DE102007022685A1

DE102007022685A1 - Verbrennungsabgase zur Klimakühlung

Info

Publication number: DE102007022685A1
Application number: DE102007022685A
Authority: DE
Inventors: Franz Dietrich Oeste
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-01-17
Also published as: DE112007001711A5; DE212007000049U1; WO2008006364A2; WO2008006364A3

Abstract

Es werden eisen- und schwefelhaltige Verbrennungsabgase zur Klimakühlung beansprucht, in denen das Gewichts-Verhältnis der Elemente Eisen zu Schwefel bei Werten zwischen 100000/1 und 0,000001/1 beträgt, vorzugsweise zwischen 2000/1 und 1/2000 liegt.

Description

Es werden eisen- und schwefelhaltige Verbrennungsabgase zur Klimakühlung beansprucht, in denen das Gewichts-Verhältnis der Elemente Eisen zu Schwefel bei Werten zwischen 100000/1 und 0,000001/1, vorzugsweise zwischen 2000/1 und 1/2000 liegt.
Es ist empfohlen worden, eisenhaltige Brennstoffe in der Atmosphäre zu verbrennen, um Eisenoxidaerosole zu bilden, die sich zum Abbau von Treibhausgasen zwecks Klimakühlung eignen. Andere haben empfohlen, Schwefel in der Atmosphäre zu verbrennen, um Schwefelsäureaerosole zu bilden, die die Albedo der Erde zwecks Klimakühlung erhöhen.
Hier ist nun gefunden worden, daß sich die Klimawirkungen der Aerosole, die Eisen und Schwefel enthalten, nicht nur addieren, sondern um ein Vielfaches verbessert werden, wenn die Verbrennungsabgase beide Elemente enthalten. Überraschend dabei ist, daß die außerordentlich verbesserte Klimawirkung bereits bei sehr geringen Eisengehalten bzw. bei sehr geringen Schwefelgehalten einsetzt, solange nur beide Elemente gleichzeitig in den Rauchgasen enthalten sind. Bereits bei einem Gehalt von 10 mg Schwefel je kg Abgas im Abgas, wobei das Element zunächst als gasförmige Schwefelverbindung im Abgas vorliegt, wird in der Gegenwart von eisenhaltigem Aerosol, in dem das Eisen überwiegend in oxidischer Bindung vorliegt, ein reaktionsfähiges schwefel- und eisenhaltiges Aerosol von außerordentlich klimakühlungswirksamer Aktivität erhalten. Das gleiche gilt für ein Abgas, das nur einen Eisengehalt von 0,1 mg je kg Abgas enthält. Daraus bildet sich in der Gegenwart von Schwefel ebenfalls ein reaktionsfähiges schwefel- und eisenhaltiges Aerosol von außerordentlich klimakühlungswirksamer Aktivität.
Darüberhinaus ist hier gefunden worden, daß die Bildung der gasförmigen Schwefelverbindungen, die bei der Verbrennung eisenfreier schwefelhaltiger Treibstoffe entstehen, die sich weltweit ausbreiten und die dann die Bildung saurer Niederschläge über dem Land verursachen, durch Zusatz von brennbaren Eisenadditiven zum Treibstoff unterdrückt werden kann. Hier wurde gefunden, daß bei der Verbrennung des mit eisenhaltigen Additiven angereicherten Treibstoffs sich die mit dem Rauchgas freigesetzten gasförmigen Schwefelverbindungen mit den ebenfalls darin enthaltenen oxidischen Eisenaerosolen und dem Wasserdampf und dem Luft-Sauerstoff feste bis flüssige Aerosole bilden, die mit den Niederschlägen sehr rasch aus der Atmosphäre ausgewaschen werden. In dem Fall, daß diese Treibstoffe über dem landfernen Ozean eingesetzt werden, können die mit den Abgasen der erfindungsgemäßen eisen- und schwefelhaltigen Treibstoffe, nur noch in sehr eingeschränktem Ausmaß zur Bildung von schwefelsauren Niederschlägen an Land führen.
Andererseits ist festgestellt worden, daß die langfristige Einwirkung von Aerosol aus festen Eisenoxidpartikeln sich schädlich auf die Lungenfunktion auswirken kann. Hingegen kann dieser Nachteil nicht auftreten, wenn die Aerosol-Immissionen aus löslichen Eisen(II)- oder Eisen(III)sulfat-Partikeln bzw. Eisen(II)- oder Eisen(III)sulfat-haitigen Nebeltröpfchen bestehen. Lösliche Aerosole aus Eisen-Schwefelverbindungen, können sich immer dann aus den mit Eisen angereicherten Treibstoffen bilden, wenn der gewichtsbezogene Schwefel-Gehalt des Treibstoffs etwa doppelt so hoch ist, wie der gewichtsbezogene Eisen-Gehalt des Treibstoffs. Hierbei ist aber zu berücksichtigen, daß die erfindungsgemäß gebildeten schwefel- und eisenhaltigen Aerosole die in der Atmosphäre vorhandenen gasförmigen und partikulären Schwefelverbindungen, sowie andere Stoffe, z. B. Chloride, Chlor, Nitrate, Stickoxide usw. an sich binden und daraus zusätzliche lösliche Eisensalze bilden können. Daher dürfen für den erfindungsgemäßen Treibstoff, der über dem offenen Ozean verbrannt wird, ohne Weiteres Treibstoff-Eisengehalte ausgewählt werden, die die Treibstoff-Schwefelgehalte gewichtsbezogen um ein Mehrfaches übersteigen.
Über dem landfernen Ozean sind hingegen keinerlei Limitationen des Eisen-zu Schwefel-Verhältnisses im Treibstoff notwendig, da die dort freigesetzten Eisenoxidaerosol-Partikel nicht über Land zur Sedimentation gelangen und wenn sie dorthin gelangen, haben sie sich durch Aufnahme von Schwefel, Chlor, Stickstoff, Sauerstoff und Wasser in lösliche Partikel oder gar flüssige Aerosole umgewandelt.
In beiden der genannten Extremfälle, entweder bei einem gegenüber Schwefel enormen Eisenüberschuß oder bei einem gegenüber Eisen enormen Schwefelüberschuß, entstehen Abgase, bei denen extrem schnell das klimakühlungswirksame Aerosol erzeugt wird. Hingegen ist die Erzeugung eines solchen klimawirksamen Aerosols außerordentlich verzögert, wenn das Abgas entweder nur Eisen und keinen Schwefel enthält oder wenn das Abgas nur Schwefel und kein Eisen enthält.
Die erfindungsgemäßen eisen- und schwefelhaltigen Verbrennungsabgase zur Klimakühlung enthalten die Elemente Eisen und Schwefel in einem Gewichts-Verhältnis zwischen 100000/1 und 0,000001/1 liegt. Bevorzugt ist ein Gewichtsverhältnis Eisen zu Schwefel zwischen 2000/1 und 1/2000.
Abgase, die ein derartig breites Spektrum im Verhältnis der beiden Elemente Schwefel und Eisen enthalten, lassen sich in vielfältiger Weise herstellen. So gelingt dies am einfachsten durch Zugabe von öllöslichen Eisenverbindungen zu den schwefelhaltigen Treibstoffen von Schiffen oder Flugzeugen. Beispielsweise werden weltweit heute ca. 200 Millionen Tonnen Kerosin-Treibstoff für den Flugverkehr verbraucht. Ein Vielfaches dieser Masse ist anzusetzen für den weltweiten Verbrauch von Schwerölen für Schiffstreibstoffe. Diese Verkehrsträger werden empfohlen als Emittenten der Abgase mit dem erfindungsgemäßen Schwefel-zu-Eisenverhältnis bei ihrem Betrieb.
Limitiert ist der Schwefelgehalt im Kerosin-Treibstoff für den Flugverkehr, der bei ca. 0,5 kg Schwefelverbindungen pro Tonne Kerosin liegt. Unlimitiert sind derzeit die Schwefelgehalte im Schweröl-Treibstoff für den Schiffsverkehr, die bei ca. 50 kg Schwefel pro Tonne Schweröl liegen.
Eine andere einfache Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen eisen- und schwefelhaltigen Abgase ist das Vermengen von Elementarschwefel mit eisenorganischen Verbindungen, wie z. B. Ferrocen oder Eisennaphthenat und anschließendes Verbrennen des Gemischs. Derartige Elementarschwefel enthaltenden schmelzbaren Festbrennstoffe können z.B. nach dem Kerzendochtprinzip verbrannt werden. Unabhängig davon, ob sie einen großen Eisenüberschuß in Bezug auf ihren Schwefelgehalt haben oder ob sie einen großen Schwefelüberschuß in Bezug auf ihren Eisengehalt haben, erzeugen sie beim Abbrennen Abgase mit dem erfindungsgemäßen Schwefel-zu-Eisenverhältnis.
Vorzugsweise wird der Rauch in der Troposphäre oder in der Stratosphäre gebildet.
In den geeigneten Brennstoffen liegt das Eisen vorzugsweise als öllösliche Eisenverbindung vor, z. B. in der Form von Ferrocen und Ferrocenderivaten, Eisencarbonylen, Eisennaphthenaten, Eisenseifen und sonstigen brennbaren organischen Eisenverbindungen. In den geeigneten Brennstoffen liegt der Schwefel vorzugsweise als öllösliche Schwefelverbindung vor, z. B. in der Form von Elementarschwefel, Schwefelkohlenstoff, organischen Sulfiden und Disulfiden, organischen Polysulfiden, organischen Sulfonsäuren, organischen Sulfonaten, organischen Sulfoxiden, Schwefelwasserstoff, Merkaptanen.
Zu den bevorzugten schwefelhaltigen Brennstoffen, die zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Abgase geeignet sind, zählen: Erdölraffinate, Dieselöl, Kerosin, Elementarschwefel, Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff und sonstige brennbare Schwefelverbindungen.
Die erfindungsgemäßen Verbrennungsabgase lassen sich auch dadurch erzeugen daß schwefelenthaltende Verbrennungsabgase mit Abgasen vermischt werden, die eisenhaltige Aerosole enthalten.
Als bevorzugte Einrichtungen zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Abgase dienen die Verkehrsträger Schiffe und Flugzeuge. Die Verbrennungseinrichtungen zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Abgase können aber auch angeordnet sein an heißgaserfüllten Ballonen oder auf Bohrinseln oder anderen z.B. eigens für diesen Zweck errichteten schwimmenden Plattformen oder Einrichtungen an Land.
Bei den Ballonen werden Heißgasballone bevorzugt. Bevorzugtes Heißgas ist erhitzte Luft. Das Heißgas wird durch Übertragung der bei der Verbrennung der Schwefel und Eisen enthaltenden Brennstoffe freigesetzten Wärme auf das Heißgas hergestellt.
Die erfindungsgemäßen Heißgasballone werden vorzugsweise über dem Ozean aufgelassen. Ihr Heißgasinhalt wird durch den heißen schwefel- und eisenhaltigen Rauch auf der notwendigen Temperatur gehalten. Zu diesem Zweck strömt der heiße Rauch durch einen oder mehrere Kanäle, die die Einhausung des Heißgasinhalts des Ballons durchziehen, bevor der Rauch in die Atmosphäre austritt. Wenn die Brennstoffe zur Neige gehen, wird die Verbrennung vorzugsweise derart gedrosselt, daß es im Heißgas zum Temperaturabfall kommt, der so eingestellt wird, daß der Ballon kontrolliert absinkt. Es ist auch möglich, daß dann, wenn die Bildung heißen Rauchs nachläßt, die schwimmfähig ausgerüsteten Ballone ungebremst auf die Wasseroberfläche niederfallen. Der Fall der Ballone kann auch mit Fallschirm gebremst geschehen. Die gebrauchten Ballone können nach Neubefüllung mit Brennstoff wiederbenutzt werden
Die erfindungsgemäßen Abgase bewirken auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften die Abkühlung des Klimas. Einige dieser Külungsmechanismen werden nachfolgend erläutert.
Zunächst bewirkt die Verbrennung des eisen- und schwefelhaltigen Brennstoffs die Bildung eines extrem rußarmen Abgases. Die Rußbildung bei der Treibstoffverbrennung führt auf Grund der lichtabsorbierenden Eigenschaften des Rußes zur Erwärmung der Atmosphäre. Diese entfällt daher durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffe.
Der schwefel- und eisenhaltige Rauch reagiert sofort nach seinem Luftkontakt mit Sauerstoff und Wasserdampf. Dabei umhüllen sich die Eisenoxidaerosolpartikel mit Schwefelsäurelösung und es bilden sich die chemisch und physikalisch besonders umweltfreundlichen und klimaaktiven Sulfate des zwei- und dreiwertigen Eisens. Die dadurch sich bildenden hell gefärbten Rauchschwaden werfen das Sonnenlicht zurück in den Weltraum und verursachen bereits einen Kühleffekt auf die darunter liegende Atmosphäre.
Die chemischen und photochemischen Reaktionen der Eisen und Sulfat enthaltenden Partikel und/oder Tröpfchen mit weiteren Atmosphärilien aus den Gruppen der Chloride, der schwefel- und chlorhaltigen organischen Verbindungen, dem Chlorwasserstoff, Wasserstoffperoxid, organischen Säuren, Wasserdampf, Stickoxiden und Nitraten und dem Sonnenlicht bewirken die Emission von Radikalen wie z.B. Chlor-, Hydroxyl- und stickstoffhaltigen Radikalen. Davon insbesondere die Chlor- und Hydroxylradikale verursachen den Abbau des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre. Die Hygroskopizität der Schwefelsäure-, Hydrogensulfat-, Sulfat-, Chlorid- und Nitrathülle um die Eisenoxidpartikel veranlaßt weitere Wasserdampfkondensation, die zur Wolkenbildung Anlaß gibt. Deren Rückstrahlung des einfallenden Sonnenlichts verursacht die weitere Abkühlung der Troposphäre unterhalb der Wolkendecke.
Die eisenhaltigen flüssigen bis festen Aerosolpartikel bzw. -tröpfchen verfügen darüber hinaus über außerordentlich intensive katalytische und photokatalytische Eigenschaften auf die Oxidation organischer Atmosphärilien, die dadurch an den Aerosolen zu Kohlendioxid abgebaut werden, ohne die Hydroxylradikale anzugreifen, die ohne die Gegenwart der eisenhaltigen Aerosole zum überwiegenden Anteil zur Oxidation der organischen Atmosphärilien verbraucht werden und damit nicht für den bedeutsamen klimawirksamen Zweck des Abbaus des Treibhausgases Methan verfügbar sind. Durch die Gegenwart der erfindungsgemäßen eisensulfathaltigen Aerosole wird auch auf diesem Weg die Methankonzentration in der Atmosphäre vermindert.
Schließlich auf das Meer gefallen bewirken die eisen-, schwefel- und stickstoffhaltigen Partikel und Tröpfchen eine Algenblüte. Zusätzlich zu der dadurch ausgelösten Mehrbildung atmosphärischer Chlorradikalen für den atmosphärischen Methanabbau aus der algenblütenstämmigen Dichlormethanbildung ergibt sich im Meer ein weiterer Klimakülungseffekt: Durch die Algenblüte wird die Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid zu organischer Kohlenstoffmasse ausgelöst, die sich nach dem Absinken der abgestorbenen Algensubstanz auf den Meeresboden im Sediment in festes Methanhydrat und Kerogen verwandelt.
Durch die großen umweltrelevanten Vorteile der erfindungsgemäßen schwefel- und eisenhaltigen Verbrennungsabgase kann auf die kostenintensiven Maßnahmen zur Reduktion des Schwefelgehaltes in den Flugzeugtreibstoffen verzichtet werden, wenn die schwefelhaltigen Treibstoffe mit Eisen angereichert werden.
Die kontrollierte Verbrennung der festen Elementarschwefel-Eisenorganika-Masse kann vorteilhaft, z. B. wie die von Kerzenwachs, kontrolliert mittels multipler Dochte geschehen, während die des flüssigen Schwefelkohlenstoff-Eisenorganika-Gemischs oder die einer Elementarschwefel-Eisenorganika-Schmelze mittels Ölbrennern oder Ölbrennersystemen geschehen kann. Gasförmige Schwefelverbindungen, wie z. B. der Schwefelwasserstoff können zusammen mit flüssigen eisenorganischen Verbindungen vorteilhaft dadurch verbrannt werden, indem die flüssige Komponente in der gasförmigen Komponente als Aerosolnebel verteilt wird und dann anschließend der gebildete Nebel verbrannt wird.
Um den klimakühlenden Wirkungseffekt der erfindungsgemäßen Verbrennungsabgase zu verbessern, können den Abgasen chlorhaltige Stoffe beigemischt werden, vorzugsweise Chlorwasserstoff. Vorzugsweise geschieht das durch Zumischung von halogenorganischen Verbindungen zu den Brennstoffen, aus denen die Rauchgase bei der Verbrennung gebildet werden. Überraschenderweise kommt es dabei nicht zur Bildung der gesundheitsgefährlichen chlorhaltigen Dioxine
Zur Bindung von Schwefelsäure bzw. zur Vermeidung der Übersäuerung der gebildeten Aerosole kann es vorteilhaft sein, den erfindungsgemäßen Verbrennungsabgasen Alkalien oder Erdalkalien beizumischen. Dies wird vorteilhaft durch die Zumischung der Alkali- oder von Erdalkaliseifen oder durch die Zumischung der Alkali- oder Erdalkalikronenetherkomplexe zu den Brennstoffen ermöglicht. Anstelle der direkten Neutralisation bzw. Vermeidung übersäuerter Aerosole eignet sich aber auch die Zumischung von siliciumorganischen Verbindungen, wie z. B. Silikonölen, und/oder titanorganischen Verbindungen, wie z. B. Titanocen, zu den Brennstoffen. Bei der Verbrennung dieser Komponenten bilden sich neben den Oxiden auch Nitride von Silicium bzw. Titan, aus denen durch Hydrolyse Ammoniak freigesetzt wird, der dann als Neutralisationsmittel wirkt, indem sich daraus mit den sauren Aerosolen die entsprechenden Ammoniumsalze als Neutralisationsprodukte gebildet werden.
Um den Albedoeffekt der aus den Verbrennungsabgasen gebildeten Eisen- und schwefelhaltigen Aerosole zu verbessern kann es vorteilhaft sein, die Aerosole mit Titandioxid oder Titanaten anzureichern. Dies ist ebenfalls durch Zumischung von titanorganischen und ggf. alkali- bzw. erdalkali-organischen Verbindungen zu den Brennstoffen möglich, aus denen die erfindungsgemäßen Verbrennungsabgase generiert werden. Das gleiche gilt für den Zusatz von cerorganische Verbindungen zu den Brennstoffen zwecks Anreicherung der Aerosole mit Cer zur Steigerung der redoxkatalytischen Wirksamkeit der Aerosole.

Claims

Die Elemente Eisen und Schwefel enthaltende Verbrennungsabgase zur Klimakühlung enthaltend die Elemente Eisen und Schwefel, die darin als solche und/oder in der Form von einer oder mehreren ihrer Verbindungen in einem Gewichts-Verhältnis zwischen 100000/1 und 0,000001/1 enthalten sind.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Eisen und Schwefel, darin als solche und/oder in der Form von einer oder mehreren ihrer Verbindungen in einem Gewichts-Verhältnis zwischen 2000/1 und 1/2000 enthalten sind.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Eisen und Schwefel, darin als solche und/oder in der Form von einer oder mehreren ihrer Verbindungen in einem Gewichts-Verhältnis von 2/1 oder kleiner enthalten sind, wenn sie über Land oder landnah emittiert werden.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Eisen und Schwefel, darin als solche und/oder in der Form von einer oder mehreren ihrer Verbindungen in einem Gewichts-Verhältnis von 2/1 oder größer enthalten sind, wenn sie über dem landfernen Ozean emittiert werden.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung schwefel- und eisenhaltiger Brennstoffe erzeugt werden.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mit einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe Chlor, Silicium, Cer, Titan, Alkalien und Erdalkalien in der Form von einer oder mehreren der Verbindungen dieser Elemente angereichert ist.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung schwefel- und eisenhaltiger Brennstoffe mittels einer oder mehreren Vorrichtungen aus der Gruppe der Schiffsmotoren, Flugzeugmotoren, Ballone, Bohrinseln, schwimmenden Verbrennungsvorrichtungen oder Verbrennungsvorrichtungen auf festem Land erzeugt werden.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung schwefel- und eisenhaltiger Brennstoffe mittels eines Heißgasballons erzeugt werden und daß die Beheizung des Heißgases durch den heißen Rauch aus der Verbrennung der schwefel- und eisenhaltigen Brennstoffe geschieht.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung eines oder mehrerer Brennstoffe aus der Gruppe der festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffe erzeugt werden.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung eines oder mehrerer Brennstoffe aus der Gruppe der festen oder flüssigen Brennstoffe unter Anwendung von einem oder mehreren Dochten geschieht.
Verbrennungsabgase nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Verbrennung eines oder mehrerer Brennstoffe aus der Gruppe der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe derart geschieht, daß der flüssige Brennstoff in dem gasförmigen Brennstoff als Aerosolnebel verteilt wird und danach der Aerosolnebel verbrannt wird.