LU103015B1 - Anlage und Verfahren zur Erzeugung von grünem Harnstoff - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, wobei die Vorrichtung eine Ammoniakquelle 10 und eine Harnstoffsyntheseeinheit 20 aufweist, wobei die Ammoniakquelle 10 über eine Eduktleitung 30 mit der Harnstoffsyntheseeinheit 20 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine 40 aufweist, wobei die Ammoniakquelle 10 mit einer Brennstoffleitung 50 mit der Ammoniakgasturbine 40 verbunden ist, wobei die Ammoniakgasturbine 40 über eine Dampfleitung 60 mit der Harnstoffsyntheseeinheit 20 verbunden ist.
Description
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Anlage und Verfahren zur Erzeugung von grünem Harnstoff
Die Erfindung betrifft die Herstellung von grünem Harnstoff.
Die Produktion grüner Chemikalien wird zunehmend wichtig. Die Produktion von grünem
Ammoniak steht hierbei klar in einem Fokus, da für die Herstellung von Ammoniak derzeit fast ausschließlich Erdgas verwendet wird. Bei dieser Herstellung fällt Kohlendioxid (CO») als Nebenprodukt an. Sofern dieses Kohlendioxid nicht weiterverwendet wird, wird dieses in die Umgebung abgegeben. Harnstoffanlagen können jedoch dieses Kohlendioxid zusammen mit dem Ammoniak zur Umsetzung zu Harnstoff nutzen, welcher vor allem als Düngemittel Verwendung findet. Die Verwendung beider Produktströme der
Ammoniakanlage in der Harnstoffanlage ist ein Grund, weshalb diese beiden Anlagen oftmals miteinander fest verbunden werden. Dieser Anlagenverbund hat weiter den
Vorteil, dass beispielsweise Dampf als Energieträger zwischen beiden Anlagen ausgetauscht werden kann. Das bei der Harnstoffproduktion gebundene Kohlendioxid wird bei dessen Einsatz auf dem Feld letztendlich wieder freigesetzt. Da dieses
Kohlendioxid aus dem Erdgas der Ammoniakproduktion stammt, ist der so hergestellte
Harnstoff nicht grün.
Die Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und CO, findet weltweit in Großanlagen-
Maßstab statt und ist dem Fachmann bekannt. Ein Verfahren wird in
US 2018 / 0208551 A1 beschrieben.
Aus der EP 3 725 401 A1 ist die Verwendung von erneuerbaren Energie zur Herstellung von Chemikalien bekannt, indem anstelle von meist mit fossilen Energieträgern erzeugten Dampf nun verstärkt Strom zum Einsatz kommt.
Aus der CN 111378980 A ist ein Energiespeichersystem für die Herstellung von
Wasserstoff und Harnstoff bekannt.
Aus der US 2019 / 0152901 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak und daraus Harnstoff bekannt, bei dem eine konventionelle Gasturbine basierend auf Erdgas als Brennstoff zum Einsatz kommt.
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Bisher stellten die Herstellung von Ammoniak und die weitere Umsetzung zu Harnstoff üblicherweise eine Verbundanlage dar. Die Herstellung von Ammoniak erfolgt heutzutage fast ausschließlich im Haber-Bosch-Verfahren. Dabei wird zunächst aus Erdgas
Wasserstoff und CO, hergestellt, wobei die benötigte Wärmeenergie meist ebenfalls mittels Erdgas erzeugt wird. Im weiteren Verlauf wird dieser Wasserstoff mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak umgesetzt. Im Haber-Bosch-Verfahren entsteht als
Prozessabwärme Dampf, der sowohl für die Ammoniakproduktion selbst aber auch sehr gut für andere Prozesse, wie zum Beispiel einen nachfolgenden Harnstoffprozess, nutzbar ist. Der hohe Dampfbedarf für den Harnstoffprozess ergibt sich zu einem aus der häufig eingesetzten Dampfturbine des benötigten CO,-Kompressors und zum anderen aus der Notwendigkeit in der Synthese mehrere thermische Trennverfahren durchzuführen.
Durch die Umstellung der Ammoniaksynthese auf eine grüne Syntheseroute verändert sich deren Prozesscharakteristik grundlegend. Der erste Schritt der grünen Synthese ist üblicherweise die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse aus regenerativ erzeugter Energie. Alternativ kann Ammoniak auch direkt auf elektrochemischem Weg erzeugt werden. Dadurch entsteht als Nebenprodukt kein CO, mehr, welches aber als
Einsatzstoff für die Harnstoffsynthese benötigt wird. Durch die Unabhängigkeit vom bisherigen Rohrstoff Erdgas wird es außerdem möglich, die Ammoniaksynthese bevorzugt in Regionen zu verlegen, in welchen regenerative Energien einfach verfügbar sind (zum Beispiel sonnenreiche Wüstenregionen). In diesem Zusammenhang wird ebenfalls diskutiert, dass so erzeugte Ammoniak als leicht zu transportierendes
Speichermedium von erneuerbaren Energien auch über längere Strecken zu nutzen.
Dabei macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass Ammoniak vergleichsweise einfach zu verflüssigen ist (anders als zum Beispiel Wasserstoff) um einen flüssigen
Energieträger mit hoher Energiedichte zu erhalten.
Im Unterschied zu Ammoniak lässt sich CO, nicht so leicht über größere Distanzen transportieren. Daher ist es realistisch anzunehmen, dass neue Harnstoffsynthesen zukünftig in der Nahe von bislang kaum oder nicht genutzten CO,»-Quellen, beispielsweise einer Müllverbrennungsanlage oder einer Zementproduktion, angeordnet
210515P00LU 22.09.2022103015 3/9 werden. Diese Standorte können jedoch örtlich weit getrennt von Ammoniaksynthesen sein. Hieraus ergibt sich nun die Herausforderung, dass der üblicherweise aus der
Ammoniaksynthese bereitgestellte Dampf (Energie) für die Harnstoffproduktion fehlt.
Aber selbst, wenn eine grüne Ammoniaksynthese mit einer Harnstoffsynthese im unmittelbaren Verbund betrieben wird, so reicht die geringere Dampfproduktion dieser
Ammoniaksynthese nicht mehr aus, den Energiebedarf der Harnstoffsynthese zu decken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Erzeugung von grünem Harnstoff aus grünem Ammoniak bereitzustellen, bei der die Harnstoffsynthese vom bisherigen
Anlagenverbund mit einer grauen Ammoniaksynthese entkoppelt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Synthese von Harnstoff. Die Vorrichtung weist eine Ammoniakquelle und eine Harnstoffsyntheseeinheit auf. Die
Harnstoffsyntheseeinheit ist eine übliche, dem Fachmann bekannte
Harnstoffsyntheseeinheit zur Herstellung von Harnstoff. Die Harnstoffsyntheseeinheit besteht üblicherweise aus mehreren Prozessschritten und Apparaten, unter anderem einem Harnstoffreaktor. Ziel der Erfindung ist gerade nicht in den eigentlichen Prozess (und damit die Anlage) der Synthese des Harnstoffs einzugreifen, sondern die Anbindung an die Umgebung so zu gestalten, dass der Herstellungsprozess nach aktuellem Stand auch ohne die Verbindung mit einer insbesondere Erdgas-betriebenen Ammoniak-
Synthese-Vorrichtung funktioniert. Ammoniakquelle ist im Sinne der Erfindung weit zu verstehen. Die Ammoniakquelle kann eine Ammoniaksynthesevorrichtung sein. Ebenso kann die Ammoniakquelle aber auch beispielsweise ein Lagertank oder ein Anschluss an eine Ammoniakpipeline sein. Wesentlich ist lediglich, dass die Ammoniakquelle keinen oder nur noch unzureichend Dampf und kein CO, mehr für die Harnstoffsyntheseeinheit bereitstellt. Die Ammoniakquelle ist über eine Eduktleitung mit der
Harnstoffsyntheseeinheit, insbesondere mit einem oder mehreren Apparaten der
Harnstoffsyntheseeinheit, verbunden. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine
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Ammoniakgasturbine auf. Ammoniakgasturbinen werden derzeit für den industriellen
Einsatz gebaut, um eine Verstromung des grün hergestellten Energietrâägers Ammoniak zu ermöglichen. Die Ammoniakquelle ist mit einer Brennstoffleitung mit der
Ammoniakgasturbine verbunden. Die Ammoniakgasturbine ist über eine Dampfleitung mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden. Damit stellt die Ammoniakgasturbine die für den Harnstoffprozess notwendige Energie zur Verfügung, die somit nicht mehr aus einer grauen Ammoniaksynthese kommt.
Eine Ammoniakgasturbine ist eine Gasturbine, welche mit Ammoniak als Brenngas arbeitet. Eine solche Ammoniakgasturbine kann sowohl thermische Energie als auch mechanische Energie bereitstellen, die auf unterschiedliche Art und Weise für die
Harnstoffsyntheseeinheit genutzt werden können.
Die Verwendung von grünem Ammoniak als Energielieferant hat den Vorteil, dass an dem Standort der Vorrichtung keine regenerative Energieproduktion zur Verfügung stehen muss, beziehungsweise nicht zuverlässig vorhanden sein muss. Da die
Verbrennung von grünem Ammoniak CO,-freie Energie erzeugt, kann somit eine grüne
Energiebereitstellung für die Harnstoffsynthese in einfacher Weise erfolgen. Diese
Verbrennung von gasförmigen Ammoniaks kann in Gasturbinen effizient erfolgen, wobei der dafür benötigte Platz sehr viel kleiner ist als für andere regenerative
Energielieferanten wie zum Beispiel für einen Windpark und/oder eine
Photovoltaikanlage.
Aufgrund der Nutzung von grün produzierten Ammoniak sowohl als Einsatzstoff für die
Harnstoffsynthese als auch zur Produktion von grüner Energie, zum Beispiel von Strom oder Dampf, in Kombination mit der Verwendung von aus anderen Quellen stammenden
Kohlendioxids, kann der so produzierte Harnstoff als grün im Sinne von CO--neutral bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine über eine weitere Dampfleitung mit einem Haber-Bosch-Reaktor zu Ammoniaksynthese verbunden. Insbesondere wird der im Haber-Bosch-Prozess erzeugte Dampf in der
Ammoniakgasturbine überhitzt und dann dem Harnstoffreaktor zugeführt. Hierzu weist
210515P00LU 22.09.2022103015 5/9 die Ammoniakgasturbine bevorzugt einen Wärmetauscher auf, in dem der Wasserdampf mit den Verbrennungsabgasen weiter erhitzt wird. Der Dampf kann in der
Harnstoffsyntheseeinheit als Wärmeträger, also beispielsweise auch in nur einem oder mehreren Wärmetauscher des Harnstoffreaktors eingesetzt werden. Der Dampf dient somit nur als Wärmeträger.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine zum direkten Antrieb eines CO»,-Kompressor ausgebildet. CO, fällt beispielsweise in der
Abgasreinigung oder bei Biogasanlagen ungefähr bei Umgebungsdruck an. Für die
Harnstoffsynthese muss das CO, beispielsweise auf 150 bar komprimiert werden. Durch die direkte Kopplung wird eine doppelte Nutzung der Ammoniakgasturbine erzielt, die
Abwärme wird direkt im Prozess genutzt und die mechanische Leistung wird für die
Kompression des CO, genutzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine kraftschlüssig mit einem Generator verbunden. Die Ammoniakgasturbine treibt also den
Generator an, sodass durch die Verbrennung von Ammoniak Strom erzeugt werden kann. Der Generator ist elektrisch mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden. Diese
Kombination hat den Vorteil, dass es eine von der übrigen Infrastruktur sichere
Stromquelle darstellt. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von grünen Ammoniak zur
Produktion von grünen Strom, da andere regenerative Energiequellen wie Sonne und
Strom Schwankungen ausgesetzt sein können
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Generator elektrisch mit dem
CO,-Kompressor verbunden.
Bei unterschiedlichen Drehzahlen von Gasturbine und Kompressor beziehungsweise
Generator kann die Kraftübertragung zwischen beiden Maschinen über ein Getriebe erfolgen.
Bei der Verbrennung von Ammoniak können sich abhängig vom Betriebszustand
Stickoxide in der Gasturbine bilden, welche in einer sich anschließenden
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Abgasbehandlung entfernt werden müssen. Hierfür sind dem Fachmann bereits gelaufige
Verfahren wie zum Beispiel die selektive katalytische Reduktion bekannt.
IN einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakturbine kraftschlüssig mit dem CO,-Kompressor verbunden. Die Ammoniakturbine treibt in dieser
Ausführungsform direkt mechanisch den CO,-Kompressor an, sodass Energieverluste, beispielweise bei Verstromung und elektrischem Betrieb des CO»-Kompressors vermieden werden kônnen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist eine thermische Spaltvorrichtung auf.
Die thermische Spaltvorrichtung ist zur Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und
Stickstoff ausgebildet. Die thermische Spaltvorrichtung ist mit der Ammoniakquelle verbunden. Hierdurch wird Ammoniak der Spaltvorrichtung zugeführt. Die thermische
Spaltvorrichtung ist mit der Ammoniakgasturbine verbunden. Da der
Verbrennungsprozess von Ammoniak selber Schwankungen unterliegen kann, wird in einigen Varianten der Ammoniakgasturbine zur stabileren Verbrennung Wasserstoff zugemischt. Für diese Spaltung ist hilfreich, dass zwischen Stickstoff und Wasserstoff sowie Ammoniak ein Gleichgewicht besteht, welches bei niedrigem Druck zu den
Elementen verschoben werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Wasserstoffquelle auf. Eine Wasserstoffquelle im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung, ein Wasserstofftank oder der
Anschluss an ein Wasserstoffnetz sein. Die Wasserstoffquelle ist über eine
Wasserstoffleitung mit der Ammoniakgasturbine verbunden. Dadurch kann eine gewisse
Wasserstoffmenge dem Ammoniak zu dosiert werden, sodass eine stabilere
Verbrennung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine über eine
Wärmeleitung mit der thermischen Spaltvorrichtung verbunden. Es wird somit die
Abwärme der Ammoniakgasturbine genutzt, um Ammoniak wenigstens anteilig zurück in
Wasserstoff und Stickstoff zu zerlegen.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 erste Ausführungsform
Fig. 2 zweite Ausführungsform
Fig. 3 dritte Ausführungsform
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. gezeigt. Die Vorrichtung befindet sich bevorzugt in der Nähe einer geeigneten CO,-
Quelle 80. Die CO,-Quelle 80 kann beispielsweise eine Müllverbrennungsanlage, eine
Biogasanlage oder ein Direct Air Capture Verfahren sein. Da der für die Herstellung von grünem Harnstoff hergestellte Ammoniak eben nicht aus Erdgas hergestellt wird, ist eben nicht wie bisher eine Ammoniaksynthesevorrichtung die CO,-Quelle. Die Vorrichtung weist weiter eine Ammoniakquelle 10 auf. Die Ammoniakquelle 10 kann theoretisch eine
Ammoniaksynthesevorrichtung sein. Letzteres macht aber nur dann Sinn, wenn es an diesem Standort sowohl genügend regenerative Energie zur Erzeugung des grünen
Ammoniaks als auch eine geeignete CO--Quelle 80 für die Harnstofferzeugung gibt.
Davon ist jedoch nicht in allen Fällen auszugehen, vielmehr kann erwartet werden, dass dieses nicht der Fall ist. Damit wird Ammoniak von der Ammoniaksynthesevorrichtung zu den Verbrauchern, beispielsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung transportiert.
Daher kann es sich bei der Ammoniakquelle 10 auch um einen Lagertank oder um einen
Anschluss an eine Ammoniakpipeline handeln.
Ammoniak wird aus der Ammoniakquelle 10 über eine Eduktleitung 30 der
Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. Ebenso wird das Kohlendioxid aus der CO,-
Quelle 80 über einen CO,-Kompressor 70, in dem das Kohlendioxid auf den für die
Harnstoffsynthese benötigten Druck gebracht wird, einem Apparat der
Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. In der Harnstoffsyntheseeinheit 20 erfolgt die
Umsetzung von Kohlendioxid und Ammoniak zu Harnstoff. Der Harnstoff verlässt der
Harnstoffsyntheseeinheit 20 als Produkt und wird beispielsweise einer
Granulationsvorrichtung zugeführt, optional vorher mit weiteren Komponenten vermischt.
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Um nun die notwendige Energie zur Verfügung zu stellen, weist die Vorrichtung eine
Ammoniakgasturbine 40 auf. Die Ammoniakgasturbine 40 ist Über eine Brennstoffleitung mit der Ammoniakquelle 10 verbunden. Wenn in der Ammoniakgasturbine 40 grün hergestelltes Ammoniak umgesetzt wird, ist die somit erzeugte Energie ebenfalls frei von
CO--Emissionen. Bei der Verbrennung von Ammoniak werden nur Stickstoff und Wasser erzeugt und an die Umgebung abgegeben.
Die Ammoniakgasturbine 40 ist kraftschlüssig mit dem CO,-Kompressor 70 verbunden, insbesondere sind beide auf der gleichen Welle angeordnet, die gegebenenfalls ein
Getriebe beinhaltet. Dadurch treibt die Ammoniakgasturbine 40 den CO,-Kompressor 70 direkt an. Gleichzeitig wird die in der Ammoniakgasturbine 40 erzeugte Abwärme genutzt um in einem nachgeschalteten Wärmetauscher Dampf zu produzieren, welcher über eine
Dampfleitung 60 der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. Hierbei kann der Dampf auch in einem dem eigentlichen Verbrennungsprozess nachgelagerten Wärmetauscher entstammen.
Optional zusätzlich kann, wie hier gezeigt, die Ammoniakgasturbine 40 auch kraftschlüssig mit einem Generator 90 verbunden sein. Die dort erzeugte elektrische
Energie kann über eine elektrische Verbindung 100 der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zur
Verfügung gestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, die zusätzlich zur ersten Ausführungsform eine thermische Spaltvorrichtung 110 aufweist. Die thermische Spaltvorrichtung 110 wird über eine Warmeleitung 120 mit der Abwärme der Ammoniakgasturbine 40 gespeist. Ein Teil des Ammoniaks aus der Ammoniakquelle 10 wird der thermischen Spaltvorrichtung 110 zugeführt und das erzeugte Gemisch aus Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff wird der
Ammoniakgasturbine 40 zugeführt. Durch den zusätzlichen Wasserstoff kommt es zu einer stabileren Verbrennung in der Ammoniakgasturbine 40.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, die sich von der in Fig. 1 gezeigten ersten
Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Ammoniakgasturbine 40 nur kraftschlüssig mit dem Generator 90 verbunden ist, insbesondere auf der gleichen Welle angeordnet ist. Der Generator 90 ist Uber eine elektrische Verbindung mit dem CO--
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Kompressor 70 verbunden, der entsprechend rein elektrisch betrieben wird. Vorteil dieser
Ausführungsform ist die optimale Fahrweise der Ammoniakgasturbine 40 für den
Generator 90, so dass leichter auf einen schwankenden Strombedarf, beispielsweise in der Harnstoffsyntheseeinheit 20 und unabhängig vom zu verdichtenden CO,-Gasstrom reagiert werden kann.
Bezugszeichen
Ammoniakquelle
Harnstoffsyntheseeinheit
Eduktleitung
Ammoniakgasturbine
Brennstoffleitung 60 Dampfleitung 70 CO+-Kompressor 80 CO2-Quelle 90 Generator 100 elektrische Verbindung 110 thermische Spaltvorrichtung 120 Wärmeleitung 130 Produktauslass 140 Abgas
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, wobei die Vorrichtung eine Ammoniakquelle (10) und eine Harnstoffsyntheseeinheit (20) aufweist, wobei die Ammoniakquelle (10) über eine Eduktleitung (30) mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine (40) aufweist, wobei die Ammoniakquelle (10) mit einer Brennstoffleitung (50) mit der Ammoniakgasturbine (40) verbunden ist, wobei die Ammoniakgasturbine (40) über eine Dampfleitung (60) mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) zum Antreiben eines CO,-Kompressor (70) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) kraftschlüssig mit einem Generator (90) verbunden ist, wobei der Generator (90) elektrisch mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) elektrisch mit dem CO,-Kompressor (70) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) kraftschlüssig mit dem CO,-Kompressor (70) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Spaltvorrichtung (110) aufweist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) zur Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff ausgebildet ist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) mit der Ammoniakquelle (10) verbunden ist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) mit der Ammoniakgasturbine (40) verbunden ist.
210515P00LU
22.09.2022103015 212
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) über eine Warmeleitung (120) mit der thermischen Spaltvorrichtung (110) verbunden ist.
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