wie z.B. CaC0 ₃ und/oder Bicarbonaten, wie z.B. Natriumhydrogencarbonat und anschließenden Aktivierungsschritten, um das CO2 wieder freizusetzen.

Das nötige CO2 kann auch z.B. bei landwirtschaftlichen Betrieben, Brauereien zum Sicherstellen der CO2 -Neutralität aus entsprechenden Gärungsprozessen und Biomasse stammen.

Zudem bieten sich auch zusätzliche, separate Reformierungsstufen, z.B. mittels Wasserdampf-Reform ierung und/oder der Einsatz von Hochtemperatur- Brennstoffzellen (HT-BZ) mit integrierter Reformierung zur Gewinnung von Kohlendioxid, z.B. aus Erdgas und Alkoholen, wie Methanol, an. Auch durch den optionalen Bezug von Methan aus dem Erdgasnetz und durch Nachtanken des jeweiligen chemischen Speichermediums, vgl. unten, wie Alkohole, z.B. Methanol, Methansäure (Ameisensäure) kann Kohlendioxid in den Prozesskreislauf nachgeführt werden. Ein weiterer Weg ist die physikalische Separation von CO2 durch Kühlung und Druck direkt in flüssiger Form aus mittels Wärmetauschern vorgekühlten (sogenannte kryogene Abscheidung von CO2), auch mit Kohlendioxid angereicherten Abgasen, z.B. von eingesetzten Blockheizkraftwerken.

Da nur ein Anteil von max. 30% C0 ₂ in den Prozess nachgeführt werden muss, verbleibt der Wirkungsgrad in einer wirtschaftlich vertretbaren Größenordnung.

Eine vollständige Rückgewinnung des Kohlendioxids aus dem Prozesskreislauf, wie in der DE 10 2008 034 931 A1 beschrieben, ist zwar wünschenswert, aber aufgrund der nicht vollständig zu kontrollierenden Prozessabläufe (z.B. der Verbrennungsreaktionen) gegenwärtig und in absehbarer Zeit aus wirtschaftlichen und technischen Gründen auch für den Bereich der Haustechnik nicht umsetzbar.

„J.Kopyscinski et al., Chem. Eng. Sei., 66 (5) (2011) 924-934", haben in einem Übersichtsartikel den Stand des Wissens der letzten 60 Jahre bzgl. der SNG- Erzeugung unter Nutzung von Kohle und trockener Biomasse zusammengefasst. Den Stand der Technik sowie theoretische Grundlagen und die Arbeiten an der Technischen Universität Graz fasst ebenfalls ein Übersichtsartikel von„T. Kien- berger und J. Karl, 11. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2010, Graz, Austria", zusammen.

Als Sabatier-Reaktion wird die stark exotherme Umsetzung von CO bzw. CO ₂ zu Methan und Wasser gemäß der unteren Gleichungen 1 und 2 bezeichnet:

CO ₂ + 4 H ₂ -» CH ₄ + 2 H ₂ O (DH _R = -165 kJ/mol (298 K)),

CO + 3 H ₂ CH ₄ + H ₂ O (DH _R = -206 kJ/mol (298 K)). Unter http://people.oregonstate.edu/~atwateri/h2o gen. htm, sind thermodynami- sche Daten zugänglich.

Die Reaktion ist fast seit nunmehr 110 Jahren (1902 Sabatier) bekannt und wird mit Hilfe von heterogenen Katalysatoren vorgenommen. Zum Einsatz kommen vor allem Nickel-Katalysatoren, effektiver ist die Verwendung von Ruthenium auf AI2O3- oder Ti02-Trägern.

Problematisch sind die stark exotherme Wärmetönung der Sabatier-Reaktion und die schlechte Wärmeabfuhr bei der Verwendung eines Festbettreaktors, vgl. a.a.O.„T. Kienberger, J. Karl, 11. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2010, Graz, Austria".

Diese ist ein wesentlicher limitierender Faktor für die Anwendung im Bereich der Haustechnik, da hier ein sehr kompakter Reaktor erforderlich ist und trotzdem eine stabile, reproduzierbare Prozessführung mit hohem Wirkungsgrad bei niedrigen Kosten erreicht werden muss.

So ist eine kostenaufwändige und intensive Kühlung beim Festbettreaktor unumgänglich.

Eine Verdünnung des Eduktgases mit Inertgas ist jedoch nicht opportun, da in der Regel die Energieverluste durch die hohe benötigte Gasmenge nicht tragbar wären.

Andererseits sind die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage möglichst niedrig zu halten, um auch dem Privathaushalt die Beschaffung der Technik zu ermöglichen. Rohrbündelreaktoren sind zudem hinsichtlich einer exothermen Wärmetönung als problematisch einzuschätzen.

Vorteilhaft demgegenüber aus wirtschaftlicher und technischer Sicht für die dezentrale Anwendung im Bereich der Haustechnik ist die Ausführung eines kompakten, ggf. mehrstufigen Reaktors als sogenannter, auch mikrostrukturierter, Wandreaktor.

Das hier zum Einsatz kommende, erfindungsgemäße Konzept unterscheidet sich daher von anderen Anlagenkonzepten auch dadurch, dass ein mikrostrukturierter Reaktor (Gasphase) zur Anwendung kommt, der in der Lage ist, die erhebliche exotherme Reaktionswärme effizient aufzunehmen.

Dabei wird der Katalysator auf entsprechend geformte Bleche aufgebracht, an deren Rückseite ein Kühlmedium (Wärmeträgeröl) zirkuliert.

Weiterer Vorteil der Mikroreaktoren ist es, bei Bedarf die Reaktorleistung durch Parallelisierung der Reaktoren (modulare Bauweise) kostengünstig anzuheben.

Auf Basis dieser Mikroreaktoren ist eine effektive Umsetzung für kleine dezentrale Energieversorgungsanlagen, verbunden mit einer sehr hohen Nutzung der beim Prozess entstehenden Reaktionswärme, möglich und somit auch ein hoher Ge- samtnutzungsgrad der lokal erzeugten regenerativen Energie zu erreichen.

Außerdem soll weitestgehend bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage auf das Verwenden der sehr starken exothermen Umsetzung gemäß Gl. 2, vgl. oben, und CO-haltigen Gasen (z.B. Synthesegas), die in der Regel bei der Großtechnik eingesetzt werden, verzichtet und der Gehalt von Kohlenmonoxid ständig überwacht werden. So ist Kohlenmonoxid ein starkes Atemgift und in der Haustechnik daher unerwünscht. Außerdem können Konzentrationen von Kohlenmonoxid von rd. >10ppm bereits Brennstoffzellen in ihrer Wirkungsweise stark beeinträchtigen.

In der Regel völlig ausreichend für die dezentrale, lokale Anwendung ist eine elektrische Anschlussleistung, z.B. des vorgesehenen Elektrolyseurs zur Bereitstellung des zum Hydrieren von CO ₂ benötigten Wasserstoffs im Bereich von 1 bis 500 kW.

Dieser Leistungsbereich genügt, um Einfamilienhäuser bis hin zu größeren Wohnanlagen, öffentliche Gebäude, wie Krankenhäuser, Bauernhöfe, Brauereien, Hotels sowie kleinere bis mittlere Gewerbebetriebe auch völlig autark ohne An- schluss an eine externe Versorgung, wie dem Strom- bzw. Erdgasnetz, mit chemisch gespeicherter Energie zu versorgen.

Die Speicherkapazität des chemischen Energiespeichers (Tank) ist in der Regel mit rd. 5 bis 30% der jährlich benötigten Energiemenge bemessen, um die hiermit verbundenen Kosten klein zu halten. Dieser Energiespeicher wird daher mehrfach im Jahr aufgefüllt.

Neben der Haustechnik bietet sich die erfindungsgemäße Energieversorgungsanlage auch für den stationären Einsatz zur Inselversorgung bzw. in infrastrukturell unterversorgten Gebieten (z.B. ohne Elektro-, Gasversorgung und Wasserversorgung) an. Beispielsweise könnte eine erfindungsgemäße Energieversorgungsanlage völlig autark in der Kombination mit Biomasse als H ₂ - und CO^-Quelle gemäß Gl. 1 , vgl. oben, z.B. auch für die Produktion von Kraft- und Brennstoff in der Form von Methan und/oder Methanol (vgl. a. Gl. 3 unten) und Wasser sorgen.

Außer der Sabatier-Reaktion bieten sich, wie bereits angeführt, noch andere chemische Prozesse und Verbindungen auf Basis der Hydrierung von C0 ₂ , mittels heterogener und/oder homogener Katalysatoren unterstützt, um die nötigen Reaktionen bei moderaten Temperaturen und Drücken vorzunehmen, als chemische Speichermedien (Langzeitspeicher) für die Haustechnik an. Hierzu gehören Alkohole, insbesondere, z.B. Methanol und die Ameisensäure (Methansäure).

Nachfolgend soll daher hier auf Methanol, vgl.„ H. Junge, M. Beller, Tetrahedron Lett. 2005, 46, 1031-1034, Ruthenium catalyzed generation of hydrogen from iso- propanol; H. Junge, B. Loges, M. Beller, Chem. Commun. 2007, 522-524, Novel improved ruthenium catalysts for the generation of hydrogen from alcohols; und auf die Ameisensäure, vgl. a. B. Loges, A. Boddien, H. Junge, M. Beller, Angew. Chem., 2008, 120, 4026-4029, Controlled Generation of Hydrogen from Formic Acid Adducts at Room Temperature and Application in H2/02 Fuel Cells; und A. Boddien, B. Loges, H. Junge, M. Beller ChemSusChem. 2008, 1 , 751-758, Hydrogen Generation at Ambient Conditions: Application in Fuel Cells; und siehe auch http://www.nature.com/nnano/iournal/vaop/ncurrent/full/nnano .2011.42.html //http:/ /www.rsc.org/chemistrvworld/News/2011/April/11041101.asp. und deren Verwendung als Langzeitspeichermedien eingegangen werden.

So werden zur sogenannten drucklosen Wasserstoffspeicherung gegenwärtig verschiedene organische Verbindungen diskutiert.

Dazu zählen z.B. organische„Hydride" wie Dekalin oder Methylcyclohexan und auch Methanol und Ameisensäure (Methansäure).

So offenbart die DE 10 2009 007 567 A1 eine großtechnische, zentrale Variante der Energiespeicherung mittels dem Speichermedium Methanol.

Zur Herstellung von Methanol wird, wie auch bei der oben angeführten Speicherung mittels Methan (vgl. WO 2010/115983 A1 ), eine externe und stationäre industrielle Kohlendioxid-Quelle, wie z.B. fossile Kraftwerke, chemische Produktionsli- nien, zur Versorgung mit Kohlendioxid, im Gegensatz zu der hier dargestellten Erfindung, benötigt.

Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol) sowie flüssige„organische Hydride" als Wasser- stoffdonoren haben den Vorteil einer einfachen Lagerung, Dosierbarkeit, Handhabung und benötigen eine Infrastruktur vergleichbar der für herkömmliche Kraftstoffe. Während Wasserstoff aus Alkoholen in der Regel durch Reformierungsprozes- se oberhalb 200°C sowie aufwändige Gasreinigungsschritte gewonnen wird, erfolgt die Wasserstofffreisetzung aus„organischen Hydriden" schon bei Temperaturen oberhalb 100°C im signifikanten Umfang. Diese Temperaturen sind jedoch für viele technische Anwendungen aus Effizienzgründen nicht akzeptabel, da zuviel Energie für die Freisetzung des Wasserstoffs verloren geht.

Ameisensäure bindet rd. 4.4 Gew.-% H ₂ und ist auch sehr einfach zu handhaben. So enthält ein Liter Ameisensäure rund 53 g Wasserstoff, wohingegen das gleiche Volumen von reinem Wasserstoff unter einem Druck von 350 bar nur rund 28 g beträgt. Mit einer Kombination von C02-Hydrierung und Ameisensäure- Dehydrierung bietet sich Ameisensäure daher als Hauptprodukt in einem reversiblen Speicherkreislauf an.

Die Nutzung von Ameisensäure als flüssigen Wasserstoffspeicher bietet gegenüber herkömmlichen Speichersystemen signifikante Vorteile. So kann Wasserstoff bereits bei moderaten Drücken und Temperaturen katalytisch (z.B. bei <60 bar, <100°C) mit CO2 zu Ameisensäure (Methansäure, HCOOH) umgesetzt und später bei milden Bedingungen wieder freigesetzt werden.

Im Gegensatz zu Reform ierungsprozessen sind dazu keine hohen Temperaturen notwendig. Zudem erfolgt eine selektive Erzeugung von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Ameisensäure ohne gleichzeitige Bildung schädlichen Kohlenmonoxids. Damit ist der Wasserstoff direkt in einer Brennstoffzelle mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar und die Rückführung des Kohlendioxids zur Hydrolyse mittels einer vergleichsweise einfachen Gasseparation, z.B. mit semipermeablen ggf. mehrstufigen Membranen, technisch machbar. Prinzipiell ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Ameisensäure katalytisch bereits ab einer Temperatur von 25 °C möglich.

Mit Hilfe der Ameisensäure als sogenanntes druckloses Speichermedium lassen sich daher die Vorteile der etablierten Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellentechnologie mit denen von flüssigen Kraftstoffen vereinen.

Ameisensäure ist zudem ungiftig. So ist verdünnte Ameisensäure von der US Food and Drug Administration als Nahrungsmittelzusatz zugelassen (US Code of Federal Regulations: 21 CFR 186.1316, 21 CFR 172.515).

Diese ist ferner einfach zu dosieren, zu lagern und mit bereits vorhandener Infrastruktur für flüssige Energieträger kompatibel. Auch deshalb bietet sich die Ameisensäure als chemische Verbindung (Speichermedium) für die Langzeitspeiche- rung von Elektroenergie an.

Auf der Grundlage einer katalytischen Herstellung von Methan, Alkoholen, Ameisensäure und der katalytischen Zersetzung von Ameisensäure ist somit die Schaffung einer hocheffizienten, dezentralen und vorzugsweise autarken sowie weitgehend CÜ ₂ -neutralen Energieversorgungsanlage, insbesondere für den Bereich der Haustechnik möglich.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachfolgenden drei Zeichnungen dargestellt. Hier zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Energieversorgunganlage mit den wesentlichen Komponenten und Aggregaten bei der Verwendung von Methan als Speichermedium für die Langzeitspeicherung,

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen

Energieversorgunganlage mit den wesentlichen Komponenten und Aggregaten bei der Verwendung von Methanol als Speichermedium für die Langzeitspeicherung, und

Fig. 3 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen

Energieversorgunganlage mit den wesentlichen Komponenten und Aggregaten bei der Verwendung von Methansäure (Ameisensäure) als Speichermedium für die Langzeitspeicherung.

Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt eine dezentrale Energieversorgungsanlage, die elektrisch vorzugsweise autark durch eine lokale Elektroenergieversorgung 1 , z.B. von Photovoltaik-, Wasserkaft- und Windenergieanlagen versorgt wird. Optional, falls vorhanden, kann die Energieversorgungsanlage durch einen vorhandenen Elektronetzanschluss 2 und/oder einen Erdgasnetzanschluss 3, gespeist werden.

Eine in der Regel zeitlich beschränkte Stromentnahme aus dem Stromnetz 2 bzw. von Erdgas aus dem Gasnetz 3 bietet sich insbesondere an, wenn aufgrund von sehr großen überörtlichen Angebotsmengen, z.B. bei Überproduktion von (regenerativ) erzeugter Energie, der Ankaufspreis sehr günstig ist und diese überschüssige Energie verbraucht und/oder gespeichert werden kann und die lokal meist als Eigenproduktion anfallende Elektroenergie der Elektroenergieversorgung 1 und/oder Methan als Speichermedium nicht oder nur in einem geringen Umfang zur Verfügung steht. Eine Einspeisung in das überörtliche Strom- und Gasnetz ist durch die erfindungsgemäße dezentrale Energieversorgungsanlage nicht vorgesehen.

Ein zusätzlicher aus Batterien bestehender elektrischer Kurzzeitspeicher 4 als Pufferspeicher stellt bei Bedarf, z.B. zum Anfahren der Systeme, kurzfristig elektrische Energie auch für den Fall von Überlast zur Verfügung. Zudem kann der elektrische Kurzzeitspeicher 4, auch zur Speicherung von überschüssiger Elektroenergie aus der Elektroenergieversorgung 1im Bereich der Energieversorgungsanlage und zur zusätzlichen Elektroversorgung z.B. des Elektrolyseurs 5, bei zu geringer lokaler Energieerzeugung, zum Beispiel durch Solarzellen, bei Nacht dienen.

Für den Fall das genügend überschüssige, preisgünstige, möglichst regenerativ und lokal erzeugte Elektroenergie 1 , 2 zur Verfügung steht, wird hiermit vorzugsweise ein Elektrolyseur 5, zur Aufspaltung von Wasser (H ₂ 0) in Wasserstoff (H ₂ ) und Sauerstoff (O ₂ ) betrieben.

Alternativ oder ergänzend zum Elektrolyseur 5 kann auch eine reversible Brennstoffzelle (RFC) zum Herstellen des Wasserstoffs und Sauerstoffs und/oder ein separater Reformer 6, z.B. ein sogenannter Dampfreformer, zum Herstellen des nötigen Wasserstoffs und des Kohlendioxids dienen.

Eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (u.a. SOFC, MCFC) mit Reformierstufe (in Fig.1 nicht dargestellt), können zudem zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlendioxid, z.B. aus Erdgas (Methan) oder Alkohol, wie Methanol, verwendet werden.

Das für die Elektrolyse nötige Wasser kann durch für die Haustechnik übliche Einspeisungen, z.B. durch öffentliche Wasserleitungen, zur Verfügung gestellt werden und auch, zumindest teilweise, aus der nachfolgenden Methanisierung im Reaktor 7 durch den nachgeschalteten Separator 8 gewonnen werden. Das so erzeugte Wasser kann ferner bei entsprechender Nachbehandlung für andere Zwecke, z.B. für den Trinkwasserbedarf, genutzt werden.

Der bei der Elektrolyse (Elektrolyseur 5) neben Wasserstoff (H ₂ ) anfallende Sauerstoff (O2) kann später zusätzlich bei den nachfolgenden Verbrennungsprozessen zur Energieerzeugung zugesetzt und/oder auch beim Verwenden einer Brennstoffzelle (meist komprimiert) eingesetzt werden.

Demgegenüber wird der erzeugte Wasserstoff (H ₂ ) im Fall der Erzeugung von synthetischen Erdgas (Methanisierung) einem oder mehreren ein- oder mehrstufigen kompakten Reaktor(en) 7, zugeführt, in dem katalytisch unterstützt, die stark exotherme, sogenannte Sabatier-Reaktion gemäß Gleichung 1 , vgl. oben, abläuft.

Zum Erreichen einer hohen Prozessstabilität und einer homogenen Temperaturverteilung sowie eines hohen Wirkungsgrades ist der Reaktor 7, vorzugsweise zur Methanisierung als ein- oder mehrstufiger auch mikrostrukturierter Wandreaktor ausgelegt. Der mit dem Elektrolyseur 5 erzeugte Wasserstoff (H ₂ ) kann auch direkt oder zusätzlich zum erzeugten Methan in einem Wandler 9 zur Wärme- und/Stromerzeugung, in Brennstoffzellen, in Verbrennungsaggregaten u.a., eingesetzt und gespeichert werden.

Das für die Methanisierungsreaktion im Reaktor 7, nötige Kohlendioxid (CO ₂ ) wird aus einem Kohlendioxidtank 10, zur Verfügung gestellt. Dieser Kohlendioxidtank 10, wird vorzugsweise mit Kohlendioxid, welches bevorzugt aus Verbrennungsabgasen und aus der Luft mittels Membranfiltern, und/oder unter Druckbeaufschlagung sowie Kühlprozessen in gasförmiger oder flüssiger Form und/oder mittels zum Kohlendioxidabsorbieren geeigneten Metalloxiden und mit Bicarbonat bildenden Ausgangsstoffen durch Gasseparation in Gasseparatoren 11 , 12, gewonnen wird (Carbonat- und Bicarbonatbildung und nachfolgende thermische und/oder chemische Freisetzung des Kohlendioxids), befüllt.

Durch das Verwenden einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC, MCFC u.a.) mit Reformierstufe, zur Wärme- und/oder Stromerzeugung (Wandler 9), kann auch aus dem erzeugten synthetischen Erdgas (Methan) und/oder aus von außen zugeführten Erdgas über den Ergasnetzanschluß 3 und/oder durch einen oder mehreren separaten Reformer(n) 6, vgl. oben, Kohlendioxid (CO ₂ ) für die Methanisierung im Reaktor 7, erzeugt, sowie z.B. mittels semipermeablen Membranen vom Wasserstoff abgetrennt und/oder durch Carbonat- und/oder Bicarbonatbildung, wie oben angeführt, gewonnen und später in den Tank 10 zur Zwischenlagerung befördert werden.

Das nötige Kohlendioxid kann auch z.B. auf Bauernhöfen, Brauereien, durch organische Gärungsprozesse, Biomasse und anschließende Filterung bzw. Absorption durch Metalloxide sowie auch mittels Bicarbonat bildenden Ausgangsstoffen und nachfolgender thermischer und/oder chemischer Freisetzung des Kohlendioxids, wie oben beschrieben, gewonnen werden. Durch eine vorzugsweise, auch hinsichtlich des Prozessdrucks, mehrstufige Auslegung des Reaktors 7, können zudem, die gegebenenfalls mit Kohlendioxid angereicherten, kohlendioxidhaltigen Verbrennungsabgase bei der Wärme- und Stromerzeugung, sowie das z.B. methan-, Wasserstoff- und kohlendioxidhaltige Abgas der Hochtemperatur-Brennstoffzelle(n) und das entstehende Gas von diversen organischen Gärungsprozessen (meist methan-, Wasserstoff- und kohlendioxidhaltiges Gas) einzeln oder auch vorgemischt direkt im Reaktor 7 zur Methanisierung umgesetzt werden.

Wie oben bereits ausgeführt trennt nach der stark exothermen Methanisierung im Reaktor 7, die entstandenen Reaktionsprodukte Methan (CH ₄ ) und (heißes) Wasser (H ₂ O) ein nachgeschalteter Separator 8. Dieses heiße Wasser wird, wie auch das Kühlmittel (vorzugsweise Wasser) des Reaktors 7, zu einem Wärmetauscher 13 geleitet und hierdurch vornehmlich die Warmwasserheizung 14 betrieben.

Sofern ausreichend Elektroenergie im Elektroenergieverteiler 15 im Bereich der Energieversorgungsanlage vorhanden ist, kann die Warmwasserheizung 14 auch zusätzlich oder alleine, wie auch andere Aggregate, z.B. eine ggf. in warmen Ländern alternativ vorhandene Klimaanlage 16, vorzugsweise nur durch Elektroenergie betrieben werden. Die im Bereich der Energieversorgungsanlage gemäß Fig.1 ( gilt auch für Fig. 2 und Fig. 3) vorhandene Elektroenergie wird zudem für die Vornahme einzelner Regelungen und Steuerungen, u.a. der Prozesssysteme, z.B. mittels Ventilen, Stellmotoren (hier nicht einzeln dargestellt) eingesetzt.

Auch bietet es sich ggf. an Heizungs- und Klimaaggregate im Rahmen z.B einer sogenannten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung direkt mit dem erzeugten Methan (synthetischen Erdgas) zu betreiben (hier nicht zeichnerisch dargestellt).

Das durch den Separator 8 getrennte synthetische Erdgas (Methan, CH ₄ ) wird in einem Tank 17, im gasförmigen oder flüssigen Zustand, gelagert. Dieser Tank 17 erfüllt die Aufgabe eines Zwischenspeichers (Langzeitspeichers) bis zum nächsten abzurufenden Energiebedarf. Je nach Auslegung der Tankgröße kann auch für längere Zeit hiermit die z.B. jahreszeitliche Fluktuation (Winter/Sommer) des lokalen Energieangebots, z.B. durch Photovoltaik, Windenergie und Wasserkraft, ausgeglichen werden. Aus dem Tank 17 und auch über weitere in der Fig.1 nicht dargestellte Zwischentanks, kann überschüssiges, produziertes Energiespeichermedium, hier Methan, auch an externe Verbraucher 18 (z.B. bei dezentral verbundenen Energieversorgungsanlagen) zur weiteren Nutzung abgegeben werden. Zur Wärme- und/oder Stromerzeugung im Wandler 9, bietet sich ensprechend der jeweils vor Ort erforderlichen Konfiguration, zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades die Kraftwärmekopplung (KWK) bzw. Kraftwärmekältekopplung (KWKK), z.B. der Einsatz sogenannter Blockheizkaftwerke (wie Mikro-BHKWs), und von Gasheizungen, Gasmotoren, Mikro-Turbinen, Nieder- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen und sogenannten katalytischen Brennern an.

Ein Steuerungs- und Regelungssystem 19 sorgt letztlich für eine wirtschaftlich optimale Betriebsweise der dezentralen Energieversorgungsanlage abgestimmt auf die jeweilige, zeitabhängige Energieangebot und den Verbrauch (Last).

Durch eine vorhandene Fernabfrage und -Steuerung können auch mehrere dezentrale Energieversorgungsanlagen aufeinander eingestellt, abgestimmt und (virtuell) zu einem großen Energiespeicher zusammengeschaltet werden.

Hierdurch ist es beispielsweise möglich beim Angebot von preisgünstigen, z.B. (regenerativen) Strom große Mengen auf dem Markt nachzufragen. Veranschlagt man beispielsweise die mittlere Speicherkapazität einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage mit rd. 5 MWh (el) können 1000 haustechnische Installationen bis zu rd. 5 GWh (el) mehrmals im Jahr nachfragen. Dies entspricht etwa der Speichermenge von rd. 5 vergleichsweise großen und teuren Pumpspeicherkraftwerken.

Durch den Vergleich mit Fig. 1 sind verschiedene Betriebsweisen zu erkennen. In Fig. 1 sind zudem nötige Komponenten und Sekundäraggregate dargestellt. Je nach örtlichen Gegebenheiten und Anforderungsprofil müssen diese entsprechend dem Energiebedarf des jeweiligen Betreibers der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage angepasst werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage beim Verwenden von Alkoholen, hier Methanol, als erste chemische Verbindung (Speichermedium) für die Langzeitspeicherung von Energie ist in der folgenden Fig. 2 schematisch dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Energieversorgungsanlage in Fig. 2 unterscheidet sich nur geringfügig zum ersten Ausführungsbeispiel nach in Fig.1 .

So wird auch katalytisch unterstützt in der Regel durch einen heterogenen Katalysator, in mindestens einem Reaktor 20, Methanol aus Kohlendioxid und elektrolytisch erzeugten Wasserstoff vorzugsweise gemäß der folgenden Reaktionsgleichung :

GI.3 : C0 ₂ + 3H ₂ ^■ » CH ₃ OH + H ₂ 0 ( D HR = - 49,6 kJ/mol (298 K)),

mit exothermer Wärmetönung hergestellt.

Ein geeigneter, leistungsfähiger Katalysator wird z.B. in DE 69808983 12 beschrieben.

Das entstehende Methanol (CH ₃ OH) wird analog zur Methanisierung, vgl. Fig.1 , in einem nachfolgenden Separator 8, vom gleichzeitig entstandenen Wasser getrennt und die Prozess- und Reaktionswärme mittels eines Wärmetauschers 13, zur Warmwasserheizung 14 genutzt.

Anschließend kann das Methanol in einem Tank 1 7 bis zum Entstehen eines Energiebedarfes zwischengelagert werden. Das Methanol kann dann entweder als Kraft- und Brennstoff zur Wärme- und Stromerzeugung im Wandler 9 genutzt und/oder nach einer Reformierung in der Form von Wasserstoff, z.B. für den Einsatz in Brennstoffzellen bzw. katalytischen Brennern verwendet werden.

Das bei der Reformierung des Methanols entstehende Kohlendioxid kann z.B. mittels semipermeablen Membranen abgetrennt und zur Methanolherstellung dem Reaktor 20 wieder zugeführt werden. Die eintretenden Kohlendioxidverluste können auch analog, wie beim Ausführungsbeispiel Fig. 1 bereits beschrieben, durch Luftseparation, aus Carbonaten, Bicarbonaten und/oder aus der optionalen Erdgasversorgung durch Reformierung des Erdgases ausgeglichen werden.

Auch kann in einfacher Weise durch Nachtanken, z.B. vorzugsweise von CO ₂ - neutralen, aus Biomasse gewonnenen Methanol und nachfolgendes Reformieren, u.a. mittels Rohr- und Membranreaktoren zur Kohlendioxidseparation, der Kohlendioxidverlust (Kreislaufverlust) ersetzt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage beim Verwenden von Ameisensäure (Methansäure) als erste chemische Verbindung (Speichermedium) für die Langzeitspeicherung von Energie ist in der nachfolgenden Fig. 3 schematisch dargestellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden im Vergleich zu den schematischen Darstellungen Fig. 1 und Fig. 2 bevorzugt zwei chemische Reaktoren 21 , 22 mit unterschiedlichen Aufgaben verwendet. So dient ein Reaktor 21 zum Herstellen (Hydrieren des Kohlendioxids) von Ameisensäure aus Kohlendioxid und Wasserstoff, wohingegen ein weiterer Reaktor 22 bei Energiebedarf zum Zersetzen (Dehydrieren) der Ameisensäure in Wasserstoff und Kohlendioxid nach erfolgter Zwischenlagerung der Ameisensäure im Tank 17 eingesetzt wird.

Hierbei können beispielsweise im Vergleich zu einem sogenannten Einreaktorkonzept, bei dem der Reaktor 21 und der Reaktor 22 sowie der Tank 17 zu einem einzigen neuen Reaktor mit einem einzigen Katalysator zusammengefasst ist und die Richtung der Reaktion über den Druck und die Temperatur gesteuert wird, die Reaktoren kleiner und effektiver aufeinander hinsichtlich der Umsätze abgestimmt gestaltet werden. Die Lagerung der Ameisensäure kann dann außerhalb der Reaktoren in einem separaten Tank 17 erfolgen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist der mögliche vollständig unabhängige Betrieb beider Reaktoren. Zudem können hierbei auch unterschiedliche Katalysatoren eingesetzt werden.

Die Herstellung und Zersetzung der Ameisensäure erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von heterogenen und/oder homogenen Katalysatoren, z.B. auf der Basis von Ruthenium, Silber, Palladium und/oder Eisenkomplexen, z.B. Eisen(ll)-Komplexen, bei moderaten Drücken und Temperaturen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.

Da das bei der Dehydrierung im Reaktor 22 anfallende Gasgemisch nahezu vollständig aus Wasserstoff und Kohlendioxid besteht, lässt sich dieses vergleichsweise einfach z.B. mittels semipermeablen Membranen separieren und das Kohlendioxid zum Reaktor 21 im Kreislauf für weitere Hydrierungen zurückführen.

Der erhaltene Wasserstoff kann zur Wärme- und Stromerzeugung im Wandler 9 verwendet werden. Hierzu können ähnliche Komponenten und Sekundäraggregate, wie bei den Ausführungsbeispielen Fig. 1 und Fig. 2, z.B. Brennstoffzellen, Verbrennungsaggregate, eingesetzt werden.

Bei einem sehr hohen Energieverbrauch ist es beispielsweise auch möglich die Wasserstofferzeugung durch den Reaktor 22 mit der Wasserstoffproduktion des Elektrolyseurs 5 zu kombinieren. Andere Betriebsweisen können ferner jeweils nach dem zeitlichen Anfall der Elektroenergie und des zeitabhängigen Energieverbrauchs (Last) ausgewählt und eingestellt werden.

An der Stelle des Reaktors 22 ist es zudem möglich auch eine sogenannte Ameisensäure-Brennstoffzelle (in der Fig. 3 nicht dargestellt) in die Energieversorgungsanlage zu integrieren. Auch können noch weitere chemische Reaktoren in die Energieversorgungsanlage integriert werden mit denen die Herstellung von zweiten chemischen Verbindungen, wie z.B. Kraftstoffen und Brennstoffen, möglich ist.

Der optionale Erdgasnetzanschuss 3 kann ferner zur energetischen Versorgung der Energieversorgungsanlage genutzt werden. Dies kann z.B. durch Zumischung von Erdgas zu Wasserstoff oder die alleinige Verwendung von Erdgas zur Wärme- und Stromerzeugung im Wandler 9 geschehen. Beispielweise können die Gasbrenner für die Heizungsanlagen doppelt oder entsprechend für die jeweilige Betriebsweise ausgelegt sein.

Das Erdgas kann auch als Quelle für im Kreislauf verloren gegangenes Kohlendioxid benutzt werden.

So kann Erdgas auch in diesem Ausführungsbeispiel durch einen separaten Reformer 6 und/oder mit einer oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen in CO2 und Wasserstoff, z.B. mittels eines Nickelkatalysators, aufgetrennt werden. Der hieraus erzeugte Wasserstoff lässt sich dann einerseits zur weiteren Energieerzeugung verwenden und/oder andererseits gemeinsam mit dem Kohlendioxid für die Produktion der Ameisensäure in Reaktor 21 einsetzen.

Auch kann, wie bei den anderen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, durch einfaches Nachtanken von Ameisensäure der Kohlendioxidverlust ausgeglichen werden.

Im Vergleich zu den anderen Ausführungsbeispielen Fig. 1 und Fig. 2 entfällt bei diesem Beispiel die Nutzung der Reaktionswärme, da diese nur gering ist. Bezugszeichenliste

1 Elektroenergieversorgung

2 Elektronetzanschluss

3 Erdgasnetzanschluss

4 elektrischer Kurzzeitspeicher

5 Elektrolyseur

6 Reformer

7 Reaktor

8 Separator

9 Wandler

10 Kohlendioxidtank

1 1 Gasseparator

12 Gasseparator

13 Wärmetauscher

14 Warmwasserheizung

15 Elektroenergieverteiler

16 Klimaanlage

17 Tank

18 externer Verbraucher

19 Steuer- und Regelsystem

20 Reaktor

21 Reaktor

22 Reaktor