AT527180A1 - Verfahren einer Wasserstofferzeugung auf der Basis von Kohlendioxid und elektrischer Energie - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff (15) aus Wasser (1,2) mit Hilfe von Kohlendioxid (19,20), wobei eine Kombination von Aufsplittung von Kohlendioxid (19,20) in Kohlenmonoxid (31) und Sauerstoff (30), wobei Kohlendioxid (19,20) verdichtet wird (2), rückgekühlt (4) wird, und einer Lavalldüse (24) auf Mach 5 beschleunigt wird, das so beschleunigte Kohlendioxid in einem Prallreaktor (25) aufgespalten wird. Das Gasgemisch - aus Kohlenmonoxid (31) und Sauerstoff (30) wird aus dem Prallreaktor (25) abgesaugt, verdichtet (26) und einer Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption (28) in Sauerstoff (30) und Kohlenmonoxid (31) getrennt wird. Wasser (1,2) wird elektrisch verdampft (5,6) und einem Reformer (9) zusammen mit Kohlenmonoxid (8) zugeführt und zu Synthesegas aus Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt. Der Reformer (9) ist elektrisch beheizt (10) und thermisch gekühlt (11). Das Synthesegas aus dem Reformer (9) wird rekuperativ rückgekühlt (12) und mit Hilfe einer Gastrennung (13) in Wasserstoff (15) und Kohlendioxid (16) getrennt. Das Kohlendioxid (16,19) wird dem Prallreaktor (25) wieder rückgeführt.
Description
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 15 aus Wasser 1,2 mit Hilfe von Kohlendioxid 19,20, wobei eine Kombinatiore von Aufsplittung von Kohlendioxid 19,20 in Kohlenmonoxid 31 und Sauerstoff 30, wobei Kohlendioxid 19,20 verdichtet wird 21, rück gekühlt 22 wird, und einer Lavalldüse 24 auf Mach 3 beschleunigt wird, das so beschleunigte Kohlendioxid i m einem Prallreaktor 25 aufgespalten wird, Das Casgemisch aus Koblenmonoxid 31 und : Sauerstoff 30 aus dem Prailreaktor 25 abgesaugt, verdichtet 26 wird und mit Hilfe einer. Gastrennung in. Form einer Druckwechseladsorption 28 in. Sauerstoff 30 und Kohlenmanoxid 31 getrennt. Wasser 1,2 wird elektrisch verdampft 5,6 und einem Reformer 9 zusammer mit Kohlenmonoxid 8 zugetührt und zu Synthesegas aus Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt. Der Reformer 9 ist elektrisch beheizt 10 und thermisch gekühlt 11. Das Syathesegas wird rekuperativ rückgekühlt 12 und mit Hilfe einer Gastrennung 13 in Wasserstoff 15 und Kohlendioxid 16 getrennt. Das Kohlendioxid 16 wird abgesaugt und verdichtet und wieder dem Prallreaktor 25 rückgeführt.
Kohlendioxid hat man den Verursacher von Klimaschäden ausgemacht. Normalerweise ist Kohlendioxid ein lebenswichtiges Gas, das von den Pflanzen mittels Photosynthese zu Biomasse verwertet wird. Dabei handelt es sich um regenerativ und nachhaltig erzeugtes Kohlendioxid, also jene Menge an Kohlendioxid, die im Boden und durch Pflanzen in For m von Biomasse gespeichert wird.
Bisherige Methoden und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Nutzung elektrischer Energie in Verbindung mit Brennstoffzellen, oder in Verbindung mit Elektrolysezellen, Der Nachteil ist der hohe Aufwand an elektrischer Energie für die Elektrolyse, und der hohe Anteil an Metallen und seltenen Erden, die die Anlagen. großer und kleiner Leistung sehr teuer machen.
AA Asserätöff in der Bmergi Etechnik Söll invy 21, Jahrhk under: wesenticher Bestand dcdem -Konzept.der Decarbonsierung sein. Damit Wasserstoff seine Kraft und Wirkung entfalten ee rare kafın, muss Wasserstoff Nachhaltig und regenerativ erzeugt werden. Die regenerative
Erzeugung von Wasserstoff soß “drit Hilfe von n Kohlendiöxid 20 und elektrischer Ener gie und Wasserdampf erfolgen,
Die Aufgabe, die nun gestellt wird, ein Verfahren zu erfinden, mit dem Kohlendioxid in Kohlenmonoxid gespalten wird und zusammen mit Wasserdampf zu Wasserstoff umgewandelt wird, für die Erzeugung von Wasserdampf soll elektrische Energie verwendet werden.
Die Erfindung basiert auf der Kombination einer mechanischen Splittung von Kohlendioxid 19,20 in Kohlenmonoxid 31 und Sauerstoff 30, die Reformierung 9 von Kehlenmonexid mit Wasserdampf 7 zu Kohlendioxid 16 und Wasserstoff 15, sowie die Rückführung von: Kohlendioxid 19, um wieder in Sauerstoff‘30 und Kahlenmonoxid 31 gespalten zu werden.
Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas, Es ist mit einer Konzentration von ca, 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381 %) ein natürlicher Bestandteil der Luft, Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff,
Das Kohlenstoffdioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstaff-SauerstoffBindungen poflar sind, heben sich deren elektrische Di polmomente durch die . Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmament aufweist. Dennoch ist Kohlenstoffdioxid aufgrund der inneren Dipolmomente zut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung:
Kohlenstoffdioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis, Anwendung in der Technik, Es schmilzt nicht, sondern sublimiert bei -78 °C. Allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten. Bei Raumtemperatur ist dazu ein Druck. von ca. 60 bar. nötig, der kritische Druck bei der kritischen Temperatur ist etwa.73,7 bar, In Aüssiger Form wird Kohlenstoffdioxid in Druckflaschen gehandelt, /
Das Kohlenstoffd koxid molekül ist t linear, alle drei Atome liegen auf einer geraden Linie. Der
Sauerstoffatome ; zwei i freie Elektr ronenpaare aufweisen. Der Kohlenstoff- ‚Sauerstoff-Abstand.
3/15.
Xxpansion erfolgt in ein Vakuum mit einem Druck von 0,1bar bis 0,001 bar, sodass das £ Kohlendioxidmolekül in einern eingeforenen Zustand auf eine Prailfläche 25 trifft, Dabei erfolgt ein Splitting von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid 31 und Sauerstoff 30, Der ; Umsetzungsgrad hat einen Wert von 85% bis 95%, Die Erfindung nutzt den Aufbau des Kohlendioxidmolekiüs aus, das aus zwei Sauerstoffatomen und einem Kohlenstoffatom besteht, ınit einem Öffnungswinkel von 180°, vergleichbar mit einer Hantel,
Das GCasgemisch aus Sauerstoff 30 und Kohlenmonoxid 31 wird abgesaugt und verdichtet 26 und einer Gastrennung 28 zugeführt, Mit Hilfe einer Gastrennung 28'in Form einer Uruckwechseladsorption auf der Basis eines molekularen Kohlenstoffsiebes wird das Gasgemisch in Sauerstoff 30 und Kohlenmorioxid 31 getrennt, Die chemische Reaktionsgleichung lautet:
Co
O0 ;_ 55,00 64
„393,56 110 0 1 : 100,00 1 100,00 373,15 373,15} 373,15
21 ; 397 166,00
79,74 : 73,73 61,94 ; . 207
06 } kJ/mof
Ö.72) RW Tabelle 1: Trennung von Kohlendioxid 19,20 in Kohlenmenoxid 31 und Satterstoff 30,
Das Kohlenmenoxid 31 wird abgesaugt und verdichtet 26 und einer Reformierung 9 zugeführt. Die Reformierung 9 erzeugt aus Kohlenmonoxid 31 und Wasserdampf, Der Wasserdampf 7 ein Synthesegas aus Kohlendioxid und Wasserstoff, Die chemische
Reaktionsgleichung lautet: :
CO+H,O
CO +H,
CO. |_H2O. 6 CO2 [3 1,00 100 | 10 1 28,00 |_1 : 44
Herde PE- |800,09. 1 800,001 1 800,00 | 800,001 {°CF1073,15 1 1073,15 | ° 1107345 [1073,15 | {°X1 . 2 . . {ol SE 197,60 | 188,70 3130.60 | 213,70 Ki 212,05 | 202,50 340,35 | 229,33 | [Klhmol] | 45,07
GE ; {)/mol] | 3,47 {k/moll
; 012. Kl CO2
0,03 kWh
Tabelle 2: Reformierung 9 von Kohlenmonoxid 8 und Wasserdampf 7 zu Synthesegas a aus ' Wasserstoff und Kohlendioxid: 6
Die Reformierung 9 von Kohlenmonoxid 31 benötigt Wasserdampf 7.
Wasser 2 bereitgestellt in einem Behälter 1 wird in einem elektrisch betriebenen Vi erdamntpfer 6 zu Wasserdampf verdampft 5, ‚ wobei der Druck 3 bar hat und die Temperatur des _ Wasserdampfes 175°C,
Die zur Reformierung 9 benötigte Temperatur von 800°C wird durch eine elektrische Beheizung 10 erreicht, Dem. Reförmer 9 wird Kohlenmonoxid 8 und Wasserdampf 7 zugeführt. Das aus dem Prallreaktor 25 gewonnene Kohlenmenoxid 21 wird durch den: Wärmetauscher 12 rekuperativ vorgewärmt, indem die Abwärme des Synthesegäses aus dem Reformer 9 ausgenutzt wird, Die restliche fehlende Wärme wird elektrisch erzeugt 10 und dem Reformer 9 zugeführt und hat eine Leistung von 1KW bis 1000 kW,
Das so gewonnen Synthesegas besteht aus Kohlendioxid 16 und Wasserstoff 15.Das Synthesegas wird mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 13 in Wasserstoff 15 und in Kohlendioxid 16 getrennt. Das Kohlendioxid 16 wird dem Prallreaktör 25 rückgeführt, um wieder in Kohlenmonoxid 31 und Saterstoff 30 getrennt zu werden.
Die Erfindung besteht aus einzelnen Verfahrensschritten, die in Apparaten leichtund einfach schrittweise in jeder gewünschten Leistungsgröße und Froduktionsgröße realisiert werden kann, Ein weiterer Vorteil ist, dieser einfach sirukturierte Aufbau der Wasserstöffgewinnung, ist leicht wartbar, wiederkehrend prüfbar und kann leicht Instand gehalten werden. Diese Erfindung unterstützt daher die Gewerbe der Installateure und 5 Rauchfangkehrer in deren gewerblichen und wiederkehrenden Tätigkeiten, .
Diese Erfindung ist in der Produktionsleistung von 1.0 kg/h bis 20 ke/h beschränkt, um : kompakte einfache Einheiten zu ermöglichen.
Zeichen und Symbole
1 Wassertank
2 Wasser 3 Pumpe 4 Regler 3 Verdampfer / Dampferzeuger 6 elektrische Beheizung des Dampferzeugers 7 Wasserdampf 8 Kohlenmonoxid 9 Reformer 10 elektrische Beheizung u thermische Kühlung 12 Wärmetauscher : 13 Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption auf der Basis molekularen. . Kohlenstoffsiebes ; 14 Regler
15 Wasserstoff
16 Kohlendioxid
17 Verdichter
18 Regler
19 Kohlendioxid 20 Kohlendioxid ( Leckage } 21 Verdichter
22 Regler
23 Rückkühlung
24 Lavalldüse
25 Prailreaktor
26 Verdichter ; 27 Regler ;
28 Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 29 Regler. SO ;
30 Sauerstoff
31 Kohlenmonoxid
32 Verdichter 33 Regler
Zeichen Hz Wasserstoff HiQ Wasser CO Kohlenmaonoxid CO Kohlendioxid De mm CHa MT Mathe mm 5
OO N Car jerstaf£t
Abbildungen Abbildung 1
Die Abbildung 1 zeigt eine Kombination von Aufsplittung vor Kohlendioxid 19,20 in * Kohlenmenoxid 31 und Sauerstoff 30, wobei Kohlendiaxid 19,20 verdichtet wird 21, rückgekühlt 22 wird, und einer Lavalldüse 24 auf Mach 5 beschleunigt wird, das so beschleunigte Kohlendioxid in einem Prailreaktor 25 aufgespalten wird. Das Gasgemisch im Prallreaktor 25 aus Kohlenmonoexid 30 und Sauerstoff 31 wird aus dem Pralireaktor 25 : abgesaugt, verdichtet 26 und einer Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 28
in Sauerstoff 30 und Kahlenmonoxid 31 getrennt. Der Sauerstoff 30 wird abgeschieden und steht zur weiteren Verwendung, Das so gewonnene Kohlenmonoxid 31 wird mit Wasserdampf 7 in einem Keformer 9 zur Erzeugung von Synihesegas aus Kohlendioxid und | Wasserstoff verwerulet, Wasser 2 aus einem Behälter 1 wird elektrisch verdampft 5,6 und einem Reformer 9 zusammen mit Kohlenmonoxid 31 zugeführt und zu Synthesegas aus Kohlendioxid 16 und Wasserstoff 15 umgewandelt. Der Reformer 9 ist elektrisch beheizt 10 und thermisch gekühlt 11, Das Synthesegas wird rekuperativ rickgekühlt 12 und mit Hilfe einer Gastrennung 13 in Wasserstoff 15 und Kohlendioxid 16 getrennt, Das Kohlendioxid 19 wird dem Prailreaktor 25 rückgeführt. Der Wasserstoff 15 wird als Produkt gewonnen.)
Claims (1)
1. Verfahren zur ır Erzeugung von Wasserstoff ( (15) aus Wasser (2) mit Hilfe von Kohlendioxid (19,20) umfassend einen Prallreaktor 3 zekennzeichnet du rch folgende Verfahrensschritte, :
- Bereitstellung von Kohlendioxid (20) in gasförmiger Phase, um Lec kageverluste 1 im Prozess ausgleichen zu können, wobei. der Druck minimal 1. bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 10°C, maximal 25°C hat, wobei der
Volumenstrom minimal 1'm*h, maximal 10 m>/h hat, ;
Rückführung von Kohlendioxid (19) in gasförmiger Phase aus einer Gastreun ur (1 3) ‚ wobei der Druck minimal 1 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 10°C, maximal 25°C hat, wobei der Volumenstrom minimal 1m h, maximal 1000 m*/h hat,
V erdichtung von Kohlendioxid (19,20) in gasförmiger Phase mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kolbenverdichter, wobei der Druck minimal 3 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 10°C, maximal 25°C hat, wobei der . Volumenstrom minimal I m3/h, maximal 1000 m?/h hat, wobei die elektrische Leistung einen. Wert minimal IkKW, maximal 100kW hat,
Rückkühlung von. Kohlendioxid (19,20) in einem Wärmetauscher (23) in gasförm iger Phase, wobei der Druck minimal 3 bar, maxirnal 10 ber hat, wobei die Temperatiir einen Wert minimal 0°C, maximal 5°C hat, wobei der Volumenstrom minimal 1 m maximal 1C00 mö/h. hat,
- Beschleunigung von Kohlendioxid (19,20) in einer Lavalldüse (24), wobei die Geschwindigkeit von Kohlendioxid minimal einen Wert Mach 1, maximal Mach:7 hat, wobei die Expansion auf einen Druck im Pralireaktor (25) von minimal 0,001 bar, maximal 1 bar erfolgt, w. vobei der Volumenstrom minimal 1 mh, maximal 1000 mh hat
- Zerplittung von Kohlendioxid (19,20) in einem Prallreaktor (25), wobei der Druck einen Wert von minimal 0,001 bar, maximal 1 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 0°C, maximal 5°C hat, wobei die Konzentration von ; Kohlenmonoxid einen Wert minimal 60%, maximal 855% hat, wobei die Konzentration von Sauerstoff einen. Wert minimal 10%, maximal 20% hat, der restliche Anteil Kohlendioxid ist,
- Absaugung und Verdichtung des Gasgemisches aus der Prallreaktor (25) mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kolbenverdichters (26), wobei der Druck einen Wert von minimal 4 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Teniperatur einen Wert minimal von 10°C, maximal 50°C hat, wobei die Konzentration von Kohlenmonoxid einen Wert minimal 60%, maximal 85% hat, wobei die Konzentration von Sauerstoff einen.
Wert münimal 10%, maximal 20% hat; der restliche Anteil Kohlendioxid ist, "wobei" der Volumenstrom. mrirdmal. 4. öl, ‚maximal 1 1000.m9ö/h hat, E
-. Gewinnung von Sauerstoff (30) mit Hilfe einer Gastrennung (28), wobei der Volumenstrom minimal von 0,2 m/h, maximal 200 m%h hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 10°C, maximal 50°C hat, wobei der Druck einen Wert minimal von 4 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Konzentration an Sauerstoff (30) einen. Wert minimal 99%, maximal 99,99% hat, ;
- Gewinnung von Kohlenmonoxid (31) mit Hilfe einer Gastrennung (28), wobei der Volumenstrom minimal von 0,8 m3/h, maximal 800 m?/h hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal: yon 10°C, maximal 50°C hat, wobei der Druck einen Wert minimal von 0,001 bar, maximal 1 bar hat, wobei die Konzentration an Kohlenmonoxid (31} einen Wert minimal 98%, maximal 99% hat,
- Absaugung und Verdichtung von Kohlenmonoxid (31) mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kolbenverdichters (32), wobei der Druck einen Wert von minimal 1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 10°C, maximal 30°C hat, wobei die Konzentration von Kohleninenoxid einen Wert minimal 90%, maximal 100%: hat, wobei der Volumenstrom minimal 0,8 m?/h, maximal 800
mÖ/hhat, 8,
- Bereitstellung von Wasser (2) in einem Behälter (1), wobei das Wasser eine Leitfähigkeit minimal 0,01 uS/cem, maximal 10 uS/em hat, wobei der Druck einen Wert minimal 1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur minimal einen Wert 5°C, maximal 50°C hat, wobei der Volumenstrom minimal Im2@h, maximal 1000 m659/h hat,
- Verdampfen von Wasser (2) mit Hilfe elektrischer Energie (6) in einem Dampferzeuger (5), wobei der Druck einen Wert von 1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 110°C, maximal 175°C hat, wobei der Volumenstrom einen Wert minimal Im%h, maximal 1000 m?/h hat, wobei die elektrische Energie einen Wert minimal Ik, maximal 1000 KW hat,
- Bereitstellung von Wasserdampf (7), wobei der Wasserdampf eine gasförmige Phase hat, wober der Druck einen Wert von 1 bar, maximal 3 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 110°C, maximal 175°C hat, wobei der Volumenstrom einen Wert minimal Im*/h, maximal 1000 mö/h hat,
- . Rekuperatives Vorwärmen von Kohlenmönoxid (31) durch das rückgeführte Synthesegas aus dem Reformer (9), wober der Druck einen Wert von L bar bis 3 Dar) hat, wobei die Temperatur einen Wert von minimal 200°C, maximal 400°C hat...
Reformierung (9) aus dem zugeführten Kohlenmonoxid (8), aus dem zugeführ ten - Wasserdampf (7), wobei der Druck bei der Reformierung (9) einen Wert minimal von
1,0 bar, maximal 3 bar hat, wobei die: Temperatur einen Wert minimal von 200°C, maximal 800°C hat, wobei der Volumenstrom an Synthesegas einen Wert minimal 1 m2/h, maximal 1000 mh hat, wobei die elektrische Energie zur Beheizung (10) des Reformers 9 eine Leistung minimal 10 kW, maximal 1000 kW hat, wobei die thermische Kühlung (10) des Refor mers (9) einen Wert minimal von 10kW, maximal 1000 KW hat, ;
— Gastrenmmung (13) des Synth OSCHASECS aus dem Reformer (9) in Wasserstoff (15) und. Kohlendioxid (16) mit Hilfe einer Druckwechseladsorption auf der Basis von. molekularen Kohlenstoffsieb, wobei der Druck minimal 0,001 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur minimal 5°C, maximal 50°C hat,
- Gewinnung von Wasserstoff (15) aus.einer Gastrennung (13), wobei der Druck einen Wert minimal 4 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minänal 5°C, maximal 50°C hat, wobei Wasserstoff eine Reinheit minimal von 98%, maximal 99.09% hat, webel der Volumenstrom minimal Im*% hm, maximal 1000 roh hat,
- Gewinnung von Kohlendioxid (16) aus einer Gastrennung (13), wobei der Druck einen Wert minimal 8.001 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert miningal 5°C, maximal 50°C haft, wobei das Kohlendioxid eine Konzentration minimal von 90%, maximal 99% Yo: hat, wobei der Volumenstrom minimal Im%/hm, maximal 1000 m9/h hat,
- Absaugen und Verdichten von Kohlendioxid (16) aus einer Gastrennung (13) mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kolbenverdichters, wobei der Druck einen Wert minimal 1 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 5°C, maximal 50°C hat, wobei das Kohlendioxid eine Konzentration minimal yon 90%,
maximal 99% hat, wobei der Volumenstrom minimal 1im%*hm, maximal 1000 m5fhh hat;
- Rückführung von Kohlendioxid {19) aus einer Gastrennung (13) dem Prallreakter (25) , wobei der Druck einen Wert muünimal 1 bar, maximal 10 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 5°C, maximal 50°C hat, wobei das Kohlendioxid eine Konzentration minimal von 90%, maximal 99% hat, wobei der Volumenstrom minimal Im®/ha, maximal 1000 mh. hat,
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2023
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