AT522538A1

AT522538A1 - Dissoziation von Wasser mit Hilfe von Elektronenanregung und Plasmolyse zur Erzeugung eines synthetischen Gases

Info

Publication number: AT522538A1
Application number: ATA153/2019A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Dipl Ing Dr Johann
Original assignee: Gs Gruber Schmidt Gmbh
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-15

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Gasgemisches aus Kohlendioxid und Wasserstoff 35 umfassend einen Wassertank 2 mit einer Pumpe 2 und einer Regelarmatur 5 einer Kammer 6 für Elektronenanregung 7 einer Plasmakammer 8 mit den Elektroden 9, wobei das verbrauchte Wasser mit der Pumpe 12 und der zugehörigen Regelarmatur 13 in einen Wassertank 2 rückgeführt wird, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff 36 über einen Wärmetauscher 18 abgekühlt über einen Verdichter 19 und einen Rückkühler 20 über eine Regelarmatur 23 eines Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 24 oder in Form einer keramischen Membran 37 zugeführt wird, die das Gasgemisch 36 in ein Wasserstoffgas 26 und ein Sauerstoffgas 25 auftrennt. Das Wasserstoffgas 25 wird über eine Verdichterstufe 21 und einen Rückkühler 22 und einer Regelarmatur 27 einer Mischkammer 34 zugeführt, in der Kohlendioxid 29 aus dem Kohlendioxidtank 30 mit einer Pumpe 31 entspannt wird und über den Verdampfer 32 über die Regelarmatur 33 in den Mischer 34 geführt wird. Das so erzeugte synthetische Gas 35 kann nun weiter verwertet werden.

Description

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Dissoziation von Wasser mit Hilfe von Elektronenanregung und Plasmolyse zur Erzeugung eines synthetischen Gases

Das Verfahren zur Erzeuguhg eines synthetischen Gasgemisches aus Kohlendioxid und Wasserstoff 35 umfassend einen Wassertank 2 mit einer Pumpe 2 und einer Regelarmatur 5 einer Kammer 6 für Elektronenanregung 7 einer Plasmakammer 8 mit den Elektroden 9, ; wobei das verbrauchte Wasser mit der Pumpe 12 und der zugehörigen Regelarmatur 13 in einen Wassertank 2 rückgeführt wird, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff 36 über einen Wärmetauscher 18 abgekühlt über einen Verdichter 19 und einen Rückkühler 20 über eine Regelarmatur 23 eines Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 24 oder in Form einer keramischen Membran 37 zugeführt wird, die das Gasgemisch 36 in ein Wasserstoffgas 26 und ein Sauerstoffgas 25 auftrennt. Das Wasserstoffgas 25 wird über eine Verdichterstufe 21 und einen Rückkühler 22 und einer Regelarmatur 27 einer Mischkammer 34 zugeführt, in der Kohlendioxid 29 aus dem Kohlendioxidtank 30 mit einer Pumpe 31 entspannt wird und über den Verdampfer 32 über die Regelarmatur 33 in den Mischer 34 geführt wird. Das so erzeugte synthetische Gas 35 kann nun weiter verwertet werden.

Durch die Experimente von A. Marie Ampere angeregt hat Michael Faraday Experimente und Untersuchungen zur Elektrolyse unternommen. Dahinter stand das Bemühen einen Zusammenhang zwischen der Trennung von Stoffen mit Hilfe von elektrischer Leistung (Energie), im speziellen mit Strom I(A) zu erkennen. Die Elektrolyse hat später technische Anwendung in der Schmelzflusselektrolyse gefunden, wie diese in der Aluminiumgewinnung eingesetzt wird.

In der chemischen Industrie hat man aufbauend auf den Erkenntnissen von Paul Sabatier, Wilhelm Richter, Ernst Solvay sich der Katalyse zugewendet. Der Bedarf an Wasserstoff war und ist in der chemischen Industrie groß, daher musste man andere Verfahren suchen um rasch große Mengen technisch nutzbaren Wasserstoff zu erzeugen.

Wasserstoff (H2) ist seit seiner Entdeckung 1766 durch den Physiker Henry Cavendisch ein technisch begehrtes und interessantes Element. Wasserstoff stellt 75% der bekannten Masse und 93% aller Atome dar. Es ist das einfachste und grundlegendste Element in unserem Universum und auf unserem Planeten.

So sehr Wasserstoff (H2) begehrt ist, so schwierig ist es Wasserstoff (H2) zu erzeugen, und noch schwieriger ist seine Handhabung, denn es diffundiert sehr leicht durch Dichtungen und durch Metalle, führt zu Versprödungen und reagiert mit Sauerstoff explosionsartig zu Wasserdampf unter Abgabe von Wärme (Enthalpie).

Will man die Nutzung von fossilen Rohstoffen zurückdrängen, dann stellt sich auch die Frage nach einer einfachen energetisch günstigeren Erzeugung mit Hilfe von erneuerbarer Energie und möglicherweise eine einfache Speicherung von Wasserstoff. Unter erneuerbare Energie verstehen wir heute solare Energie die zu Strom umgewandelt wird (Photovoltaik), Windenergie, bei der Wind in elektrische Energie umgewandelt wird, biogene Energie, die über BHKW zu Strom und Wärme umgewandelt wird. ;

Will man die fossilen Rohstoffe zurückdrängen, dann reicht aber Wasserstoff alleine nicht aus. Es muss auch Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid gebunden werden.

Die Aufgabe besteht also darin, ein synthetisches Gas aus Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen, das zu einem Treibstoff oder Brennstoff synthetisiert werden kann, zu dem Kohlendioxid als Senke speichert, und ein Verfahren zu verwenden, das energetisch günstiger ist als die heute bekannte Nasselektrolyse, ein verfahren, dass keine aufwendigen Membrane und Katalysatoren benötigt, das einfach robust und stabil in der dezentralen Anwendung der erneuerbaren Energieerzeugung eingesetzt und verwendet werden kann. >

Das in dem Patent US 3 522 167 beschriebene Verfahren dient dazu in einer dielektrischen Lösung mit organischen Molekülen mit Hilfe von Zündfunken eine Druckwelle aufzubauen und eine chemische Reaktion der organischen Moleküle zu erreichen. Der Nachteil dieses Verfahrens hohe elektrische Spannungen, geringe Effizienz in der Ausnutzung elektrischer Energie.

Das in dem Patent EP 1529758 A1 beschreiben zwei Elektroden, deren Abstand einstellbar ist und eine Stoßwellenabsorbierende Vorrichtung besitzt. Der Nachteil ist ein Elektrodenpaar, sehr hohe Spannungen, Stoßentladung und die damit verbundenen Stoßwellen in der Umgebung der Elektroden.

Im folgenden Abschnitt sind die thermadynamischen Eigenschaften von Kohlendioxid (CO2) (g) als Gas dargestellt.

Kohlendioxid (CO2)

Molares Gewicht 44,0 g/mol Dichte 1,98 Kg/m® Polarität Keine

Bildungsenthalpie -393,75 kJ/mol Abstand zwischen O0 —-C 116,32 pm Dampfdruck 57,28 . bar

Tabelle 1: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Kohlendioxid (CO2). Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist verhält sich Kohlendioxid (CO2) wie ein inertes Gas. Um

eine echte Kohlenddioxidsenke aufzubauen muss Kohlendioxid direkt verwertet werden. Unter Verwertung versteht man die katalytische Synthese zu Methan oder Methanol:

BEE OS EL EEE 8 3 .. .. e.... .. ® ..

CO2 + 4H2 — CH4 + 2H20 AH =- 252.05 kJ/mol

CO2 + 3H2 — CH3OH + H20 AH =- 130.59 kJ/mol

- Beide chemische Reaktionen liefern als Nebenprodukt Wasserdampf als Hauptprodukt Methan (CH4) und Methanol (CH3OH). Weiters ersieht man aus den chemischen Gleichungen, dass neben Kohlendioxid (CO2) auch Wasserstoff (H2) notwendig ist. Beide Reaktionen sind stark exotherm, es fällt also bei der Reaktion Wärme an. Beide Reaktionen sind katalytisch getrieben, denn hohe Umsetzungsraten werden nur mit adaptierten Katalysatoren erreicht.

Erfindungsgemäß wird daher das synthetische Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff aufgebaut. Um die unterschiedlichen Konzentrationen zusammensetzen zu können werden Regelarmaturen für das dampfförmige Kohlendioxid und das Wasserstoffgas

verwendet.

Erfindungsgemäß wird als Ausgangsprodukt einmal Kohlendioxid 30 in flüssiger Phase und Wasser 1 in einem Wassertank 2. Kohlendioxid 29 wird auf den gewünschten Druck entspannt und verdampft. Wasser (H20) wird in die Gasstoffströme Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) 36 aufgespalten, und der Wasserstoff 25 wird mit Kohlendioxid 29 zu einem synthetischen Gasgemisch 35 zusammengesetzt.

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Wasserstoff (H2) (g) als Gas dargestellt. Wasserstoff (H2) (g) als Gas ist bekannt. ;

Wasserstoff (H2)

Molares Gewicht 2,0016 g/mol /mol

Anzahl der Isotope 3 (1H, 2H, 3H)

Orbitalbelegung Entartet

Phase Gasförmig

Dichte 0,089 Kg/Nm® ( leichter als Luft ) Diamagnetisch

Elektronennegativität 2,2

Tabelle 2: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Wasserstoff (H2).

Wie aus den thermodynamischen Eigenschaften erkennbar ist, ist Wasserstoff ein Gas und bleibt es auch bei einer Verdichtung auf einen sehr hohen Druck von 200 bar bis 700 bar gasförmig. Neben Wasserstoff (H2) stellt auch Sauerstoff (02) eine Stoffkomponente dar

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Sauerstoff(O2) (g) als Gas dargestellt.

Sauerstoff (02)

Molares Gewicht 2,0016 g/mol ; _g/mol

Anzahl der Isotope 3 (1H, 2H, 3H)

Orbitalbelegung Entartet

Phase ; ; Gasförmig

Dichte 0,089 Kg/Nm? ( leichter als Luft ) Diamagnetisch

Elektronennegativität 2,2

Tabelle 3: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Sauerstoff (O2).

® .. ® .. u. eo 000

° .. . .. ..000800 ° 4 ® .. ss Oo . ° a) . .

Zusammenfassend Wasserstoff(H2) und Sauerstoff (02) haben technisch sehr interessante Eigenschaften und sind daher in der Energieerzeugung sowie in der chemischen Industrie sehr gesucht und begehrt.

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Wasser (H2O) (I) als Flüssigkeit dargestellt.

Wasser (H20)

Molgewicht 18 g/mol

Phase Flüssig

Leitfähigkeit 3-20 UWS/cm | R-(oH) ; 0,095 nm

Winkel (H-O-H) 104,5°

V 1( symmetrisch ) ; 3657 ; 1/cm

V 2( symmetrisch ) 1595 ‘| 1/cm

V s( antisymmetrisch) 3756 1/cm

Tabelle 4: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Wasser (H20)}.

Wie man aus der.chemischen Formel ersieht setzt sich Wasser als Molekül aus Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zusammen:

2H20 — 2H2 + 02 AH = 570 kJ/mol 2H2 + 02 — 2H20 AH =- 490 kJ/mol

Die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff führt immer zu Wasserdampf. Die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser (liquid) führt immer zu Gasen als ‚Produkt. Das einfachste verfahren zu Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ist die Elektrolyse auf der Basis einer elektrolytischen Zelle. Der Unterschied der elektrolytischen Zelle zur galvanischen Zelle besteht darin, dass an den beiden Elektroden, der Kathode und der Anode nun eine Spannungsquelle angelegt wird, damit existiert eine Potentialdifferenz und damit kann eine Elektromotorische Kraft (EMK) wirksam werden. Diese ENK bedingt einen Elektronenfluss, wenn die Elektroden in Wasser eingetaucht sind. Da Wasser eine polare Flüssigkeit ist, können nun Elektronen über das Wasser von einer Elektrode zur anderen Elektrode, also von der Anode zur Kathode geleitet werden. Das ist bekannt und eine grundlegende und wichtige Eigenschaft von Wasser.

Wenn man die klassische Elektrolyse betrachtet, die auf die Entwicklungen und Experimente von M. Faraday zurückgehen, dann ergibt sich folgender empirischer Zusammenhang:

m ki = fies ge

m =Mn k-ZzCNa=ZF (F=CN,)

Dabei bedeuten die Symbole folgendes:

Na= Anzahl der Atome pro Mol M = Molare Masse [g/mol]

M = Masse [kg]

C = Coulombsche Ladung [eV]

Z = Anzahl der Elektronen

P = elektrische leistung [W} U = elektrische Spannung [V] 1 = elektrische Strom [A]

Die klassische Elektrolyse bei Wasser, auch als Nasselektrolyse bekannt, setzt also voraus, um einen hohen Wirkungsgrad in der Umsetzung zu erreichen, wird eine Lauge in Form von Kaliumlauge (KOH) und Natriumlauge (NaOH) dem Wasser zugesetzt, um so die Leitfähigkeit des Wasser Laugengemisches ( = Elektrolyten ) zu erhöhen. Um die Vermischung der Gasströme, die nun an den Elektroden gebildet werden, zu vermeiden wird eine Membran zwischen beiden Elektroden verwendet. Damit die Jonen (H+) oder (OH-) zwischen den Elektroden wandern können, muss daher die Membrane leitfähig sein. Je nachdem ob Protonen ( H+) Jonen über ‘die Membrane diffundieren oder Hydroxid Jonen (OH-) über die Membrane diffundieren, ergibt sich zwischen den Elektroden eine EMK und an den Elektroden kann Wasserstoff ( Anode ) und Sauerstoff ( Kathode ) gebildet.

Und damit sind die Nachteile schon ersichtlich: In technischen Anwendungen wird daher destilliertes Wasser ( Leitfähigkeit < 3 uS/cm ) und mit Laugen versetzt. Es entsteht an den. Elektroden Wärme, die abgeführt werden muss. Diese Wärmebildung entsteht, da der Elektrolyt nur eine bestimmte Leitfähigkeit aufweist und zur Erzeugung von Jonen, geringe Spannungen, aber hohe Stromstärken notwendig sind. Das ersieht man an der empirischen Gleichung von M. Faraday, die den. erzeugten Massenstrom als Funktion der Stromstärke darstellt. ( direkt proportional ). Auf Grund der Messungen weiß man, dass es sich um

_ Gleichstrom handelt und die hohen Stromstärken führen zur Wärmeentwicklung in den Elektroden und im Elektrolyten. Zudem behindert das erzeuget Gas, in Form von Wasserstoff oder Sauerstoff, um die Elektrode herum die weitere Bildung von Gas.

Das was bisher beschrieben worden ist, wird auch als Nasselektrolyse bezeichnet, die sich industriell nur bedingt durchgesetzt hat.

Das Gesetz von M. Faraday hat noch zu einer weiteren Entwicklung Anfang des 20. Jahrhunderts geführt, der Brennstoffzelle. Kehrt man das Prinzip der Brennstoffzelle um, dann erhält man eine Elektrolysezelle. Das ist bekannt. Der Nachteil ist der sehr hohe Aufwand an Katalysatoren, die aufwendige und teure Bauweise, sowie der geringere Wirkungsgrad gegenüber der Nasselektrolysezelle. Bei der Verwendung von Festoxidstoffen ist Wasserdampf zu verwenden und eine Betriebstemperatur zwischen 600°C bis 800°C. Das ist ein weiterer Nachteil, denn die hohen Temperaturen und der Wasserdampf müssen erst erzeugt werden. Das reduziert erneut den Wirkungsgrad und die Effizienz der Elektrolyse, und setzt hohe Anforderungen an die Reinheit des Wassers, die Apparatetechnik.

Ein weiterer Nachteil ist der Umstand, dass keine gepulsten Ströme bei der Nasselektrolyse verwendet werden können. Der Grund liegt in der Bauform der Elektroden als Flächenelemente und der Umstand, dass es zwischen Membran und Elektrode zu keinem Plasmafeld kommen darf. Die Membranen sind für Plasma nicht geeignet.

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren eingesetzt, das die Anwendung von gepulsten Strömen möglich macht. Das setzt voraus, dass man eine Anode als Elektrode hat, die die Ausbildung eines Plasmakanales zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Erfindungsgemäß soll das Wasser zwischen Anode und Kathode langsam in Form einer Taylor Couettesträmung vorbeifließen. Die Anode ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sich ein starkes dichtes Feld um die Elektrode ausbildet, dass somit einen Plasmakanal in

Richtung Kathode eröffnen lässt.

° .. . . < 0 05008 * 6 ° .. . x. » . > < . er .. a... .. ® ..

Erfindungsgemäß versteht man unter gepulsten Strömen, dass ein Gleichstrom als Funktion eines mit einer Frequenz pulsierenden Spannungsfeldes zwischen den Elektroden strömt. Das pulsierende Spannungsfeld, dass sich der Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode stoßartig aufbaut und nach Abfall der Spannung zusammenbricht. Damit kann nun in Vielfachen der Grundschwingungsfrequenzen anregen. ;

Schwingungszustände | Energy (eV) |X(2,9/Vva)

(0,1,0) 0,1977 14,67 (0,2,0) 1-0,3907 7,42 (1,0,0) 0,4534 6,40 (0,0,1) 0,4657 6,23 (0,3,0) 0,5786 5,01 (1,1,0) 0,6491 ; 4,47 (0,1,1) 0,6610 4,39 (0,4,0) 0,7605 3,81 (1,2,0) 0,8400 . 3,45 (0,2,1) 0,8520 . 3,40 (2,0,0) 0,8929 3,25 (1,0,1) ; 0,8989 3,23 (0,0,2) 0,9231 3,14

Tabelle 5: Energie, die notwendig ist um Schwingungsformen innerhalb des Wassermoleküls anzuregen (v1,v2,V3) = va = ( symmetrisch, Biegung, antisymmetrisch). Die Dissoziationsenergie von Wasser im Plasmazustand ist mit 2.95 [eV] gegeben, damit erkennt man, dass mit weitaus geringeren Energiemengen das Molekül in Schwingung versetzen kann. [1]

Aus der Messtabelle (Tabelle 5) kann man erkennen, wieviel Energie zur Anregung von Schwingungsformen notwendig ist, was zur Folge hat, dass ein angeregtes Wassermolekül weitaus weniger Energie für die Dissoziation benötigt. Das stellt keineswegs eine Verletzung des 1. HS der Thermodynamik dar, sondern die für die Dissoziation benötigte Energie teilt

sind erfindungsgemäß auf in eine Schwingungsanregung und einer Dissoziation.

Erfindungsgemäß strömt das Wasser in einem Kanal zwischen zwei Wänden, wobei der Kanal entweder aus zwei Platten oder zwei Zylinder ausgebildet ist. Zwischen den beiden Wänden bildet sich eine Taylor Couette Strömung in Form einer Scherströmung aus. Die Elektroden (Anoden) sind als Stabelektroden auf einer Platte aufgebracht und reichen mit deren Spitze in die das querströmende Wasser hinein. Die Spitze der Elektrode wiest in Richtung der Kathode und zwischen der Anode und Kathode bildet sich der Plasmakanal aus. Durch die Anordnung der Elektroden entlang des Strömungskanales ist es möglich ein Wanderfeld aufzubauen. Erfindungsgemäß versteht man unter einem Wanderfeld In Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung die Belegung der Elektroden mit einem Spannungsfeld.

Erfindungsgemäß wird jede Elektrode mit einer Spannungsimpuls versehen, der mittels

Fourierreihenanalyse zu Eigenfrequenzen und damit Schwingungsfrequenzen führt. Der

zeitliche Abstand zwischen den Spannungsimpulsen und die Amplitude des

Spannungsimpulses sind somit erfindungsgemäß regelungstechnische Parameter um die . Schwingungsmoden ( vı,v2,v3 ) bis zur Resonanz anzuregen.

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Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Kanal liegt zwischen 0,001 m/sec bis 0.1 m/sec umso die Ausbildung von Karmanschen Wirbeln nach den Elektroden sehr gering zu - halten.

Um einen Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode zu erzeugen hat die Geometrie der Elektrode einen Einfluss: die Anoden sind als elektrisch leitfähiger Stab mit einer Spitze und einem definierten Rundungsradius r ausgebildet, die Kathode als Platte oder Fläche mit größer Krümmung. Bezeichnet r den Radius der Elektrode, und V das Potenzial und b den Abstand von der Anode zur Kathode dann erhält man folgende einfache Beziehung:

rin)

Diese hohe Felddichte ist notwendig; um eine Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode auszubilden, um den Anfangswiderstand zu überwinden. Das Überwinden des Widerstandes vom Elektronenübertritt in das Wasser, bedingt eine notwendige hohe stoßartige Energie und daher werden erfindungsgemäß gepulste (mit einer Frequenz) schwingende Impulsspannungen und Impulsströme verwendet, damit kann man das Wassermolekül in Schwingungsmoden anregen.

Erfindungsgemäß versteht man unter gepulsten Spannungsfeldern einen Schwingkreis aus Widerständen, Kondensatoren und Induktiven Spulen (RLC Schaltkreis) mit typischen Werten für L= 300 nH , R =2 (/CY/? , C= 135 WwF :

L@did ROT, q dd=;

de O0 ag

Die elektrische Energie, die nun in das Wasser eingebracht wird unterteilt sich in

Ri$)2= U, (Yil(t) = Pay + Prma < 2.9 [EV] /mol

Die Molekülschwingungen von Wasser umfassen bei 3 Atomen bestehend aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom daher 3 Schwingungsmoden ( Normalschwingungen), die aus den symmetrischen und asymmetrischen Valenzschwingungen und aus einer Deformationsschwingung bestehen. Die Schwingungen von Kohlendioxid bestehend aus 3 Atomen umfasst 4 Schwingungsmoden, die aus den symmetrischen und asymmetrischen Valenzschwingungen und aus zwei Deformationsschwingungen besteht.

Die Anregung von dampfförmigen oder gasförmigen Zuständen ist in der regie mit Hilfe von Elektronen schwierig zu erreichen, man kann dies durch elektromagnetische Strahlung erreichen. Das ist bekannt.

Bei polaren Flüssigkeiten wie Wasser kann man mit Hilfe von Elektronen das Wassermolekül und einen Cluster um das Wassermolekül in Schwingung versetzen, das Wassermolekül lokal anregen und in Schwingung versetzen. Mit der Elektronenanregung ergibt sich eine zweite Möglichkeit: die Speicherung von Elektronen in Form von gelösten ( salvierten ) Elektronen in Wassercluster. Damit wird der Anteil an Elektronen im Wasser erhöht. Obwohl die Verweilzeit auf Grund externer Störungen in der Flüssigkeitsströmung solch gelöster Elektronen im Cluster auf wenige usec beschränkt ist, hat die Speicherung von Elektronen im Wasser den Vorteil, dass ein hochangeregter Zustand entsteht und eine Vorstufe der lonisierung erreicht wird.

° .. < .. vv... ..

° .. ° . ° . ..... . 8 * .. * ® . | .

° .. .. .... .. * .

Bei der Anregung von Wasser mit Elektronen werden die Elektronen in das Wasser mit geringer Energie: (0.1 bis 3 eV) eindiffundiert. Da-hat zur Folge, dass die Elektronen zur . Bildung von Wasserstoffionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) Jonen führt. Die Anreicherung mit Wasserstoffionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) hat zur Folge, dass nun die Bildung von Wasserstoff (H2) rasch erfolgen kann, dass zudem aus zwei Hydroxidionen sich ein wassermolkühl und ein Sauerstoffmolekül bilden kann.

e‘ +H20 — H20’

H20’ + H20° ——H + OH + H20 H + H20° ——H2 + OH

OH + H20° —— h + H202

OH + H20 —H2 + HO2

HO2 + H20 — H202 + OH

Das hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass das nunmehr hochangeregte Wasser mit Hilfe von geringen Energiemengen in Wasserstoff und Sauerstoff dissozliert werden kann. Zwischen der Anode und Kathode bildet sich nun ein Potenzial aus, das schon bei sehr geringer Spannung (V) dazu führt, dass sich ein Plasmakanal aufbaut und Wasserstoff (H2) gebildet werden kann. Wichtig ist dabei, dass es nicht mehr zu Bewegung von Elektronen, Atomen oder Molekülen kommt, sondern sich die Hydroxidionen zu Wasser umwandeln und Wassermolekül zu einem Hydroxidion, es bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit Energiewellen zwischen Anode und Kathode.

e +H20 — H-+ OH H-+e——H+2e

H-+ H20: — H2 + OH: H-+ H20——H+H20 OH + H2 — H + H20

Erfindungsgemäß wird das Wasser durch Elektronen in Form von Elektronenemittern 7 angeregt. Die Elektronenemitter 7 sind seriell entlang der Strömungsrichtung 6 angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal liegt in einem Bereich von 0.001 m/sec bis 0.1 m/sec. Daher kann sich eine Tylor Couette Strömung ( Schichtenströmung, Scherströmung ) im Strömungskanal ausbilden.

Physikalisch gesehen erreicht man mit der Elektronenanregung 6,7 eine Erhöhung der Übergangswahrscheinlichkeit des Wassermoleküls zu einer lonisierung. Dabei regen die Elektronen das Wassermolekül, genauer die Wasserstoffverbindung im Wassermolekül an. Dabei hat man messtechnisch beobachtet, dass die Schwingungsmoden des Wassermoleküls Senken darstellen, in denen die notwendige lonisierungsenergie und in der Folge die benötigte Energie für die Dissoziation ein Minimum annimmt.

Die benötiget elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) 36 setzt sich zusammen aus der Energie für die Elektronenanregung und für Plasma und ergibt zusammen immer 2.9 [eV] und steht daher immer im Einklang mit. dem 1. HS der Thermodynamik. Regt man das Wasser mit 1 [eV] an und speichert man im Wasser bis zu 2 [eV9, dann reichen bereits 0.9 [eV] um die Dissoziation des Wassermoleküls H20 zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) abzuschließen.

Erfindungsgemäß wird ein synthetisches Gas 35 erzeugt, das sich aus Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) zusammensetzt. Die Zusammensetzung des synthetischen Gases (35)

. 0... .. . eo 008 . 00 + a ® ...... . 9 ® 00 28 8 a & . 9 8 .. .. 0.0.0. ,;. e e.

wird über die Regelarmaturen (33) für Kohlendioxid (29) und über die Regelarmatur (27) für Wasserstoff (H2) in der molaren Konzentration einstellen. Unter molarer Konzentration versteht man dabei CO2 : H2 = 1:1 bis CO2:H2 = 1: 4.

Diese Erfindung hat eine wesentliche Eigenschaft: Sie ist skalierbar und ist einfach

_ aufgebaut. Es werden keine teuren Katalysatoren verwendet und es werden keine teuren und aufwendigen Konstruktionen verwendet. Die. elektrische Hardware in Form des Schwingkreises ist einfach und durch die heute verfügbare Leistungselektronik einfach zu realisieren. Die elektrische Anregung durch Elektronen hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass das hochangeregte Wasser eine höhere Leitfähigkeit besitzt und damit der Plasmakanal zwischen Anode und Kathode mit deutlich geringerer Energie erreichbar ist.

Diese Erfindung bietet zudem den Vorteil Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) in flüssiger oder gasförmiger Phase, wie Methanol oder Methan zu speichern. Damit kann man in sehr einfacher Weise stochastische elektrische Energie aus der Windenergie oder der solaren Photovoltaik zu speichern.

9 Elektroden

10 Gasgemisch Kammer

11 unverbrauchtes Wasser

12 Pumpe

13 = Regelarmatur

14 Wasserkondensat -

15‘ Pumpe

16 Regelarmatur

17 Kondensat

18 Wärmetauscher Kondensator 19 Verdichter ; 20 Wärmetauscher

„21 Verdichter

22 Wärmetauscher

23 Regelarmatur

24 Druckwechseladsorption

25 Sauerstoff

26 Wasserstoff‘

27 Regelarmatur

28 verdichteter Wasserstoff

29 flüssiges Kohlendioxid

30 Kohlendioxidtank

31 Pumpe

32 Wärmetauscher

33 Regelarmatur

34 Mischkammer

35 synthetisches Gas

36 Gasgemisch ( Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserdampf ) 37 Keramische Membrantrennung ( Wasserstoff, Sauerstoff )

Symbole

EC Elektrolyse

EA Elektronenanregung PHD Plasmahydrodynamik PSA Druckwechseladsorption CO2 Kohlendioxid

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J. Phys. Chem. Ref. Data. Vol 34, 1, 2005

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Abbildungen

Abbildung 1

Die Abbildung 1 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 7 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgekühlt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Druckwechseladsorption 24 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt.

Abbildung 2

Die Abbildung 2 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 7 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgekühlt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Membrantrennung mit keramischen Membrane 37 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt.

Abbildung 3

Die Abbildung 3 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 6 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgeführt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Druckwechseladsorption 24 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt.

Flüssiges Kohlendioxid 29 wird einem Kohlendioxidtank 30 zugeführt, indem flüssiges Kohlendioxid (CO2) gelagert wird. Das flüssige Kohlendioxid wird über die Pumpe 31 einem

Verdampfer 32 zugeführt. Der Volumenstrom an Kohlendioxid wird über die Regelarmatur 33 geregelt. Der Wasserstoffgasstrom wird im Volumenstrom über die Regelarmatur 27 _

geregelt, und zusammen mit Kohlendioxid in einer Mischkammer 34 gemischt und das so erzeugte synthetische Gas 35 erzeugt.

Abbildung 4

Die Abbildung 4 zeigt eine mögliche Bauform eines Wasserplasmareaktors mit der tangentialen Einleitung von Wasser in die Elektronenanregungskammer 6 mit den Elektronenemittern 7, der Plasmakammer mit den Elektroden (Anode, Kathode ) 9 und der

Rückführung von unverbrauchtem Wasser 17, und der Ableitung des Gasgemisches aus ; Wasserstoff und Sauerstoff 36.

Claims

Ansprüche

1. Das Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Gases aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2), umfassend einen Wassertank (2), eine zugehörige Pumpe (3) mit einer Regelarmatur (5), einer Plasmakammer (8) mit Elektroden (9) , einer

_ Gasabscheidekammer (10), einem Wärmetauscher (18), einem Verdichter (19) mit zugehörigem Wärmetauscher (20), einer Regelarmatur (23), einer Gastrennung (24), einer Regelarmatur (27) für Wasserstoff, einem Kohlendioxidtank (30), einer Pumpe (31) für Kohlendioxid, einer Wärmetauscher (32) für Kohlendioxid, einer Regelarmatur (33) für Kohlendioxid, einer Mischkammer (34) ;

Gekennzeichnet dadurch, dass

- Der Wassertank (2) ein minimales Volumen von 1000 Liter, ein maximales Volumen von 5000 Liter hat,

- Der Wassertank mit Wasser befüllt ist, das eine elektrische Leitfähigkeit von minimal 10 uS/cm, maximal 300 uS/cm hat,

- Eine elektrisch angetriebene Kolbenpumpe (3) einen minimalen druck von 1,1 bar, einen maximalen Druck von 2 bar erzeugt,

- Der Volumenstrom (4) an Wasser über die Regelarmatur (5) von minimal 1 Liter/h, maximal 1000 L/h beträgt,

- Die Plasmakammer (8) in Form von zwei koaxialen Zylindern ausgebildet ist, wobei in dem Spalt zwischen den beiden Zylindern sich die Wasserströmung als Couette Schichtenströmung ausbildet, °

- Die Plasmakammer (8) In Form von zwei koaxialen Zylindern aus keramischem Werkstoff ausgebildet keine elektrische Leitfähigkeit aufweist, .

- Die Geschwindigkeit zwischen den Zylindern eine minimale Geschwindigkeit von 0.001 m/sec bis maximal 0.1 m/sechat, ;

- Das Wasser in der Plasmakammer eine minimale Temperatur von 25°C, bis maximale von 35°C hat,

- Die Elektroden (9) in der Plasmakammer (8) aus Eisen (Fe) ausgebildet elektrisch leitfähig sind,

- Die Elektroden (9) aus einer Kathode und Anode bestehen, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, ;

- Die Elektroden (9) als zylindrische Stifte ausgebildet sind, die an der Spitze kegelig ausgebildet sind und einen minimalen Rundungsradius von 0.1mm bis maximal 1 mm hat, ; ;

- An den Elektroden (9) eine minimale Spannung von 0.1 kV bis maximal 20 kV angelegt werden,

- An den Elektroden (9) die Spannung als Impuls mit einer minimalen Zeitdauer von 1 usec bis maximal 1 msec angelegt wird,

- Die Frequenz der Spannungsimpulse an den Elektroden (9) minimal 100 Hz bis maximal 1 000 000 Hz beträgt,

- Sich zwischen den Elektroden (9) ein Plasmabogen ausbildet und daher ein minimaler Abstand zwischen den Elektroden (9) von 1mm bis maximal 10 mm gegeben ist, 5

Durch die Wasserströmung das Gasgemisch (36) ausgetragen wird und aus Wasserstoff(H2), Wasserdampf (H2O) und Sauerstoff (02) besteht, In dem Wärmetauscher (16) der Wasserdampf in dem Gasgemisch (36) bei einer

minimalen Temperatur von 25°C und einer maximalen Temperatur von 85°C kondensiert wird, ; ;

Der hydraulisch angetriebene kolbenlose Verdichter (19) das trockene _ Gasgemisch (36) auf einen minimalen Druck von 4 bar bis maximal 8 bar verdichtet, ;

Der Wärmetauscher (20) das verdichtete Gasgemisch (36) auf eine Temperatur von minimal 20°C bis maximal 35°C rückkühlt,

Die Gastrennung (24) in Form einer Druckwechseladsorption ausgebildet ist, die das Gasgemisch in einen Wasserstoffanteil (25) und einen Sauerstoffstrom (24) auftrennt,

Der hydraulisch angetriebene kolbenlose Verdichter (21) das trockene Wasserstoffgas (25) auf einen minimalen Druck von 30 bar bis maximal 70 bar verdichtet, . ;

Der Wärmetauscher (22) das verdichtete Wasserstoffgas (25) auf eine Temperatur von minimal 20°C bis maximal 35°C rückkühlt,

Die Regelarmatur (27) den Volumenstrom an Wasserstoffgas (25) auf einen minimalen wert von 0,8 Liter/h bis auf einen maximalen Wert von 800 Liter/h regelt, ; ;

Der Kohlendioxidtank (30) ein minimales Volumen von 1000 Liter, ein maximales Volumen von 5000 Liter hat, ;

: Der Kohlendioxidtank (30) mit flüssigem Kohlendioxid (29) befüllt ist, der eine minimale Temperatur von 20°C bis maximal 30°C hat,

Der Kohlendioxidtank (30) mit flüssigem Kohlendioxid (29) befüllt ist und einen minimalen Druck von 50 bar bis maximal 70 bar hat,

Eine elektrisch angetriebene Kolbenpumpe (3) dazu dient das flüssige Kohlendioxid zu einem Verdampfer (32) zu fördern, ;

Der Verdampfer (32) das Kohlendioxid mit einer minimalen Temperatur von 85°C bis maximal von 125°C in einen gasförmigen Zustand überführt,

Der Volumenstrom an Kohlendioxid (29) über die Regelarmatur (33) von minimal 1 Liter/h, maximal 1000 L/h beträgt, _ .

Das Kohlendioxid (29) und das Wasserstoffgas (25) in einer Mischkammer (34) zu einem synthetischen Gas (35) mit einem minimalen molaren Verhältnis an Kohlendioxid (CO2) zu Wasserstoff (H2) von 1:1 bis zu einem maximalen Verhältnis von 1:4 gemischt wird,

Der Druck des synthetischen Gasgemisches (35) aus Kohlendioxid und Wasserstoff einen minimalen Druck von 50 bar bis maximal 70 bar hat,

Die Temperatur des synthetischen Gasgemisches (35) aus Kohlendioxid und Wasserstoff eine minimale Temperatur von 25°C bis maximal von 85°C hat.

Das Verfahren nach Anspruch 1 umfassend eine Gastrennung (37)

Gekennzeichnet dadurch, dass

- Die Gastrennung (37) aus zylindrischen Membranen besteht, die die Trennung von Wasserstoff (25) und Sauerstoff (24) aus dem Gasgemisch (36) ermöglichen,

- Die Membranen der Gastrennung (37) aus poröser Keramik besteht, deren Porendurchmesser minimal 2.5 A bis maximal 4 A beträgt und so für den Wasserstoff durchlässig wird,

- Der Druck des Gasgemisches (36) minimal 4 bar bis maximal 8 bar beträgt

- Die Temperatur des Gasgemisches (36) minimal 10°C bis 25°C beträgt.

.. Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend eine Pumpe (12} mit zugehöriger Regelarmatur (13) ;

Gekennzeichnet dadurch, dass

- die elektrisch angetriebene Kolbenpumpe (12) das Wasser aus der Plasmakammer (8) in Umlauf bringt und so.das Wasser eine minimale Geschwindigkeit von 0.001 m/sec bis maximal 0.1 m/sec beträgt,

- die Regelarmatur den Volumenstrom an umwälzendem Wasser (11) einen

minimalen Volumenstrom von 1 L/h bis maximalen Volumenstrom von 1000 L/h beträgt.

Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend eine Kammer für Elektronenanregung (6) mit zugehörigen Elektronenemittern (7)

Gekennzeichnet dadurch, dass

- die Kammer für Elektronenanregung (6) in Form von zwei koaxialen Zylindern ausgebildet ist, wobei in dem Spalt zwischen den.beiden Zylindern die Wasserströmung zwischen sich als Couette Schichtenströmung ausbildet,

- die Kammer für Elektronenanregung (6) in Form von zwei koaxialen Zylindern aus keramischem Werkstoff ausgebildet keine elektrische Leitfähigkeit aufweist,

- die Geschwindigkeit des Wassers zwischen den Zylindern eine minimale Geschwindigkeit von 0.001 m/sec bis maximal 0.1 m/sec hat,

- das Wasser in der Kammer für Elektronenanregung (6) eine minimale Temperatur von 25°C, bis maximale von 35°C hat, ;

- der Elektronenemitter (7) aus einer Emitterkathode, einem beschleunigenden Gate und einem Lenardfenster ausgebildet ist, sodass Elektronen mit einer

Energie von minimal 0.1 eV bis maximal 3.0 eV in das strömende Wasser eindiffundieren, ;

die Elektronendichte der Elektronenemitter (7) minimal N=1e+10/mol bis maximal N=1e+23/mol im Wasser beträgt,

die Emitter (7) quer zur Strömungsrichtung sequentiell angeordnet sind und die Emitter (7) in wechselnder Orientierung angeordnet sind,

an den Emittern (7) eine minimale Spannung von 0.1 kV bis maximal 20 kV angelegt werden,

an den Emittern (7) die Spannung als Impuls mit einer minimalen Zeitdauer von 1 Wsec bis maximal 1 msec angelegt wird,

die Frequenz der Elektronenimpulse aus den Emittern (7) minimal 100 Hz bis maximal. 1 000 000 Hz beträgt,

das Wasser (5) mit Elektronen aus den Emittern (7) hoch angeregt wird, indem Elektronen im Wasser gelöst und gespeichert werden, in dem Wasserstoff Jonen (H+) und Hydroxid Jonen (OH-) im Wasser gespeichert werden.