GASSPEICHER UND VERFAHREN ZUM SPEICHERN VON ZUMINDEST ZWEI GASEN

Abstract

 Um - insbesondere für eine Energieversorgungsanlage im Bereich der Gebäudetechnik - zwei komplementäre Gase, beispielsweise Methan und Kohlenstoffdioxyd in einem gemeinsamen Druckbehälter zuführen, speichern und entnehmen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Gasspeicher eine Einrichtung zum mechanisch getrennten Speichern von zumindest zwei Gasen in dem einen Gasbehälter aufweist. Eine flexible Trennschicht, vorzugsweise ein Gewebe, Gewirke, oder eine Folie ist so ausgebildet, dass zwei getrennte Teilvolumina innerhalb des Gasspeichers ausgebildet und unterschiedliche Druckverhältnisse zweier Gase durch eine Änderung der Teilvolumina ausgeglichen werden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Gasspeicher für das getrennte Speichern von zumindest zwei Gasen sowie Verfahren zum Speichern von zumindest zwei Gasen sowie Anwendungen dazu.

Stand der Technik

[0002] Die beiden komplementären chemischen Prozesse des Verbrennens von Gasen oder Flüssigkeiten zur Energiegewinnung und des Erzeugens verbrennbarem Gas aus den entsprechenden Brennabgasen unter Energiezufuhr (sogenanntes "Power-to-Gas") scheint eine der Schlüsseltechnologien zur Dekarbonisierung des Energiesektors zu sein. Als technische Basis wird dabei - rein beispielhaft - auf eine Studie "Hylining", Bregenz Dez. 2020 von Christof Drexel (www.drexelreduziert.at) hingewiesen. Möglich ist es das Kohlenstoffdioxyd direkt aus der Luft zu "ernten". Ein solcher Prozess gemäss dem Stand der Technik soll hier - exemplarisch - kurz skizziert werden:
Die Energieumwandlung beinhaltet dabei die Prozessschritte Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse, Kohlenstoffdioxydextraktion aus der Luft, aus lokalen Quellen wie Kehrichtverbrennungsanlagen, Abwasserwasserreinigungsanlagen, oder Biogasanlagen etc., exotherme Methanerzeugung mittels eines Sabatier-Reaktors und die Rückverstromung mittels Brennstoffzellen oder einfache Verbrennung. Die Prozesswärme kann dabei genutzt werden. Dabei scheitern diese Prozesse oft an der technischen und wirtschaftlich vertretbaren Verfügbarkeit von klimaneutralem Kohlendioxid, da der Anteil an natürlichem Kohlenstoffdioxyd in der Atmosphäre - im Sinne der oben beschriebenen Prozesse - mit ca. 400ppm technisch gesehen recht klein und die Gewinnung von "reinem" Kohlenstoffdioxyd teuer und aufwändig ist und durch eben diesen technischen Aufwand die Energiebilanz massiv verschlechtert wird, "Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz" Teske et al., eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) und Paul-Scherrer Institut (PSI).

[0003] Es sollte hier betont werden, dass der Begriff Verbrennung in diesem Schutzrecht allgemein so verwendet wird, dass jede Gasumwandlung zur Energiegewinnung eingeschlossen ist, insbesondere eben auch die Energiegewinnung mittels Brennstoffzellen.

[0004] In dem wohlbekannten Prozess wird dabei Methan "verbrannt" und das zu seiner Erzeugung (eben "power-to-gas") eingesetzte Kohlenstoffdioxyd wieder frei. Wenn die Erzeugung und Nutzung am selben Ort stattfinden, so kann das bei der Verbrennung freigesetzte Kohlenstoffdioxyd aus dem Prozessabgas der Brennstoffzelle oder des Reformers extrahiert und gespeichert und für die erneute Erzeugung von - beispielsweise - Methan rezykliert werden. Die oben genannte Voraussetzung des zweiseitigen Prozesses am gleichen Ort ist insbesondere beim Strom- und Wärmespeicher im Gebäudesektor gegeben. Üblicherweise wird dabei das Methan (oder verallgemeinert das Brenngas) in Druckspeichern - beispielsweise in Gasflaschen mit 100 bis 200 bar oder in Kugeltanks gespeichert. Es ist allerdings zu bedenken, dass die Verstromung (als Verallgemeinerung der Verbrennung) in der Gebäudewärmetechnik vornehmlich im Winter anfällt, aber im Sommer bei der Energiespeicherung ("power-to-gas") eher im Sommer anfällt, also saisonal gespeichert werden muss. Damit wird bei der Speicherung auch des Kohlenstoffdioxyds der Speicheraufwand - gegenüber der einfachen Methanspeicherung - verdoppelt, was möglichst vermeiden werden soll.

[0005] Ein solcher Prozess und eine dafür möglicherweise geeignete Anlage sind in der WO-A-2013/029701 beschrieben, wobei die dort aufgezeigten Ansätze für eine Energieversorgungsanlage für die Realisierung nicht immer notwendig sind. Insbesondere die Verbindung zu externen Quellen - Stromversorgung vs. Stromrückspeisung in ein lokales Netz, Ausgleich von Methan und Kohlenstoffdioxydverlusten etc. - scheint bei einer Restriktion auf ein autarkes System nicht optimal zu sein.

[0006] Bisher scheint im Stand der Technik davon ausgegangen zu werden, dass die Gase in getrennten Speichern gespeichert werden sollen. Dabei kann aber zunächst die Dimensionierung der beiden Speicher in Frage gestellt werden. Hier soll - eher beispielhaft - eine Dimensionierung erörtert werden. Wenn man davon ausgeht, dass ein elektrischer Energiebedarf (Strombedarf) von 10 000 KWh pro Jahr und ein saisonaler Speicherbedarf von 2 000 KWh vorliegt, ergibt sich bei einem Wirkungsgrad der Verstromung mit Brennstoffzellen von ca. 50 Prozent ein Speicherbedarf von ca. 300 kg Methan. Daraus folgen dann die nachstehenden Berechnungen. Bei Temperaturen von -10° bis +35°C kann mit Speichern von 4,6 m³ für einen Druck von 100 bar bzw. - alternativ - mit 2,6m³ für einen Druck von 200 bar gerechnet werden. Da die Molzahl aufgrund der Stöchiometrie im Prozess - unbeschadet möglicher Verluste, die dann durch Wiederzufuhr des entsprechenden Gases in den Kreislauf ergänzt werden - konstant ist, wird hier kurz der Zustand im Speicher betrachtet, wenn er mit den reinen Stoffen (Methan und Kohlenstoffdioxyd) befüllt ist. Dabei wird eine maximale Speichertemperatur von 35° C betrachtet. Es ist zu bemerken, dass das Methan im gesamten Betriebsbereich gasförmig bleibt. Dagegen ist das Kohlenstoffdioxyd im Betriebsbereich für weite Teile flüssig. Dies führt dazu, dass die Stoffmenge an Kohlenstoffdioxyd bei gleicher Speichergrösse sehr viel grösser ist als die des Methans. Das benötigte Volumen zur Speicherung der nötigen Menge an Kohlenstoffdioxyd ist als kleiner als für Methan. Theoretisch wäre der Kohlenstoffdioxydspeicher bei einem Druck von 200 bar etwa halb so gross und bei einem Druck von 100 bar etwa ein Viertel so gross wird der Methanspeicher. Da aber in der Praxis das Kohlenstoffdioxyd nicht über 60 bar gespeichert wird, kehren sich die Grössenverhältnisse dann um. Bei 100 bar im Methanspeicher müsste der Kohlenstoffdioxydspeicher um den Faktor 1,2 und bei 200 bar im Methanspeicher gar um einen Faktor von 2,6 grösser sein als der Methanspeicher. Insofern wären bei der getrennten Speicherung der beiden Reaktionsgase (hier beispielhaft Methan und Kohlenstoffdioxyd) beide Speicher wegen der unterschiedlichen Befüllung im Sommer und Winter erheblich überdimensioniert, was sehr nachteilig ist.

[0007] Weder die Aufgabenstellung noch die erfinderische Lösung ist dabei auf die Kombination von Kohlenstoffdioxyd und Methan beschränkt. Andere entsprechende Reaktionen sind unter Beteiligung von Methanol, Sauerstoff und Kohlendioxid oder Ammoniak und Stickstoff und auch noch anderen Kombinationen denkbar und möglich, wobei im ersten Fall Kohlenstoffdioxyd und Sauerstoff und im zweiten Fall eben Ammoniak und Stickstoff als Gase komplementär gespeichert werden.

Darstellung der Erfindung

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Speichersystem bereitzustellen, bei welchem zwei beteiligte Gase - vorzugsweise unter hohem Druck von eben 100 bis 200 bar - gespeichert werden können, ohne dass die oben geschilderten aufwändigen Nachteile der Speicherung in Kauf genommen werden müssen.

[0009] Die Aufgabe wird dabei durch einen Gasspeicher (Speichersystem) gemäss Anspruch 1 gelöst. Dabei haben die Massnahmen der Erfindung zunächst einmal zur Folge, dass die beiden beteiligten Gase in einem - vorzugsweise kugelförmigen - Drucktank gespeichert werden können. Der Druck bleibt dabei zumindest annähernd konstant, da im vorliegenden Beispiel ein Kohlenstoffdioxydmolekül mit einem Methanmolekül ausgetauscht werden. Leichte Verluste oder Verunreinigungen - beispielsweise des Methans im Sabatier-Reaktor oder des Kohlenstoffdioxyds in der Brennstoffzelle scheinen dabei unproblematisch.

[0010] Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten, die erfinderische Speicherung von zwei Gasen in einem Druckspeicher zu realisieren. Besonders vorteilhaft scheint dabei aber eine Speicherung mit einer Trennung der Gase im Druckbehälter zu sein, wobei -wenn man sich die Eigenschaft zunutze macht, dass immer oder annähernd die gleiche Gesamtmenge der beiden Gase gespeichert werden soll - die Trennung durch ein gasdichtes Gewebe oder eine gasdichte Folie ausgebildet wird. Dieses Gewebe oder die Folie sind dabei - erfindungsgemäss so dimensioniert, dass im Extremfall jeweils nur ein Gas vorhanden ist und das andere Gas nicht gespeichert ist. Besonders vorteilhaft erscheint dabei ein gasdichtes oder annähernd gasdichtes Gewebe zu sein, da damit Unabhängigkeit davon möglich ist, wie sich dieses Material im Druckbehälter "legt", also welches Falten etc. sich ausbilden und damit eine sehr hohe Lebensdauer der Einrichtung erreicht werden kann.

[0011] Bei der Trennung mittels eins gasdichten Gewebes oder einer gasdichten Folie ist es grundsätzlich möglich, in einem beispielsweise kugelförmigen Drucktank jeweils eine Öffnung zum Speichern (Einlass) und Entnehmen (Auslass) der beiden Gase auszubilden, vorzugsweise mit einer gemeinsamen Öffnung zum Einlass und Auslass. Bei einfachen Anwendungen scheint es aber vorteilhaft, herkömmliche Gasflaschen mit nur einer Öffnung zu verwenden, indem die Trennung durch eine ballon- oder sackförmige Ausgestaltung des gasdichten Gewebes oder eine gasdichte Folie erfolgt und das Speichern (Einlass) und Entnehmen (Auslass) des ersten Gases innen und des anderen Gases aussen in Bezug auf den Ballon bzw. dem Sack erfolgt. Dabei weist die "gemeinsame" Zuleitung eine Innenleitung für das erste Gas und eine Aussenleitung für das zweite Gas auf.

[0012] Alternativ kann der gemeinsame Speicher auch dadurch realisiert werden, dass ein beweglicher Zylinder in einem ebenfalls zylinderförmigen Gasspeicher ausgebildet ist (Gasometerprinzip).

[0013] Die vorteilhaften Anwendungen des erfindungsgemässen Gasspeichers für zumindest zwei Gase sind in den weiteren Patentansprüchen 9 bis 12 gegenständlich bzw. verfahrenstechnisch definiert.

[0014] Es wird dem Fachmann klar sein, dass der Begriff "gasdicht" im Sinne der vorliegenden Erfindung, insbesondere auf die Folien und beschichteten Gewebe nicht unbedingt eine 100-prozentige Dichtheit erfordert, insbesondere, da die Trennung jeweils von Gasen beabsichtigt ist, die - im Sinne einer Verbrennung etc. - nicht oder kaum miteinander reagieren können. Auch stellen kleine Verunreinigungen des Kohlenstoffdioxyds mit Methan im Sabatierreaktor oder Methan mit Kohlenstoffdioxyd in der Brennstoffzelle oder bei einer Verbrennung kein Problem dar.

[0015] Die vorbenannten, sowie die beanspruchten und in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäss zu verwendenden Elemente unterliegen in ihrer Grösse, Formgestaltung, Materialverwendung und ihrer technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0016] Ausführungsbeispiele des Gasspeichers werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung der Elemente und Abläufe beim Gebäudemanagement mit der Speicherung von Kohlenstoffdioxyd und Methan.

Figur 2

eine schematische Darstellung der Elemente und Abläufe beim Gebäudemanagement mit der Speicherung von Methanol und Sauerstoff,

Figur 3

eine Darstellung der koaxialen Zuführungs- uns Entnahmeeinrichtung zu dem Ausführungsbeispiel mit einem innenliegenden Ballon oder Sack,

Figur 4

eine Schnittzeichnung zu Figur 3,

Figur 5

ein Druck-/Dichtediagramm für das Kohlenstoffdioxyd bei den Ausführungsbeispielen gemäss der vorliegenden Erfindung, beispielhaft für eine Temperatur von 20°C

Figur 6

ein Diagramm der Volumenanteile von Methan und Kohlenstoffdioxyd und

Figur 7

ein Diagramm des Druckes in Abhängigkeit des Ladezustandes bei drei verschiedenen Temperaturen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0017] In Figur 1 sind die Elemente und Abläufe beim Gebäudemanagement mit der Speicherung von Methan und Kohlenstoffdioxyd gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die beteiligten Reaktoren und Einrichtungen - namentlich die Elektroenergieversorgung 10, die Elektrolysiereinrichtung 20 zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, der chemische Reaktor 30 zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methan (Sabatier Reaktor), der Wärmespeicher 40 zur Nutzung der Prozesswärme, einer Wärmepumpe 46, der im Ausführungsbeispiel als Brennstoffzelle realisierte Energiewandler 60 und der Gasseparator 70 sind hinlänglich bekannt und sind hier nur der Vollständigkeit wegen dargestellt. Der als Kern der vorliegenden Erfindung betrachtete Gasspeicher 50 zum Speichern von Kohlendioxid und Methan ist im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel für den Methanprozess als kugelförmiger Gasbehälter mit einem Volumen von ca. 4,6 m³ bei einem vorgesehenen Maximaldruck von 100 bar oder - alternativ von ca. 2,3 m³ bei einem Maximaldruck von 200 bar ausgelegt. Die Trennung erfolgt in diesem ersten Ausführungsbeispiel durch ein beschichtetes Gewebe gewährleistet, welches senkrecht ein etwa mittig in den kugelförmigen Gasspeicher so eingebracht ist, dass es die Gase, die sich auf der einen Seite befinden gasdicht von den Gasen, die sich auf der anderen Seite befinden, zu trennen vermag. Wesentlich für dieses Ausführungsbeispiel ist es, dass sich dieses Gewebe bei den unterschiedlichen Drückverhältnissen (beispielsweise Ende des Sommers mit maximaler Füllmenge an und maximalem Druck des Methans und Ende des Winters mit maximaler Füllmenge des und maximalem Druck des Kohlenstoffdioxyd) ohne wesentliche Druckunterschiede zwischen den Gasen "legen" kann. Dies wird geometrisch einfach dadurch erreicht, dass das Gewebe halbkugelförmig ausgebildet ist und sich bei den beiden beschriebenen Extremfällen der Befüllung jeweils an einer Wandinnenhälfte der Speicherkugel fast oder vollständig anschmiegt. Im Zustand der in etwa gleichen Befüllung mit Methan und Kohlenstoffdioxyd befindet sich das Gewebe somit - unter starker Faltenbildung - gleichmässig zwischen den beiden Gasen. Zwar kommen als Trennmaterial auch Folienverbunde, .z.B. Aluminium als Barriereschicht oder beschichtete Folien (beispielsweise mit Aluminium) in Betracht, allerdings scheinen beschichtete Gewebe besser geeignet zu sein, die Änderungen der Geometrie bei den unterschiedlichen Beladungen mit Kohlenstoffdioxyd und Methan aushalten zu können. Als Gewebe wird im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kunstfasergewebe (beschichtet) verwendet, nämlich aus hochfestem Kunstfasergewebe mit PVC/Polyurethan oder gummierter und gasdichter Spezialbeschichtung. Solche Materialien sind am Markt - insbesondere als Gasspeicherballone - erhältlich. Auf der linken und auf der rechten Seite der Kugel - vorzugsweise im oberen Bereich - ist jeweils ein Anschluss an den Gasspeicher mit einer Zuleitung vorgesehen, wobei jeder Anschluss ein Absperrventil aufweist, um den Gasspeicher zu trennen, wenn weder zu- noch abgeleitet werden soll (z. B. bei Wartungsarbeiten). Alternativ kann das beschichtete Gewebe auch horizontal - wieder in etwa mittig - angeordnet sein, so dass die Gase, die sich auf der oberen Seite befinden gasdicht von den Gasen, die sich auf der unteren Seite befinden, getrennt werden. In diesem Fall ist auf der oberen und auf der unteren Hälfte der Kugel jeweils ein Anschluss 80 an den Gasspeicher mit einer Zuleitung 81 vorgesehen, wobei jeder Anschluss wiederum ein Absperrventil aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das als Trennschicht verwendete Gewebe an der Innenseite des kugelförmigen Speichers- im Ausführungsbeispiel mittels eines Methylacrylat Klebstoffes - eingeklebt. Die Auswahl des Klebstoffes kann dabei selbstverständlich den verwendeten Materialien für die Trennschicht und das Metall des Gasspeichers selbst angepasst werden, wobei Methylacrylat Klebstoffe insbesondere für den Verbund der Trennschicht mit dem Metall der Gasspeichers geeignet zu sein. Es scheint aber für bestimmte Anwendungen vorteilhaft zu sein, wenn der kugelförmige Speicher aus zwei Halbkugeln zusammengesetzt ist, wobei die beiden Halbkugeln - in diesem Ausführungsbeispiel - jeweils einen herausstehenden Rand aufweisen und die beiden Randbereiche miteinander mittels Schrauben oder ähnlichen Mitteln gasdicht miteinander verbunden sind. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Trennschicht - beispielsweise aus Gewebe zwischen die beiden Randbereiche eingesetzt und so fest und gasdicht ausgebildet sein. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Trennschicht - sollte sie denn einmal beschädigt oder nicht mehr genügend gasdicht sein - durch lösen der beiden Kugelhälften einfach ausgetauscht werden kann.

[0018] Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Anlage mit dem erfindungsgemässen Gasspeicher ist nicht unbedingt als autarke Anlage vorgesehen. Zwar könnte man sich Einsätze in Gebäude abseits jeglicher Zivilisation vorstellen, bei der eine vollumfänglich autarke Ausführungsform sinnvoll und allenfalls notwendig wäre, eine nicht autarke Ausführung hat aber den Vorteil, dass überschüssige elektrische Energie ins Netz zurückgespeist werden kann, beispielsweise wenn die auf einen normalen Sommer ausgelegte Anlage durch besseres Wetter in einem Sommer mehr Solarstrom erzeugt hat als durchschnittlich vorgesehen, oder - im Falle einer neben der Solarstromerzeugung 10 zusätzlichen Stromerzeugung durch eine Windkraftanlage - mehr Windenergie zu einem vollständigen Befüllen des Gasspeichers mit Methan ermöglicht hat. Andererseits hat eine solche nicht autarke Anlage den Vorteil, dass beispielsweise nach einem sehr langen Winter, wenn das gespeicherte Methan vollständig verbraucht wurde und der Gasspeicher somit fast ausschliesslich Kohlenstoffdioxyd beinhaltet, die Auswahl besteht, zusätzliches Methan einzuspeisen und allenfalls - wegen des vollgefüllten Kohlenstoffdioxydspeichers - ohne weitere Speicherung des nunmehr anfallenden Kohlenstoffdioxyds weiter betrieben werden oder ob einfach Fremdstrom für die Übergangszeit verwendet werden soll. Alternativ kann auch - insbesondere zum Anfahren der Reaktorelemente - eine eigene Energieversorgung vorgesehen sein, wobei einerseits ein Kondensator, eine Batterie, andererseits aber auch ein mit fossilen Brennstoffen wie Benzin, Brenngas oder Diesel betriebener Stromaggregat mit kleinerer Leistung zum Einsatz kommen kann. Zur Veranschaulichung der Wärmeverbindungen sind in Figur 1 die Wärmeverbindung 43 von der Wärmepumpe 46 zum Wärmespeicher 40, die Wärmeverbindung 44 vom Wärmespeicher 40 zum Energiewandler 60 und zur Elektrolysiereinrichtung 20, die Wärmeverbindung 45 vom Wärmespeicher 40 zur Wärmepumpe 46, die optionale Verbindung 47 vom und zur Geothermie, die Wärmeverbindungen 49 zwischen dem chemischen Reaktor 30 und dem Wärmespeicher 40, Wärmeverbindung 61 vom Energiewandler 60 zum Wärmespeicher und die Wärmeverbindung 63 vom Elektrolyseur 20 zum Wärmespeicher 40 dargestellt. Die Gasleitungen 72 (Gasleitung Kohlenstoffdioxyd zum Speicher), 74 (Gasleitung Kohlenstoffdioxyd zum Sabatier Reaktor), 76 (Gasleitung Methan zum Speicher) und 78 (Gasleitung Methan zur Brennstoffzelle) sind zur Erläuterung eingezeichnet, wobei in der Darstellung jeweils eine Zu- und eine Entnahmeleitung beim Speicher eingezeichnet ist. Im Ausführungsbeispiel wird aber davon ausgegangen, dass der Speicher jeweils einen gemeinsamen Anschluss für Zu- und Entnahme aufweist und dass die Trennung dann mit einem Ventilsystem (nicht dargestellt) erfolgt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Energiewandler (Brennstoffzelle 60), der optionale Kurzzeitstromspeicher 48, die Elektrolysiereinrichtung 20 und die Elektroenergieversorgung (Solarstromanlage 10) mittels des Gleichstromnetzes 12 miteinander verbunden. Andererseits ist dieses Gleichstromnetz mit dem Wechselrichter und Gleichrichter 42 verbunden von dem aus die gesamte Wechselstromversorgung 14 des Gebäudes einschliesslich der externen Stromeinspeisung durch ein Netz, die Steuerelektrik und Steuerelektronik für die Anlage, also für alle angegebenen Einrichtungen, weiterhin für die Verdichter und Pumpen für das Methan und den Kohlenstoffdioxyd versorgt werden. Im Falle, dass auf den optionalen Kurzzeitstromspeicher 48 verzichtet wird, kann also der notwendige Betriebsstrom für die Steuerelektrik und-Steuerelektronik für die Anlage, also für alle angegebenen Einrichtungen, weiterhin für die Verdichter und Pumpen für das Methan und den Kohlenstoffdioxyd direkt aus dem externen Netz entnommen werden.

[0019] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Gasspeicher für die zumindest zwei Gase zylinderförmig in der Form einer herkömmlichen Gasflasche mit einem - wiederum herkömmlichen - Ventilanschluss ausgebildet. Da bei einer solchen herkömmlichen Gasflasche nur ein Anschluss vorhanden ist, ist die Trennschicht als Ballon oder Sack ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Gasspeicher einen - in den Figuren 3 und 4 dargestellten Koaxialanschluss 90 für zwei Gase auf. Eines der Gase - im Falle der Methan/Kohlenstoffdioxydspeicherung das Methan - wird innerhalb des Ballons oder des Sackes und das zweite Gas - hier also das Kohlenstoffdioxyd - wird ausserhalb des Ballons oder des Sackes gespeichert.

[0020] Die als Koaxialanschluss 90 ausgebildete Zuführ- und Entnahmeeinrichtung 81 für das Gas, welches innerhalb des Ballons oder des Sackes gespeichert wird, ist koaxial innerhalb der Zuführ- und Entnahmeeinrichtung 81 a für das andere Gas angeordnet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also Methan. Somit kann die herkömmliche Gasflasche einfach dadurch zur Anwendung kommen, dass ein solcher Sack oder Ballon eingeführt und mit diesem doppelten Anschluss mit den beiden Gasversorgungen verbunden wird. Der Ballon ist so dimensioniert, dass er sich an die Innenwände der Gasflasche anschmiegt. Der Druck innerhalb und ausserhalb des Ballons bleibt identisch - wie schon bei der Trennung durch eine vertikal oder horizontal ausgebildete Gewebeschicht auf den beiden Seiten. Der Koaxialanschluss weist für beide Gasleitungen jeweils ein Ventil 82, 82a auf.

[0021] Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das als Ballon verwendete Gewebe am Koaxialanschluss so angeklebt, dass die beiden Bereiche gasdicht getrennt sind. Es scheint aber für bestimmte Anwendungen vorteilhaft zu sein, wenn die Verbindung zwischen dem Ballon und dem Koaxialanschluss mittels einer mechanischen Verbindung, beispielsweise einer Schelle gasdicht verbunden ist. Dies hat wiederum den zusätzlichen Vorteil, dass die Trennschicht, also in diesem Fall der Ballon oder allenfalls der Sack - sollte er denn einmal beschädigt oder nicht mehr genügend gasdicht sein - durch Lösen der Schelle oder des ähnlichen Verbindungsmittels einfach ausgetauscht werden kann.

[0022] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt dabei nicht eine einzige herkömmliche Gasflasche zum Einsatz, deren Volumen für die oben berechneten Verhältnisse nicht ausreichend wäre, sondern eine als Flaschenbündel zusammengefasste Einrichtung mit jeweils herkömmlichen (handelsüblichen) Gasflaschen - im Ausführungsbeispiel von 12 Gasflaschen.

[0023] Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen fallen insbesondere die Nachteile der getrennten Speicherung der Gase weg, dass ein übermässig grosses Speichervolumen für das Kohlenstoffdioxyd nicht erforderlich ist. Wird der Druck des Kohlenstoffdioxyds von ca. 60 bar - je nach Temperatur - erreicht, so wird der Kohlenstoffdioxyd verflüssigt und kann durch weitere Zugabe von Methan weiter erhöht werden. Dadurch steigt die Dichte des Kohlenstoffdioxyds weiter an. Beispielhaft bei 20°C wird dieser Druck-/Dichtezusammenhang in Abbildung 5 dargestellt. Wie dort zu entnehmen ist, steigt die Dichte des Kohlenstoffdioxyds auch nach vollständiger Verflüssigung mit steigendem Druck weiter an. Die Volumenanteile der Beladung mit Methan (beginnend im Ursprung), gasförmigem Kohlenstoffdioxyd (beginnend beim Maximum im Beladezustand 0%) und im Gasspeicher in flüssiger Form vorliegendem Kohlenstoffdioxyd (beginnend bei ca. 38%) sind in Figur 6 - wiederum beispielhaft bei 20°C - gezeigt. Der Druck zu diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit vom Beladungszustand wird in Figur 7 bei -10°C (untere Kurve), 10°C (mittlere Kurve) und 30°C (obere Kurve) gezeigt.

[0024] In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 wird die Energieumwandlung mit Hilfe von Methanol durchgeführt, was grundsätzlich ebenfalls bekannt ist. In diesem Fall liegt der Brennstoff nicht gasförmig vor und die Speicherung von zwei Gasen ist hierbei nicht mit dem Brennstoff sinnvoll bzw. möglich. In diesem Fall bietet es sich aber an, die beiden am Prozess komplementär beteiligten Gase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxyd in einem Gasspeicher 52 zu speichern, wobei die Speicherung von Sauerstoff äquivalent zur vorstehend beschriebenen Speicherung von Methan vorgesehen ist. Das anfallende Methanol kann dabei in einem - von der Gasspeicherung räumlich getrennten - Flüssigkeitstank 95 gespeichert werden. Die Gasleitungen 75, 77 und 79, nämlich Kohlendioxyd zum Methanol Reaktor, Sauerstoff zum Speicher 52 und Sauerstoff zur Brennstoffzelle sind im Wesentlichen gleich wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Methan, haben jedoch selbstverständlich andere Anschlüsse, wobei die Anschlüsse vom und zum - herkömmlichen - Methanoltank mit 102 und 104 bezeichnet sind.

Bezuqszeichenliste

[0025] 

10

Elektroenergieversorgung, vorzugsweise Solarstromerzeugung

12

Gleichstromleitung

14

Wechselstromversorgung für das Gebäude und die Einrichtungen

16

Wärmeversorgung für das Gebäude

20

Elektrolysiereinrichtung

30

chemischer Reaktor zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methan

32

chemischer Reaktor zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methanol

40

Wärmespeicher

42

Wechselrichter

43

Wärmeverbindung von der Wärmepumpe zum Wärmespeicher

44

Wärmeverbindung vom Wärmespeicher zum Energiewandler und zur Elektrolysiereinrichtung

45

Wärmeverbindung vom Wärmespeicher zur Wärmepumpe

46

Wärmepumpe

47

optionale Verbindung von und zur Geothermie

48

Kurzzeitstromspeicher

49

Wärmeverbindungen zwischen dem chemischen Reaktor und dem Wärmespeicher

50

Gasspeicher zum Speichern von Kohlendioxid und Methan

52

Gasspeicher zum Speichern von Kohlendioxid und Sauerstoff

60

Energiewandler

61

Wärmeverbindung vom Energiewandler zum Wärmetauscher

63

Wärmeverbindung vom Elektrolyseur zum Wärmetauscher

70

Gasseparator

72

Gasleitung Kohlenstoffdioxyd zum Speicher

74

Gasleitung Kohlenstoffdioxyd zum Sabatier Reaktor

75

Gasleitung Kohlenstoffdioxyd zum Methanol Reaktor

76

Gasleitung Methan zum Speicher

77

Gasleitung Sauerstoff zum Speicher

78

Gasleitung Methan zur Brennstoffzelle

79

Gasleitung Sauerstoff zur Brennstoffzelle

80

Anschluss an den Gasspeicher

81, 81a

Zuleitung

82, 82a

Ventil dazu

90

Koaxialanschluss für 2 Gase

94

Volumenanteil Methan abhängig vom Ladezustand beispielhaft bei 20°C

96

Volumenanteil Kohlenstoffdioxyd (gasförmig) abhängig vom Ladezustand

98

Volumenanteil Kohlenstoffdioxyd (flüssig) abhängig vom Ladezustand

102

Flüssigleitung vom Methanoltank

104

Flüssigleitung zum Methanoltank

Ansprüche

1. Gasspeicher (50, 52) für zumindest zwei Gase, mit

- einem Druckbehälter

- jeweils einer Zuführ- und Entnahmeeinrichtung (80, 81, 82, 90) für jedes der genannten Gase,

wobei der Druckbehälter einem Gasdruck von zumindest 60 bar, vorzugsweise von 100 bar und höchst vorzugsweise von 200 bar standhält,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (50, 52) eine Einrichtung (70) zum mechanisch getrennten Speichern von zumindest zwei Gasen in dem einen Gasspeicher (50, 52) aufweist.

2. Gasspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Gasdruck und -temperatur zumindest eines der Gase im Gasspeicher (50, 52) verflüssigt gespeichert werden kann.

3. Gasspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum mechanisch getrennten Speichern eine im Gasspeicher angeordnete, gasdicht oder zumindest annähernd gasdicht ausgebildete flexible Trennschicht (70), vorzugsweise ein Gewebe, Gewirke, oder eine Folie aufweist, wobei die Trennschicht so ausgebildet ist, dass

- zwei getrennte Teilvolumina innerhalb des Gasspeichers (50, 52) ausgebildet werden,

- unterschiedliche Druckverhältnisse zweier Gase durch eine Änderung der Teilvolumina ausgeglichen werden.

4. Gasspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (50, 52) kugelförmig oder annähernd kugelförmig ausgebildet ist und die Trennschicht (70) so ausgebildet ist, dass der Gasspeicher (50, 52) von jedem der zwei Gase auch in Abwesenheit des jeweils anderen Gases gespeichert werden kann.

5. Gasspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht im Gasspeicher eingeklebt ist.

6. Gasspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kugelförmige oder annähernd kugelförmige Speicher aus zwei Teilen, vorzugsweise aus zwei Halbkugeln zusammengesetzt ist, wobei die beiden Teile jeweils einen vorzugsweise herausstehenden Rand aufweisen und die beiden Randbereiche miteinander mittels Schrauben oder ähnlichen Mitteln gasdicht miteinander verbunden sind.

7. Gasspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (50, 52) zylinderförmig ausgebildet ist.

8. Gasspeicher nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (70) als Ballon oder Sack ausgebildet ist, und eines der Gase innerhalb des Ballons oder des Sackes und das zweite Gas ausserhalb des Ballons oder des Sackes gespeichert wird.

9. Gasspeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführ- und Entnahmeeinrichtung (80, 81, 81a, 82, 82a, 90) für das Gas, welches innerhalb des Ballons oder des Sackes gespeichert wird, koaxial von der Zuführ- und Entnahmeeinrichtung (80, 81, 81a, 82, 82a, 90) für das Gas, welches ausserhalb des Ballons oder des Sackes gespeichert wird, umgeben wird und dass der Druckbehälter eine Öffnung zum Anschluss der beiden genannten Zuführund Entnahmevorrichtungen (80, 81, 81a, 82, 82a, 90) aufweist.

10. Gasspeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das als Ballon verwendete Gewebe am Koaxialanschluss (90) so angeklebt ist, dass die beiden Bereiche gasdicht getrennt sind oder dass die Verbindung zwischen dem Ballon und dem Koaxialanschluss mittels einer mechanischen Verbindung gasdicht verbunden ist.

11. Gasspeichereinrichtung mit einer Vielzahl von Gasspeichern nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei zumindest eine herkömmliche Gasflasche mit einem eingelassenen Ballon oder Sack als Gasspeicher zur Anwendung kommt.

12. Energieversorgungsanlage, mit einer Elektroenergieversorgung (10), mit zumindest einer Elektrolysiereinrichtung (20) zum elektrolytischem Trennen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, zumindest einem chemischen Reaktor (30) zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methan als chemischer Energieträger, wobei ein Wärmetauscher (40) zur Nutzung der exothermen Prozessenergie beim Erzeugen des genannten Energieträgers vorgesehen ist, zumindest einem Gasspeicher (50) zum Speichern von Kohlendioxid und Methan, sowie mit zumindest einem Energiewandler (60), der aus dem Energieträger Wärme und/oder elektrische Energie, und mit zumindest einem Gasseparator (70), der aus den Abgasen des zumindest einen Energiewandlers (60) Kohlendioxid separiert, wobei der zumindest eine Gasseparator (70) über eine Leitung mit dem Gasspeicher (10) verbunden ist, wobei der zumindest eine chemische Reaktor (30) zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methan ebenfalls über eine Leitung mit dem Gasspeicher (10) verbunden ist, und wobei Wärme- und Stromverbraucher der Haustechnik mit der Energieversorgungsanlage gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasspeicher (10) ein Gasspeicher für zumindest zwei Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Anwendung kommt.

13. Energieversorgungsanlage, mit einer Elektroenergieversorgung (10), mit zumindest einer Elektrolysiereinrichtung (20) zum elektrolytischem Trennen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, zumindest einem chemischen Reaktor (31) zum Umsetzen von Kohlendioxid und des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs in Methanol als chemischer Energieträger, wobei ein Wärmetauscher (40) zur Nutzung der exothermen Prozessenergie beim Erzeugen des genannten Energieträgers vorgesehen ist, zumindest einem Gasspeicher (52) zum Speichern von Kohlendioxid und Sauerstoff, sowie mit zumindest einem Energiewandler (60), der aus dem Energieträger Wärme und/oder elektrische Energie, und mit zumindest einem Gasseparator (70), der aus den Abgasen des zumindest einen Energiewandlers (60) Kohlendioxid separiert, wobei der zumindest eine Gasseparator (70) über eine Leitung mit dem Gasspeicher (10) verbunden ist, wobei der zumindest eine Elektrolysiereinrichtung (20) ebenfalls über eine Leitung mit dem Gasspeicher (10) verbunden ist, und wobei Wärmeund Stromverbraucher der Haustechnik mit der Energieversorgungsanlage gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasspeicher (10) ein Gasspeicher für zumindest zwei Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Anwendung kommt.

14. Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Kurzzeitspeicher (48) für elektrische Energie, vorzugsweise einen Kondensator oder eine Batterie.

15. Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gase in dem Gasspeicher (50, 52) gespeichert werden, wobei bei Entnahme eines der Gase das andere Gase zugeführt wird, so dass der Gesamtdruck im Gasspeicher (50, 52) in bestimmten Grenzen bleibt.

Zeichnung