DE102007026008A1

DE102007026008A1 - Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Dissoziation, sowie Dissoziationseinrichtung selbst

Info

Publication number: DE102007026008A1
Application number: DE102007026008A
Authority: DE
Inventors: Franz Wimmer; Hermann Helmbold
Original assignee: Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Current assignee: Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: DE102007026008B4; WO2008148504A2; EP2155378A2; WO2008148504A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Dissoziation sowie eine Dissoziationseinrichtung selbst, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 11. Um hierbei zu erreichen, dass Wasserstoff auf eine baulich kompakte Weise und damit effizient erzeugbar bzw. gewinnbar ist, so dass er mobil und/oder am Ort des Bedarfes erzeugbar ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem Reaktionsraum Wasser und/oder Wasserdampf und/oder ein Gas-Wasser-Gemisch und/oder ein Biogas-Wasser-Gemisch eingeleitet und sodann mit elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich beaufschlagt wird und dass eine Trennung der Ionen über ein elektrisches Feld erfolgt und Wasserstoff im Bereich einer Elektrode abgezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Dissoziation, sowie Dissoziationseinrichtung selbst, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 11.
Im Hinblick auf die aktuelle Klimaproblematik stellt der Treibhauseffekt ein zentrales Problem dar. Dieser wird wesentlich durch den Einsatz fossiler Brennstoffe und Energieträger bestimmt.
Hinzu kommen knapper werdende Ressourcen solcher Energieträger. In diesem Sinne sind Alternative längst auf dem Vormarsch. Neben den nachwachsenden Rohstoffen bspw aus Biomasse spielt Wasserstoff eine zunehmende Rolle. Die Dissoziation von Wasser zur Abspaltung des Wasserstoffes ist ein exothermer bzw energieaufzehrender Prozess. Dabei stellt der Betrieb einer konventionellen Dissoziation bspw über die Elektrolyse eine Möglichkeit dar, die hohe einzubringende Energie bedingt. Werden diese Elektrolyse-Verfahren über konventionell, also fossil erzeugten Strom betrieben, so ist deren Gesamtenergiebilanz so schlecht, dass es sich schon aus diesem Grund nicht fü den Großeinsatz so erzeugten Wasserstoffes lohnt. Auch ökologisch gesehen nicht.
Aus diesem Grund werden solche Verfahren zunehmend über solare Energiezufuhr betrieben. Im Hinblick auf eine ökologische Energiebilanz ist dies schon deutlich besser.
Aus der JP 2006 34 56 49 ist eine Verfahren und eine Einrichtung bekannt, bei welchem, bzw bei welcher Wasserstoff ausschließlich aus der klassischen Elektrolyse hergestellt wird. Der dazu benötigte Strom wird in diesem bekannten Verfahren aus Windenergie gewonnen.
Alternativ dazu wäre auch denkbar, den benötigten Strom aus Solaranlagen zu beziehen.
Nachteilig ist nur, dass der Wasserstoff dann nur dort gewonnen werden kann, wo große Solar- oder Windenergiemengen zur Verfügung stehen. Das heisst der so erzeugte Wasserstoff muss über weite Strecken zur Verbrauchsstelle transportiert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wasserstoffgewinnung sowie eine Dissoziationseinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass Wasserstoff auf eine baulich kompakte Weise und damit effizient erzeugbar bzw gewinnbar ist, so dass er mobil und/oder am Ort des Bedarfes erzeugbar ist.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass in einem Reaktionsraum Wasser und/oder Wasserdampf und/oder ein Gas-Wasser-Gemisch und/oder eine Biogas-Wasser-Gemisch eingeleitet und sodann mit elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich beaufschlagt wird, und dass eine Trennung der Ionen über ein elektrisches Feld erfolgt, und Wasserstoff im Bereich einer Elektrode abgezogen wird.
Mittels der elektromagnetischen Energie wird auf die Bindungen der Wasserstoffe in den Molekülen eingewirkt, dass diese ganz erheblich gelockert werden. Dabei entstehen freie Wasserstoffe aus den gelockerten und letztlich aufreißenden Bindungen.
Hierbei wird Wasserstoff in einer Art Durchleitungsverfahren erzeugt. So kann kontinuierlich Wasserstoff erzeugt und als Energieträger einer Energieerzeugungseinrichtung zugeführt werden. Auf diese Weise wird der Wasserstoff bedarfsweise erzeugt und nicht aus einem Reservoir entnommen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass der Reaktionsraum bzw das durch den Reaktionsraum durchgeleitete Medium zusätzlich mit Ultraschall beaufschlagt wird. Die Kombination von Ultraschallenergie und elektromagnetischer Energie erweist sich als sehr effektiv in Bezug auf die Wasserstoffgewinnung. Bei der in das flüssige Medium eingespeisten Ultraschallenergie wird der Effekt der Kavitation ausgenutzt.
Insbesondere in Bezug auf die zusätzlich eingeleitete Ultraschallenergie ist das Verfahren derzeit nur in Flüssigkeiten anwendbar. Dennoch können auch Gase verwendet werden, wenn diese in die Flüssigkeit d. h. in Wasser zuvor eingeleitet werden. In Bezug auf die Flüssigkeit sowie die in die Flüssigkeit eingeleiteten Gase ist hierbei der Wirkungsgrad deutlich höher, als bei einer Beaufschlagung des Gases in der Gasphase.
Ein weiterer Punkt ist hierbei die technische Umsetzung, nämlich dass die zur Ultraschallerzeugung und -einspeisung verwendeten Piezogeneratoren zur effektiven Ankopplung an das Medium an Flüssigkeiten ankopppeln müssen.
Weiterhin vorteilhaft ist es dabei, eine elektromagnetische Energie zuzuführen, die im Frequenzbereich der Mikrowellenenergie, d. h. in einem Bereich um 1,25 GHz +/– 250 MHz liegt. Mikrowellengeneratoren bekannter Art können daher hier in einfacher Weise eingesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ultraschallschwingung und/oder die elektromagnetische Schwingung als Pulspakete mit ggfs aufmodulierten höher frequenten Oberschwingungen generiert werden, und das Medium auf diese Weise mit Pulsen beaufschlagt wird. Das Pulsen erzeugt sozusagen eine Rechteckschwingung bei welcher die Halbe Periode durch die Dauer des Pulses gegeben wird. Auf dem Rechteckpuls sitzt dann aufmoduliert die hochfrequente bspw 1,25 Mhz-Schwingung. Dabei können auch weitere höherfrequente Anteile in den Pulspaketen aufmoduliert werden. Wesentlich ist hierbei nur, dass die gewählte Frequenz an die zu lösenden Wasserstoffbindungen resonant ankoppeln. Hierzu können auch harmonische und subharmonische Frequenzen gewählt werden. Hierüber ist die Ausbeute an gewonnenem freien Wasserstoff einstell- bzw beeinflussbar.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff innerhalb einer Vorstufe einer Wasserstoff-Verbrennungsmaschine oder einer Wassserstoffenergieeinrichtung wie Kolbenmotor oder Turbine oder einer Brennstoffzelle angewendet wird.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Bedarf an Wasserstoff in der Wasserstoffenergieeinrichtung im Betrieb immer aktuell mindestens einen Stellwert für die Wasserstofferzeugung generiert, derart dass Leistungsabfrage und Wasserstoffbedarf einen Regelkreis bilden. So wird der Wasserstoff nicht mehr einem Reservoir oder einem starren Gasleitungsnetz entnommen, sondern der Wasserstoff wird bedarfsweise erzeugt.
Zur weiteren Verbesserung des Effektes der Wasserstoffgewinnung aus der Abspaltung desselben aus chemischen Bindungen des Mediums ist angegeben, dass dem Wasser oder dem Wasser-Wasserdampf-Gemisch oder dem Wasser-Gas-Gemisch oder dem Wasser-Biogas-Gemisch vor Erreichen des Reaktionsraumes flüssige Katalysatorstoffe wie Tenside beigemischt werden. Mittels dieser flüssigen Katalysatorstoffe findet eine Absenkung von Kohäsionskräften statt, die den Wasserstoffgewinnungsprozess begünstigen.
Im Hinblick auf eine Einrichtung ist daher vorgesehen, dass die Dissoziationseinrichtung einen Reaktionsraum aufweist, durch welchen Wasser und/oder Wasserdampf und/oder ein Gas-Wasser-Gemisch und/oder ein Biogas-Wasser-Gemisch durchleitbar ist, und ferner am Reaktionsraum ein Mikrowellengenerator angeordnet ist, der den Reaktionsraum, bzw das dort durchgeleitete Medium mit elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbreich beaufschlagt ist, und die Wasserstoffionen über mindestens eine im Reaktionsraum angeordente Elektrode als Gas abziehbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dissoziationseinrichtung ist vorgeschlagen, dass das durchgeleitete Medium zusätzlich mit Ultraschallenergie über einen Ultraschallgenerator beaufschlagbar ist. Die Kombination von Ultraschall- und Mikrowellen-Beaufschlagung ist besonders effektiv für die Erzeugung von Wasserstoff, der sodann als Energieträger dient und ggfs sofort weiterverwertet werden kann.
So eignet sich diese Einrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff auch als Vorstufe für einen Kolbenkraftmaschine, eine Verbrennungsmaschine allgemein, oder eine Turbine. So wird aus dem erzeugten Wasserstoff mechanische und/oder elektrische und/oder thermische Energie gewonnen.
Zur direkten elektrischen Energieerzeugung ist die Nachschaltung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle von Vorteil.
Insgesamt wird beim Betrieb dieses Verfahrens bzw bei einer entsprechenden Einrichtung zunächst Wasserstoff erzeugt. Dabei werden aus dem eingeleiteten Gas auch die langkettigen Moleküle durch die kombinatorische Wirkung von Kavitationseffekt und Mikrowellenenergie so gespalten, dass zum einen kürzere Molekülketten erzeugt werden, die von höherem energetischen weiteren Nutzen sind, und zudem fällt Wasserstoff an, der auf die beschriebene Weise genutzt wird, bzw werden kann.
Im Hinblick auf einen vorteilhaften Einsatz der erfindungsgemäßen Dissoziationseinrichtung ergibt sich, dass die Einrichtung als integrierte Vorstufe für ein Fahrzeug eingesetzt wird. Die erfindungsgemäße Technik ist kompaktbauend und lässt sich damit ohne weiteres in ein Fahrzeug integrieren.
In Bezug auf eine erfindungsgemäße Verwendung ist angegeben, dass die erfindungsgemäße Dissoziationseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, betrieben nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, als kombinierter Gasfilter und Wasserstofferzeuger verwendet werden kann. Dabei kann sie beide technische Funktionen quasi gleichzeitig erfüllen. Dies erweitert die Anwendungsmöglichkeiten.
In einer weiteren Ausgestaltung ist angegeben, dass die Dissoziationseinrichtung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) mit eingesetzt oder integriert wird. Durch die kompakte Bauform ist dies ohne weiteres möglich. Dabei lässt sich die Einrichtung auch wiederum hinsichtlich entstehender Wärmeüberschüsse mit in den Kraft/Wärme-, oder Energie/Wärme-Prozess mit einbinden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Schematische Darstellung der Komponenten einer Dissoziationseinrichtung.
2: Verwendung in einem Blockheizkraftwerk
1 zeigt einen schematischen Aufbau aller wichtigen Komponenten in einem Ausführungsbeispiel.
Der Reaktionsraum 1 wird von links mit einem Gas-Wasser-Gemisch beströmt. Das Wasser wird zuvor einem Gas-Wasser-Mischer zugeführt, der optional aber nicht ausschließlich auch mit Gas beströmt werden kann. Es wird aus dem zugeführten Wasser oder Gas-Wasser-Gemisch im Reaktionsraum durch Mikrowellenenergie des Mikrowellengenerators 3 Wasserstoff erzeugt. In diesem Beispiel wird zur Verstärkung des Wasserstoffertrages optional zur Mikrowellenenergie auch Schallenergie durch den Ultraschallgenerator 2 zugeführt. Die Kombination von Kavitationseffekt und Spinkopplungseffekten auf die Wasserstoff- bzw Wasserstoffbrückenbindungen erzeugt sehr effektiv Wasserstoff.
So kann aber zusätzlich zum zugeführten Wasser über den Gas-Wasser-Mischer 4 auch noch Gas zugeführt werden, aus welchem unter anderem auch Wasserstoff abspaltbar ist. Diese können Biogas, oder Methan oder auch andere Gase sein. Für den Fall, dass zuzüglich auch eine zusätzliche Filterwirkung genutzt werden soll, können auch Abgase, bspw auch teerige Abgase mit langkettigen Molekülen beigemischt werden.
Im Reaktionsraum erfolgt die Spaltung der Moleküle, und die Spaltung des Wassermoleküls selbst. Dabei entsteht unter anderem Wasserstoff der nachfolgend an einer entsprechenden Elektrode 6 gesammelt und abgezogen werden kann. Diese Elektrode kann dabei eine Hohlelektrode sein, durch die gleichzeitig der dort eingefangene Wasserstoff abgezogen werden kann. Gleichzeitig findet dort wieder einer Trennung von Gas und Wasser statt, in einem Gas-Wasser-Trenner 5.
Der Wasserstoff 7 wird dabei durch die Hohlelektrode 6 abgezogen und das übrige Gas 8 am Ende des Gas-Wasser-Trenners 5.
Beide Gase sind energetisch nutzbar. Wasserstoff kann dabei mit Hilfe der bekannten Knallgasreaktion in einer Kolbenmaschine mechanische Energie erzeugen, die entweder als Bewegungsenergie nutzbar ist, oder verstromt wird. Darüber hinaus kann der Wasserstoff auch einer Brennstoffzelle zur direkten Verstromung zugeführt werden.
Bei dem übrigen Gas 8 kann ebenso eine entsprechende energetische Nutzung erfolgen.
Am Ausgang der Energieeinrichtung 9 kann das Wasser, als Abfallprodukt einer Knallgasreaktion oder das vorher wieder im Gas-Wasser-Trenner 5 abgetrennte Wasser zurückgespeist werden an den Eingang des Gas-Wasser-Mischers.
Insgesamt entsteht hierdurch ein geschlossener Wasserkeislauf, bei dem die entstehende Restwärme wiederum im System verbleibt und wiederum genutzt werden kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Dissoziationseinrichtung gemäß 1 in einer Anlage eines Blockheizkraftwerkes BHKW 20 integriert sein kann. Das Blockheizkraftwerk wird wie die Energieeinrichtung 9 in 1 mit Wasserstoff 7 und/oder gereinigtem Gas 8 betrieben. Wasserstoff kann dabei in eine Knallgasreaktion überführt und mechanisch und/oder thermisch genutzt werden. Oder aber es wird direkt in einer Brennstoffzelle verstromt, während die entstehende Abwärme wiederum auch genutzt wird. Es sind ausserdem auch Methan-Brennstoffzellen bekannt, so dass auch andere Gase direkt verstromt werden können.
Das Reaktionswasser wird über eine Wärmeturbine geführt, so dass die anfallende Wärme auch dort wieder genutzt werden kann, um diese entweder nachzuverstromen oder die Wärme in ein Wärmenetz 40 einzuspeisen.
Der Ausgang des BHKWs 20 liefert somit sowohl elektrische und/oder mechanische Energie als auch Wärmeenergie.
Bei den verschiedenen genannten Verwendungen ergibt sich aus der Tatsache, dass die gesamte Einrichtung kompakt ist, dass diese auch als Einheit in einem Fahrzeug oder einem Blockheizkraftwerk integriert sein kann.
Im Falle einer Anwendung im Fahrzeug ergibt sich eine vorteilhafte autarke somit bewegbare Baugruppe.

1: Reaktionsraum
2: Ultraschallgenerator
3: Mikrowellengenerator
4: Gas-Wasser-Mischer
5: Gasabzugsraum mit Gas-Wasser-Trenner
6: Elektrode mit Abgasöffnung
7: Wasserstoffgas-Ausgang
8: Gas-Wasser-Ausgang
9: Energieanlage (Brennstoffzelle, Kolbenmaschine etc)
10: Wasserrückführung aus Knallgasreaktion
20: Blockheizkraftwerk BHKW
21: Wärmeturbine
30: elektrisches Netz
40: Wärmenetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2006345649 [0005]

Claims

Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Dissoziation, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reaktionsraum Wasser und/oder Wasserdampf und/oder ein Gas-Wasser-Gemisch und/oder ein Biogas-Wasser-Gemisch eingeleitet und sodann mit elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbereich beaufschlagt wird, und dass eine Trennung der Ionen über ein elektrisches Feld erfolgt, und Wasserstoff im Bereich einer Elektrode abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum bzw das durch den Reaktionsraum durchgeleitete Medium zusätzlich mit Ultraschall beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffgewinnung während einer kontinuierlichen Zuführung oder Durchleitung des Mediums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Mikrowellenenergie in einem Bereich um 1,25 GHz +/– 250 MHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingung und/oder die elektromagnetische Schwingung als Pulspakete mit ggfs aufmodulierten höher frequenten Oberschwingungen generiert werden, und das Medium auf diese Weise mit Pulsen beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff innerhalb einer Vorstufe einer Wasserstoff-Verbrennungsmaschine oder einer Wassserstoffenergieeinrichtung wie Motor oder Turbine oder Brennstoffzelle vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarf an Wasserstoff in der Wasserstoffenergieeinrichtung im Betrieb immer aktuell mindestens einen Stellwert für die Wasserstofferzeugung generiert, derart dass Leistungsabfrage und Wasserstoffbedarf einen Regelkreis bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser oder dem Wasser-Wasserdampf-Gemisch oder dem Wasser-Gas-Gemisch oder dem Wasser-Biogas-Gemisch vor Erreichen des Reaktionsraumes flüssige Katalysatorstoffe wie Tenside beigemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die so aus in der Energieerzeugungseinrichtung aus Wasserstoff gewonnene Energie zu einem Teil zum Betrieb der Wasserstoffgewinnung zurückgespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem geschlossenen Prozess entstehende Wärmeüberschüsse mittels Wärmepumptechnik genutzt und ggfs in einer Niedertemperatur-Wärmeturbine nachverstromt wird.
Dissoziationseinrichtung zur Wasserstoffgewinnung dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationseinrichtung einen Reaktionsraum (1) aufweist, durch welchen Wasser und/oder Wasserdampf und/oder ein Gas-Wasser-Gemisch und/oder ein Biogas-Wasser-Gemisch durchleitbar ist, und ferner am Reaktionsraum (1) ein Mikrowellengenerator (3) angeordnet ist, über welchen der Reaktionsraum (1), bzw das dort durchgeleitete Medium mit elektromagnetischer Energie im Mikrowellenbreich beaufschlagbar ist, und die Wasserstoffionen über mindestens eine im Reaktionsraum (1) angeordnete Elektrode (6) als Gas abziehbar ist.
Dissoziationseinrichtung zur Wasserstoffgewinnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das durchgeleitete Medium zusätzlich mit Ultraschallenergie über einen Ultraschallgenerator beaufschlagbar ist.
Dissoziationseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als integrierte Vorstufe für ein Fahrzeug.
Dissoziationseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als Vorstufe für eine Brenntstoffzelle.
Verwendung einer Dissoziationseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, betrieben nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, als kombinierter Gasfilter und Wasserstofferzeuger.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissoziationseinrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14 und/oder das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) mit eingesetzt wird.