Es sind bereits zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Energie und/oder Methanol aus organischen Rohstoffen bekannt.

Einige dieser Verfahren und Vorrichtungen beruhen auf dem Prinzip, daß ein organisches Material einer kontrollierten Oxidation unterzogen wird, wobei der Energieträger Wasser- stoff entsteht. Der gewonnene Wasserstoff wird entsprechend dem jeweiligen Strombedarf einer Brennstoffzelle zugeführt und verstromt. Da eine Speicherung von nicht benötigtem gasförmigem Wasserstoff aufwendig ist und insbesondere bei einem Einsatz in Privathaushalten hohen Sicherheitsanforde- rungen genügen muß, wird Wasserstoff zur Speicherung seines Energiegehalts üblicherweise mit Kohlenmonoxid oder Kohlen- dioxid katalytisch zu dem flüssigen Energieträger Methanol umgesetzt, aus dem bedarfsgerecht durch eine Reformierreak- tion Wasserstoff zurückgewonnen und verstromt werden kann.

In der DE 196 44 684 A1 ist ein Verfahren zur Speicherung von in Form von Wasserstoff vorliegender Energie offenbart, wobei insbesondere aus Abgasen anfallendes Kohlendioxid nach Mischung mit dem Wasserstoff in einem Reaktor zu den Energieträgern Methan, Methanol oder Ethanol umgesetzt wird.

In der DE 44 30 750 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Biorohstoffen offenbart, wobei aus den Biorohstoffen durch Teiloxidation mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in einem Oxi- dationsreaktor ein wasserstoff-und kohlenmonoxidhaltiges Brennstoffrohgas erzeugt wird. Aus dem Brennstoffrohgas wird der Wasserstoffanteil durch Reaktion mit einem Spei- chermaterial, insbesondere mit einem sogenannten Hydrid- speicher oder mit Metalloxiden, zwischengespeichert, so daß eine schnelle, bedarfsgerechte Entnahme des Wasserstoffs aus dem Speicher und die Weiterleitung zur Verstromung in ein Brennstoffzellenmodul möglich ist.

In der DE 197 34 259 A1 sind ein Verfahren und eine Vor- richtung zur Erzeugung von Wasserstoff im Zuge der Verga- sung von Biorohstoffen offenbart, wobei der Biorohstoff in Anwesenheit von zugeführtem Wasserdampf in einem Verdamp- fungsreaktor zu einem Wasserstoff enthaltenden Rohgas ver- gast wird. Der Wasserstoffanteil des Rohgases wird in be- sonders hoher Reinheit von dem Restgas abgetrennt und kann entweder in einer Brennstoffzelle verstromt, durch Synthese mit Kohlendioxid als Methanol gespeichert oder für andere Zwecke verwendet werden. In diesem Verfahren wird zur Erhö- hung des Wirkungsgrades auch der Energiegehalt des wasser- stoffarmen Restgases genutzt, indem es entweder in einem geschlossenen Kreislauf zur Erzeugung von Wärmeenergie für die Wasserdampferzeugung oder außerhalb des Kreislaufs ver- brannt wird.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie bzw. Methanol zu schaffen, bei dem bzw. der zur Erzielung eines besonders wirtschaftlichen Betriebs eine optimierte Ausnutzung des Energiegehalts des organischen Ausgangsmaterials erfolgt und gleichzeitig die Anteile freigesetzter bzw. gespeicherter Energie bedarfsgerecht re- gelbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 11 vorgeschla- gen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Energie umfaßt die folgenden Schritte : 1. Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine unter Erzeugung von mechanischer Energie und kohlendi- oxid-und wasserdampfhaltigem Abgas, 2. Reduktion der Abgaskomponenten Kohlendioxid und Wasser in einer organisches Material enthaltenden Umgebung zu einem Synthesegas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, 3. Zuführen des in Schritt 2 erzeugten Synthesegases in die Brennkraftmaschine.

Zur Erzeugung von Methanol wird gemäß Anspruch 7 zwischen Schritt 2 und 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Methanolsynthese eingefügt.

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind für ei- nen Kreislaufbetrieb ausgelegt, aus dem an verschiedenen Stellen Energie in Form von elektrischer Energie (Strom), Wärmeenergie und gespeicherter chemischer Energie (Metha- nol) entnommen und/oder zugeführt werden kann, wobei die Entnahme und die Zufuhr bedarfsgerecht regelbar sind und somit eine optimierte Nutzung des Energiegehalts des orga- nischen Ausgangsmaterials erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird somit ein Brennstoff, der vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltig und flüssig bzw. gasförmig ist, bei Zufuhr von Luft bzw. Sauerstoff in einer Brennkraftmaschine unter Erzeugung von mechanischer Energie, Abgas und Wärme- energie verbrannt. Das aus der Brennkraftmaschine freiwer- dende Abgas, das Kohlendioxid und Wasserdampf enthält, wird einem thermo-chemischen Reaktor zugeführt, in dem organi- sches Material, wie beispielsweise Biomasse, Kohle, organi- sche Abfälle und dergleichen, vorhanden ist. In dem thermo- chemischen Reaktor wird Kohlendioxid und Wasser aus dem Ab- gasstrom aus der Brennkraftmaschine zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reduziert, während das organische Material oxi- diert wird. Die für die Reaktion erforderliche Temperatur wird durch mitgeführte Wärmeenergie des Abgasstroms er- zeugt. Sofern die durch das einströmende Abgas erzielbare Temperatur nicht ausreicht, um die Reaktion einzuleiten bzw. aufrechtzuerhalten, kann ein Teil des heißen Ab- gasstroms aus der Brennkraftmaschine von dem Gesamtstrom abgetrennt und als äußere Wärmezufuhr zur Beheizung des thermo-chemischen Reaktors vorgesehen werden und/oder durch Zufuhr von Sauerstoff bzw. Luft das für den Ablauf der Re- aktion erforderliche Temperaturniveau erhöht werden. Vor- teilhafterweise beträgt die Temperatur des heißen Abgases zwischen etwa 900 °C und etwa 1.000 °C. Somit wird das hei- ße Abgas aus der Brennkraftmaschine als wertvoller Energie- träger direkt genutzt, während die durch die Brennkraftma- schine erzeugte mechanische Energie für weitere Zwecke zur Verfügung steht. In dem thermo-chemischen Reaktor wird unter den geeigneten Druck-und Temperaturverhältnissen ein kohlenmonoxid-und wasserstoffhaltiges Synthesegas erzeugt. Das Synthesegas kann weitere nicht störende Bestandteile, wie beispielswei- se Kohlendioxid oder Methan, und nicht erwünschte bzw. stö- rende feste, flüssige und/oder gasförmige Bestandteile, wie beispielsweise Schwebstoffe oder schwefelhaltige Gase, ent- halten. Die störenden bzw. nicht erwünschten Bestandteile können sich nachteilig auf weitere Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens auswirken, z. B. können sie eine Kataly- satorvergiftung bewirken. Daher ist ein nachgeschalteter Filtrationsschritt zur Entfernung der nicht erwünschten bzw. störenden Bestandteile vorgesehen.

Das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltende, durch den Filtrationsschritt gereinigte Synthesegas aus dem thermo- chemischen Reaktor wird in einer Gasmischeinheit mit Luft- sauerstoff oder Sauerstoff aus einem Sauerstofftank ge- mischt und der Brennkraftmaschine als Brennstoff zugeführt. Somit wird die Versorgung des thermo-chemischen Redoxpro- zesses mit heißem Abgas sichergestellt.

Sofern mehr Synthesegas hergestellt wird, als für den Be- trieb der Brennkraftmaschine erforderlich ist, kann alter- nativ dazu aus dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthalten- den, durch den Filtrationsprozeß gereinigten Synthesegas in einem Reaktor, der einen geeigneten Katalysator enthält, nach einem üblichen Verfahren aus Kohlenmonoxid und Wasser- stoff bzw. Kohlendioxid und Wasserstoff in einer exothermen Reaktion der Energieträger Methanol synthetisiert werden. Neben Wärmeenergie entstehen als Reaktionsprodukte Methanol und gegebenenfalls Wasser sowie nicht umgesetztes Synthese- gas. Die Reaktionsprodukte werden in einer nachgeordneten Kühleinheit abgekühlt. Das sich abscheidende Methanol kann in einen Tank geleitet und dort gespeichert werden. Nach Bedarf kann das gespeicherte Methanol als Brennstoff der Brennkraftmaschine zugeführt werden oder für weitere Zwek- ke, z. B. als Treibstoff für Kraftfahrzeuge zur Verfügung stehen.

Überschüssiges, nicht umgesetztes Syntheserestgas aus der Methanolsynthese wird wie oben beschrieben der Brennkraft- maschine zugeführt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird die durch die Brenn- kraftmaschine erzeugte mechanische Energie mittels eines Generators in Strom umgewandelt. Der Strom kann entweder für die Versorgung eines Privathaushaltes zur Verfügung stehen, in einer Batterie gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Stromer- zeugung eine Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenein- heit über einen Gasmischer mit Sauerstoff und Wasserstoff versorgt, wobei der Sauerstoff aus einem Sauerstofftank zu- geführt werden kann oder Luftsauerstoff sein kann und der Wasserstoff entweder aus dem durch den Filtrationsprozeß gereinigten Synthesegas stammt oder durch Reformierung aus dem gespeicherten Methanol gewonnen wird. Mit dieser Art der Stromerzeugung ist ein besonders hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung von gespeicherter chemischer Energie in elektrische Energie erzielbar. Zudem besteht durch die Nut- zung der chemischen Energie des gespeicherten Methanols die Möglichkeit zur Anpassung der Stromerzeugung an eine beste- hende Last. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann in den einzelnen Verfahrensschritten entstehende Wärme, insbesondere die Abwärme der Brennkraftmaschine, des Gene- rators, des Methanolreaktors und der Kühleinheit, einem Wärmespeicher zugeführt werden und beispielsweise für die Beheizung des thermo-chemischen Reaktors oder für die Be- heizung von Räumen zur Verfügung stehen.

In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Er- findung sind die Stoff-und Energieströme über eine Steue- rung, z. B. eine Mikroprozessor-Steuerung regelbar. Dies be- trifft insbesondere die Regelung der Abgaszufuhr aus der Brennkraftmaschine in den thermo-chemischen Reaktor, die Regelung der Gasströme in der Gasmischeinheit, die Überwa- chung und Regelung der Parameter der Methanolsynthese, die Temperatur-Regelung bei verschiedenen Verfahrensschritten, die Regelung der Energieströme des Wärmespeichers und die Überwachung des Füllstands bzw. die Regelung der Zufuhr des organischen Materials in den thermo-chemischen Reaktor. So- mit wird jederzeit eine optimale Versorgung der Elemente der einzelnen Verfahrensschritte mit Substraten und Energie erreicht. Gleichzeitig wird der Energiegehalt der Brenn- stoffe optimal genutzt und eine Anpassung von Energiegewin- nung und Energiespeicherung an den jeweiligen Bedarf ermög- licht.

Zur weiteren Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie und/oder Methanol insbesondere zur Durchführung des vorste- hend beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen. Die erfin- dungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Brennkraftmaschine, ei- nen der Brennkraftmaschine nachgeordneten thermo-chemischen Reaktor zur Reduktion von in der Brennkraftmaschine erzeug- tem kohlendioxid-und wasserdampfhaltigem Abgas zu einem Synthesegas, das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält. Zur Erzeugung von Energie ist eine Zuleitung des Synthesegases in die Brennkraftmaschine vorgesehen. Für die Erzeugung von Methanol ist ein dem thermo-chemischen Reaktor nachgeordne- ter Methanolreaktor zur Synthese von Methanol aus dem Syn- thesegas des thermo-chemischen Reaktors vorgesehen, wobei eine Zuleitung von Syntheserestgas und/oder Methanol aus der Methanolsynthese in die Brennkraftmaschine erfolgt.

Für die Erzeugung von Strom ist in vorteilhafter Ausgestal- tung der Erfindung ein durch die Brennkraftmaschine an- treibbarer Generator vorgesehen. Weiterhin kann eine dem thermo-chemischen Reaktor nachgeordnete Brennstoffzellen- einrichtung zur Erzeugung von Strom aus Methanol und/oder aus zumindest einem Teil des in dem thermo-chemischen Reak- tor erzeugten Wasserstoffs vorgesehen sein.

Zur Speicherung von Energie ist in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Wärmespeicher zur Speicherung von mit der Vorrichtung erzeugter Wärme vorge- sehen. Der Wärmespeicher dient zur Speicherung insbesondere der Abwärme aus den exothermen Verfahrensschritten, bei- spielsweise der Brennkraftmaschine, des Generators, der Methanolsynthese und/oder der Kühleinheit. Die gespeicherte Abwärme wird in dem endothermen Verfahrensschritt im ther- mo-chemischen Reaktor oder für andere Zwecke genutzt. Wei- terhin ist ein Methanoltank zur Speicherung des syntheti- sierten Methanols vorgesehen, wobei bei Bedarf das gespei- cherte Methanol in die Brennkraftmaschine und/oder die Brennstoffzelleneinrichtung zuführbar ist.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden un- ter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in stark schematischer Blockbild- Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Energie und Methanol.

Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Erzeugung von Energie und Methanol mit einer Brennkraftma- schine 12, die einen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff unter Erzeugung von mechanischer Energie, heißem Abgas und Abwärme verbrennt. Die erzeugte mechanische Energie wird mittels eines Generators 16 in Strom umgewandelt, welcher entweder in einer Batterie 18 gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist oder direkt, beispielsweise in einem Privathaushalt, genutzt werden kann. Die Abwärme der Brenn- kraftmaschine 12 und die Abwärme des Generators 16 werden einem Wärmespeicher 26 zugeführt. Die Brennkraftmaschine 12 wird über eine Brenngasleitung 24 aus einem Gasmischer 22 mit dem gasförmigen Brennstoff und Sauerstoff versorgt.

Das aus der Brennkraftmaschine freiwerdende Abgas enthält Kohlendioxid und Wasser und sollte vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1.000°C aufweisen. Das heiße Abgas wird über eine Abgasleitung 20 in einen thermo- chemischen Reaktor 28 eingeleitet. In den thermo-chemischen Reaktor 28 wird über eine Schleuse 32 organisches Material aus einem Vorratsbehälter 30 eingefüllt. Der Füllstand des Behälters 30 sowie die durch die Schleuse 32 einzufüllende Menge des organischen Materials wird vorzugsweise durch ei- ne Steuerung 14 geregelt.

Das in den thermo-chemischen Reaktor 28 eingeschleuste or- ganische Material wird durch den heißen Abgasstrom aus der Brennkraftmaschine 12 auf etwa 900 °C bis etwa 1.000 °C er- hitzt. Sofern die durch den Abgasstrom mitgeführte Wärme- menge nicht zur Erreichung der erforderlichen Temperatur ausreicht, wird ein Teil des heißen Abgasstroms abgetrennt und zur Beheizung des thermo-chemischen Reaktors 28 verwen- det. Zusätzlich kann gespeicherte Wärmeenergie aus dem Wär- mespeicher 26 eingesetzt werden. Weiterhin besteht die Mög- lichkeit, die Temperatur durch Zufuhr von Sauerstoff bzw.

Luft aus dem Gasmischer 22 über eine erste Sauerstofflei- tung 34 in den thermo-chemischen Reaktor 28 zu erhöhen. In dem thermo-chemischen Reaktor 28 wird bei den genannten Temperaturverhältnissen Kohlendioxid und Wasser zu einem Synthesegas reduziert, während das organische Material oxi- diert wird.

Das Synthesegas wird über eine Synthesegasleitung 38 aus dem thermo-chemischen Reaktor abgeführt. Unter den in dem thermo-chemischen Reaktor 28 einzustellenden Temperatur- und Druckverhältnissen enthält das Synthesegas hauptsäch- lich Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Als Nebenbestandteile des ausgeschleusten Synthesegases können Kohlendioxid, Methan, Wasser und Schwebstoffe auftreten. Als weiteres Produkt der in dem thermo-chemischen Reaktor 28 ablaufenden Redoxreaktion fällt Asche an, die hauptsächlich aus minera- lischen und nicht vollständig oxidierten Bestandteilen des ursprünglichen organischen Materials besteht. Die Asche fällt in einen Aschenbehälter 36. Der Füllstand des Aschen- behälters 36 und seine Leerung werden vorzugsweise durch die Steuerung 14 überwacht und geregelt.

Das in dem thermo-chemischen Reaktor 28 erzeugte Synthese- <BR> <BR> <BR> <BR> gas wird über die Synthesegasleitung 38 über eine Filtrati- onseinheit 40 geleitet. In der Filtrationseinheit 40 wird das Synthesegas zunächst von festen und flüssigen Schweb- stoffen befreit und vorzugsweise auch von weiteren z. B. schwefelhaltigen Minorkomponenten, die nachfolgende kataly- tische Schritte stören würden, befreit. Das über die Fil- trationseinheit 40 gereinigte Synthesereingas, das haupt- schlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, kann entwe- der direkt in die Gasmischeinheit 22 geleitet und von dort aus über die Brenngasleitung 24 der Brennkraftmaschine 12 als Brennstoff zugeführt werden oder einem Methanolreaktor <BR> <BR> <BR> <BR> 44 zugeführt werden. In dem Methanolreaktor 44 ist ein für die Methanolsynthese geeigneter Katalysator vorgesehen. Je nach Zusammensetzung des Synthesereingases können folgende Reaktionen ablaufen : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> CO + 2H2- CH30H<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> CO2 + 3H2 o CH30H + H20 Als Produkte der Methanolsynthese werden Methanol und nicht umgesetzte Bestandteile des Synthesereingases über eine er- ste Reingasleitung 46 in einen Kühler 48 geleitet. In dem Kühler 48 scheidet sich Methanol und gegebenenfalls Wasser ab, während das verbleibende Gas über eine zweite Reingas- <BR> <BR> <BR> leitung 54 in den Gasmischer 22 geführt wird, dort mit Sau- erstoff bzw. Luft gemischt wird und über die Brenngaslei- tung 24 als Brennstoff der Brennkraftmaschine 12 zugeführt werden kann. Das sich in dem Kühler 48 abscheidende Metha- nol kann über eine Methanolleitung 52 in einen Methanoltank 50 überführt und dort gespeichert werden. Das gespeicherte Methanol steht bei Bedarf als Brennstoff für die Brenn- kraftmaschine 12 zur Verfügung oder kann für andere Zwecke, z. B. als Treibstoff für Kraftfahrzeuge zur Verfügung ste- hen. Die Abwärme aus dem Methanolreaktor 44 und dem Kühler 48 wird vorteilhafterweise in den Wärmespeicher 26 über- führt und dort gespeichert.

Über die Steuerungseinheit 14 kann vorteilhafterweise auch die Gaszufuhr und Mischung in dem Gasmischer 22 geregelt werden. Dabei bezieht der Gasmischer 22 über eine zweite Sauerstoffleitung 58 Sauerstoff aus einem Sauerstofftank 56 oder Luft, der bzw. die für die Versorgung des thermo- chemischen Reaktors 28 und der Brennkraftmaschine 12 erfor- derlich ist, und gasförmigen Brennstoff, gegebenenfalls un- ter Zwischenspeicherung eines Teiles des gasförmigen Brenn- stoffs als Methanol, über die zweite Reingasleitung 54 zur Versorgung der Brennkraftmaschine 12.

Mit der Erfindung werden somit mit hohem Wirkungsgrad aus kostengünstig zur Verfügung stehendem organischen Material Strom, Wärme und der Energieträger Methanol erzeugt. Die Anordnung der Vorrichtung in einem Kreislaufbetrieb erlaubt eine bedarfsgerechte Regelung der Stoff-und Energieströme.

Auch wenn kein organisches Material zur Verfügung steht, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung grundsätzlich jeder- zeit mit im Rahmen des Verfahrens erzeugtem Methanol oder anderen externen Brennstoffen betrieben werden, wodurch ei- ne Energieversorgung sichergestellt wird. Das erfindungsge- mäße Verfahren und die Vorrichtung sind daher insbesondere für einen Einsatz in Privathaushalten geeignet, wenn eine weitgehend autarke Energieversorgung erwünscht ist. Im Hin- blick auf die Erzeugung von regenerativer Energie kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im großen Maßstab als Al- ternative zu Blockheizkraftwerken eingesetzt werden.