DE102022129816A1

DE102022129816A1 - Verfahren zur Umwandlung von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff

Info

Publication number: DE102022129816A1
Application number: DE102022129816.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dreizler; Christian Hasse; Paulo Debiagi; Jannik Neumann
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024100064A1; CN120225462A; EP4615795A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren (1) zur Umwandlung von Energie in Form von Prozesswärme (7) und Wasserstoff (3). Aluminium (10) wird mit Wasser (6) bei einer erhöhten Temperatur in einer Aluminiumreaktionskammer (9) in einem Aluminiumoxidationsschritt (11) umgesetzt und dabei zu Aluminiumoxid (12) oxidiert. Dabei werden Prozesswärme (7) und Wasserstoff (3) freigesetzt. Der bei der Reaktion von Aluminium (12) und Wasser (6) freigesetzte Wasserstoff (3) wird zumindest anteilsweise einer Wasserstoffreaktionskammer (5) zugeführt, wobei der Wasserstoff (3) mit Sauerstoff (4) in einem Wasserdarstellungsschritt (2) zu Wasser (6) reagiert. Das zuvor aus dem Wasserstoff (3) dargestellte Wasser (6) wird der Aluminiumreaktionskammer (11) zur Oxidation des Aluminiums (12) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff, wobei Aluminium mit Wasser bei einer erhöhten Temperatur in einer Aluminiumreaktionskammer in einem Aluminiumoxidationsschritt umgesetzt und dabei zu Aluminiumoxid oxidiert wird, wobei bei der Umsetzung Prozesswärme und Wasserstoff freigesetzt werden.
Kohlenstoffdioxid ist als Treibhausgas mit verantwortlich für den Treibhauseffekt und damit die globale Erwärmung. Dabei entsteht ein Großteil des weltweit ausgestoßenen Kohlenstoffdioxids durch die Verbrennung, d.h. die Oxidation und Verarbeitung von fossilen kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie beispielsweise Öl oder Kohle. Neben den gasförmigen Nebenprodukten der Oxidation, zu denen ebenfalls Kohlenstoffmonoxid zählt, werden große Mengen an Feinstaub in Form von Nanopartikeln ausgestoßen, die insbesondere in den Wintermonaten zu einer Beeinträchtigung der Luftqualität führen können, die sich vor allem in Ballungsräumen nachteilig auswirkt.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken, sind daher Metalle als kohlenstofffreie Energieträger im Gespräch. Sortenreine chemische Elemente mit einer metallischen Bindung ihrer Atome untereinander in der Oxidationsstufe null werden im Folgenden zusammengefasst als Metalle bezeichnet. Die bei der Oxidation von Metallen erhaltenen Metallspezies wie Metalloxide werden nachfolgend als oxidiertes Metall bezeichnet.
Metalle zeigen ein hohes Potential, Energie zu speichern und zu gewünschter Zeit bei einer kontrollierten Oxidation freizusetzen. Die in einem Metall gespeicherte chemische Energie kann über Oxidationsprozesse beim Verbraucher selbst beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden. Bei dieser Umwandlung entstehen dabei üblicherweise weder Treibhausgase noch Kohlenstoffmonoxid. Das oxidierte Metall kann im Anschluss in einem separaten Prozess erneut zum Metall reduziert und wiederholt für die Speicherung von Energie eingesetzt werden. Wird die Reduktion des oxidierten Metalls aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft- oder Fotovoltaikanlagen gespeist, so ermöglicht dies eine umweltfreundliche Bereitstellung von Energie. Dies bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber konventionellen kohlenstoffhaltigen Energieträgern, welche nach der Oxidation nicht recycelt und deshalb nicht in einem Kreislauf geführt werden können.
Die Transportfähigkeit des metallischen Energieträgers eröffnet die Möglichkeit, erneuerbare Energien mittels einer chemischen Reduktion in wind- und sonnenreichen Regionen, möglicherweise fernab des Verbrauchers, in den Energieträger einzuspeichern und im Anschluss überall auf der Welt zu verwenden.
Als Metalle haben sich dabei u.a. Eisen, Kupfer, Nickel, Mangan, Silizium und auch Aluminium als vorteilhaft herausgestellt. Es ist bereits bekannt, dass Aluminium mit Luft oder Sauerstoff in einer Aluminiumreaktionskammer umgesetzt werden kann, wodurch das Aluminium in einem Aluminiumoxidationsschritt zu Aluminiumoxid oxidiert wird. Diese Reaktion ist dabei exotherm, wobei die Oxidationstemperatur des Aluminiums während der Umsetzung den Siedepunkt zum einen von Aluminium und zum anderen auch von Aluminiumoxid übersteigen kann. Das verwendete Aluminium bzw. Aluminiumpartikel können dabei in die Gasphase übergehen, wobei sich nach der Kondensation der gasförmigen Aluminiumpartikel in Bereichen verringerter Temperaturen Nanopartikel in einem Größenbereich von einigen Nanometern bilden können, welche in ihrem Durchmesser kleiner sind als die ursprünglichen eingesetzten Aluminiumpartikel. Diese Nanopartikel haben den Nachteil, dass sie nur mit großem Aufwand von den anderen Reaktionsprodukten abgetrennt und somit wieder dem Recyclingkreislauf zugeführt werden können.
Die Reaktion von Aluminium mit Wasser hingegen bietet zum einen den Vorteil, dass die Siedepunkte bei einem geringfügig erhöhten Druck weder des Metalls noch des Metalloxids überschritten werden und zum anderen, dass bei der Reaktion von Aluminium mit Wasser neben Aluminiumoxid und Energie in Form von Prozesswärme ebenfalls Wasserstoff gebildet wird. Der entstandene Wasserstoff kann dabei neben der entstandenen Prozesswärme der Oxidation ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.
Bei der Umwandlung der chemischen Energie von Aluminium in thermische Energie ist es besonders erstrebenswert die Temperatur der Oxidation gezielt zu wählen und zu regulieren, wobei zwei gegenläufige Vorgänge zu beachten sind. Zum einen bietet eine möglichst niedrige Oxidationstemperatur des Aluminiums den Vorteil, dass nur wenig Nanopartikel während der Oxidation gebildet werden, und zum anderen ist es vorteilhaft, wenn die Prozesswärme bei einer möglichst hohen Temperatur der Oxidation gewonnen werden kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, dass die Temperatur der Oxidation des Aluminiums bei der kontrollierten Oxidation geringfügig unterhalb des Siedepunkts von Aluminium verweilt.
Weiterhin ist es erstrebenswert, dass der Prozess der Energieumwandlung aus dem Metall am Ort der stattfindenden Oxidation möglichst effizient und ohne die Bildung von Nanopartikeln durchgeführt werden kann.
Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es deshalb angesehen das bereits aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren weiter zu verbessern, wobei die Effizienz möglichst groß und der Anteil der während der Oxidation erhaltenen Nanopartikel möglichst klein gehalten werden soll.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der bei der Reaktion von Aluminium und Wasser freigesetzte Wasserstoff zumindest anteilsweise einer Wasserstoffreaktionskammer zugeführt wird, wobei der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert, und dass das zuvor aus dem Wasserstoff dargestellte Wasser der Aluminiumreaktionskammer zur Oxidation des Aluminiums zugeführt wird.
Im Folgenden wird unter Aluminium das Metall Aluminium verstanden, während unter dem Begriff Aluminiumoxid das ternäre und vollständig oxidierte Aluminiumoxid Al₂O₃ verstanden wird.
Durch das zweistufige Reaktionskammerkonzept mit einer Aluminiumreaktionskammer und einer Wasserstoffreaktionskammer wird es ermöglicht die Oxidationstemperatur der Reaktion des Aluminiums mit Wasser zu Aluminiumoxid in der Aluminiumreaktionskammer in einfacher Weise unterhalb einer Schwellentemperatur, d.h. unterhalb des Siedepunkts von Aluminium und auch unter dem Siedepunkt von Aluminiumoxid zu halten. Dabei kann die Oxidationstemperatur des Aluminiums durch den gezielten Eintrag von in der Wasserstoffreaktionskammer gebildetem Wasser mit reguliert werden. Dies kann zum einen durch die Menge des zugeführten Wassers in die Aluminiumreaktionskammer als auch durch die Temperatur des zugeführten Wassers erreicht werden. Weiterhin ist die Oxidationstemperatur ebenfalls durch die Menge des Eintrags an Aluminium in die Aluminiumreaktionskammer regulierbar.
Zweckmäßigerweise ist das in die Aluminiumreaktionskammer eingeleitete Wasser konditioniert und weist vorzugsweise eine erhöhte Temperatur auf, die oberhalb der Zündtemperatur der Reaktion von Aluminium mit Wasser liegt. Durch die exotherm verlaufende Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff zur Bildung von Wasser kann in einfacher Weise Wasser mit der gewünschten erhöhten Temperatur bereitgestellt werden, wobei dieses nicht separat durch den Eintrag von Energie einer externen Energiequelle erwärmt werden muss.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die flexible Auskopplung von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff. Prozesswärme kann dabei zum einen aus der Wasserstoffreaktionskammer, welche durch die stark exotherme sehr rasch verlaufende Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff oder Luft erwärmt wird, als auch aus der Aluminiumreaktionskammer entnommen werden. Beispielhaft kann die aus dem Kreislauf entnommene Prozesswärme dazu genutzt werden, mit Hilfe eines Wärmetauschers Wasser zu Erhitzen und Wasserdampf zu bilden, welcher anschließend in Strom umgewandelt werden kann. In ähnlicher Weise kann der entstandene Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden oder für eine weitere Umsetzung und Reaktion in der Wasserstoffreaktionskammer dem Kreislauf erneut zugeführt werden zur Darstellung des Wassers. Dies ermöglicht es, dass, ohne Entnahme des Wasserstoffs, der Wasserstoff in einem Kreislauf zirkulieren kann, während er in dem Wasserherstellungsschritt mit zugeführtem Sauerstoff zu Wasser oxidiert wird. Im Anschluss wird das dargestellte Wasser in dem Aluminiumoxidationsschritt zu Aluminiumoxid oxidiert, wobei erneut Wasserstoff entsteht, welcher erneut zur Darstellung des Wassers der Wasserstoffreaktionskammer zugeführt werden kann.
Das entstehende Aluminiumoxid der Reaktion kann nach dem Hall-Heroult-Prozess erneut zu Aluminium reduziert werden. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, dass der Wasserstoff gesondert in einem separaten Kreislauf zur Reduktion des anfallenden Aluminiumoxids verwendet wird.
Die Verwendung von Aluminium als chemischer Energiespeicher ist insbesondere durch die hohe Energiedichte in einem Bereich von 23 kWh/dm³ im Vergleich zu anderen chemischen Energiespeichern vorteilhaft nutzbar. Weiterhin kann Aluminium auf Grund seines nicht toxischen Charakters in einfacher Weise gehandhabt werden, wobei keine besonderen Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Umsetzung des Aluminiums mit Wasser bei erhöhten Temperaturen die Passivierungsschicht des Aluminiums auf der Oberfläche vernachlässigt werden kann und dennoch ein quantitativer Umsatz des Aluminiums mit Wasser möglich ist.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren für die dezentrale Energiebereitstellung in der Industrie und in Chemieparks als auch für die zentrale Energiebereitstellung in Kraftwerken genutzt werden. Wie bereits angesprochen kann das Verfahren dabei entweder für die Polygeneration von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff, insbesondere in der Industrie oder in Chemieparks, Anwendung finden, wobei die Prozesswärme als auch der Wasserstoff genutzt werden können, oder es kann je nach Anwendungsbereich nur die Prozesswärme verwendet werden, wobei der Wasserstoff erneut dem Kreislauf zugeführt werden kann.
Darüber hinaus ist es ebenfalls vorgesehen, dass der Wasserstoff in dem Wasserdarstellungsschritt zur Darstellung des Wassers in einem Überschuss eingesetzt wird. Für die Darstellung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zwei Wasserstoffmoleküle spontan mit einem Sauerstoffmolekül gemäß der reduzierten Reaktionsgleichung H₂ + ½ O₂ → H₂O. Durch einen überstöchiometrischen, d.h. einem Umsatz mit einem Überschuss an Wasserstoff, bei welchem der Reaktion mengenmäßig mehr Wasserstoff zugeführt wird als für die Reaktion gemäß der obigen Reaktionsgleichung eigentlich benötigt wird, ist das entstandene Produkt der Umsetzung ein Gemisch aus Wasser und geringfügigen Mengen an Wasserstoff. Die geringe Restmenge an Wasserstoff ist für die weitere Reaktion des Wassers mit dem Aluminium jedoch nicht weiter nachteilig. Durch den stöchiometrischen bis überstöchiometrischen Umsatz des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff kann erreicht werden, dass der Sauerstoff vollständig mit dem Wasserstoff reagiert und kein Sauerstoff in die Aluminiumreaktionskammer gelangen kann, damit der bei der Reaktion von Aluminium und Wasser entstehende Wasserstoff gewonnen werden kann und das Aluminium nicht unter Umgehung der Bildung von Wasserstoff mit Sauerstoff direkt zu Aluminiumoxid reagiert. Eine zu stark erhöhte Konzentration an Wasserstoff ist ebenfalls nicht gewünscht, da das gebildete Aluminiumoxid sonst unkontrolliert in der Aluminiumreaktionskammer zurück zu Aluminium reduziert werden kann.
Bei einem stöchiometrischen Umsatz gemäß der obigen Reaktionsgleichung hingegen kann eine komplette Umsetzung zu Wasser erreicht werden, welche neben Wasser keine weiteren Nebenprodukte aufweist, die den gewünschten Oxidationspfad stören könnten.
Der benötigte Sauerstoff kann dabei entweder direkt als Sauerstoff oder in einem Gasgemisch wie beispielsweise Luft in die Wasserstoffreaktionskammer eingeleitet werden. Der direkte Umsatz des Wasserstoffs mit Sauerstoff bietet den Vorteil, dass unerwünschte Nebenreaktionen der Reaktion von hochreaktivem Wasserstoff mit Bestandteilen der Luft vermieden werden können. Weiterhin wären bei der anschließenden Reaktion des Aluminiums insbesondere bei höheren Temperaturen auch unerwünschte Umsätze des Aluminiums mit beispielsweise Stickstoffverbindungen denkbar.
Die Zündtemperatur der Reaktion von Aluminium mit Wasser liegt je nach den vorherrschenden Bedingungen in der Größenordnung von ca. 2200 °C. Daher ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass in dem Wasserdarstellungsschritt Wasser mit einer Temperatur größer als 2200 °C, vorzugsweise größer als 2500 °C, und insbesondere größer als 2800 °C zum Einleiten in die Aluminiumreaktionskammer dargestellt wird. Durch die sehr rasch verlaufende Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entstehen hohe Temperaturen in der Wasserstoffreaktionskammer, insbesondere dann, wenn Sauerstoff direkt und nicht in einem Gasgemisch bereitgestellt wird. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die Umsetzung des Wasserstoffs mit Sauerstoff in dem Wasserdarstellungsschritt so reguliert wird, dass die Temperatur des dargestellten Wassers, bzw. genauer des Wasserdampfs oberhalb von 2200 °C, vorzugsweise oberhalb von 2500 °C, und insbesondere oberhalb von 2800 °C liegt, sodass die Zündtemperatur des Aluminiums zur Einleitung der Oxidation des Aluminiums in der Aluminiumreaktionskammer erreicht wird. Durch die Temperatur des in die Aluminiumreaktionskammer eingeführten Wassers kann die Oxidationstemperatur des Aluminiums mit beeinflusst werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die Temperatur des in dem Wasserdarstellungsschritt dargestellten Wassers umso höher liegt, umso weiter der Transportweg des dargestellten Wassers zu der Aluminiumreaktionskammer ist, um zu ermöglichen, dass das in die Aluminiumreaktionskammer einströmende Wasser die erforderliche Zündtemperatur aufweist.
Der für die Umsetzung erforderliche Sauerstoff oder die Luft können dabei bei Raumtemperatur bereitgestellt werden und bedürfen vorteilhafterweise keiner Erwärmung vor der Umsetzung mit dem Wasserstoff.
Um eine kontrollierte Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff möglichst zu vermeiden und die Reaktionstemperatur zu regulieren, kann es auch vorgesehen sein, dass zur Regulierung der Temperatur des dargestellten Wassers in der Wasserstoffreaktionskammer Wasser aus einem Wasserreservoir in die Wasserstoffreaktionskammer eingeleitet wird, um Wasser mit einer gewünschten Temperatur bereitzustellen. Die Einspeisung von zusätzlichem Wasser ermöglicht es zum einen die Temperatur der Wasserstoffreaktionskammer zu senken, um die Wärmebelastung der Reaktionskammer zu minimieren und zum anderen kann somit die Stickoxidbildung bei einem Betrieb des Verfahrens mit Luft anstelle von reinem Sauerstoff unterdrückt werden. Neben dem Wasserstoff kann auch das für das Einleiten erforderliche Wasser aus dem Verfahren selbst entnommen werden. Hierfür kann dem Aluminiumoxidationsschritt in der Aluminiumreaktionskammer mehr Wasser zugeführt werden, als für die Umsetzung zu dem Aluminiumoxid benötigt wird. Dieses überschüssige Wasser kann, gegebenenfalls nach einem Abkühlen mit Hilfe eines Wärmetauschers, der Wasserstoffreaktionskammer zur Kühlung zugeführt werden.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls vorgesehen, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt Aluminium mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 1000 um, vorzugsweise zwischen 2 und 80 um und insbesondere zwischen 5 und 40 um verwendet wird. Unter der Partikelgröße wird dabei der mittlere Äquivalentdurchmesser der Partikel verstanden. Um einen möglichst vollständigen und schnellen Umsatz des Aluminiums mit Wasser zu ermöglichen, liegt das verwendete Aluminium vorteilhafterweise in Aluminiumpartikeln mit einer Größe im Mikrometerbereich vor. Die Oxidation des Aluminiums im Mikrometerbereich kann dabei in Abhängigkeit der adiabatischen Flammentemperatur T_f und des Dampfdrucks T_b des entstehenden Aluminiumoxids beschrieben werden. Um das unkontrollierte und unerwünschte Verdampfen des Aluminiums während der Reaktion und damit die Bildung von schwer abtrennbarem Feinstaub in Form von Nanopartikeln, die das Recyceln des Metalloxids erschweren, zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von T_f zu T_b < 1 ist.
Die in die Aluminiumreaktionskammer eingebrachten Aluminiumpartikel schmelzen durch die exotherme Reaktion von Aluminium mit dem Wasser zumindest teilweise auf, wodurch das Aluminium vorwiegend oder vollständig in flüssiger Form vorliegt. Durch das Wasser als Oxidationsmittel bildet sich im Verlauf der Oxidation des Aluminiums eine von der Partikeloberfläche in Richtung des Partikelkerns wachsende Oxidschicht auf den Aluminiumpartikeln, die die gegebenenfalls noch teilweise festen Partikelkerne umgeben. Dabei erhöht sich durch die Oxidation durch die „Anlagerung“ von Sauerstoff die Masse des Aluminium-Aluminiumoxid-Partikels. Ist die Metalloxidschicht porös, so ist die Dichte des Metalloxids geringer als die des Metalls. Dann nimmt die Größe des oxidierten Metallpartikels gegenüber dem ursprünglichen Metallpartikel zu. Dies erleichtert eine effektive Abscheidung der entstehenden Aluminiumoxidpartikel, wodurch möglichst ein vollständiger Kreislauf der Oxidation und anschließender Reduktion in einem separaten Prozess ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise erfolgt die Oxidationsreaktion des Aluminiums daher einer heterogen an der Oberfläche des Aluminiums stattfindenden Umsetzung des Typs C, wobei dabei weder das Aluminium noch seine entstehenden Oxide in die Gasphase übergehen und Nanopartikel bilden (J. M. Bergthorson, S. Goroshin, M. J. Soo, P. Julien, J. Palecka, D. L. Frost und D. J. Jarvis, Applied Energy, 2015, 160, 368-382) .
Es ist auch vorgesehen, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt in der Aluminiumreaktionskammer neben Aluminium auch zumindest teilweise oxidiertes Aluminium mit Wasser oxidiert wird oder werden kann. Dem Aluminium können auch zumindest teilweise oxidiertes Aluminium wie beispielsweise Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ beigemengt werden. Diese im Vergleich zu Aluminium, durch die zumindest partielle Oxidation, niederenergetischen Energieträger können dabei insbesondere zur Regulierung der Oxidationstemperatur dem Aluminium beigemischt oder auch separat der Aluminiumreaktionskammer zugeführt werden. Neben Aluminiumspezies können auch weitere Metalle oder oxidierte Metallspezies verwendet und dem Aluminium und/oder dem zumindest teilweise oxidierten Aluminium beigemengt werden.
Um die Bildung von Feinstaub in Form von nanopartikulärem Aluminiumoxid zu verhindern oder zumindest möglichst zu minimieren ist es vorteilhaft, dass das verwendete und in die Aluminiumreaktionskammer eingebrachte Aluminium vollständig nach Typ C zu Aluminiumoxid oxidiert wird. Neben dem Bereitstellen von Aluminium im Mikrometerbereich ist die vollständige Umsetzung ebenfalls abhängig von dem bereitgestellten Oxidationsmittel. Daher ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass das zur Oxidation des Aluminiums verwendete Wasser in einem Überschuss eingesetzt wird. Dazu ist das Stoffmengenverhältnis λ_H2O des in die Aluminiumreaktionskammer eingebrachten Wassers zu dem stöchiometrisch erforderlichen Wasser insbesondere so zu wählen, dass λ_H2O ≥ 1 ist. Ein verwendetes Verhältnis von λ_H2O < 1 führt insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 2000 °C zu der Bildung von Aluminiumnanopartikeln sowie weiteren unerwünschten, da nicht vollständig oxidierten Aluminiumoxidphasen mit Aluminium in der Oxidationsstufe +1 wie beispielsweise Al₂O.
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist optional vorgesehen, dass eine Oxidationstemperatur des Aluminiums in dem Aluminiumoxidationsschritt bei einem vorgegebenen Druck unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium und Aluminiumoxid liegt. Auf diese Weise kann die Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln effektiv unterbunden oder zumindest weitestgehend minimiert werden. Nanopartikel von Aluminiumoxid können dabei insbesondere dann entstehen, wenn die Temperatur während der Oxidation des Aluminiums bei einem geeigneten Druck oberhalb der Siedetemperatur des Aluminiums liegt. Zum einen können bei dem Übergang des Aluminiums in die Gasphase und einer dort stattfindenden Gasphasenoxidation insbesondere bei einer anschließenden Kondensation Nanopartikel von Aluminiumoxid gebildet werden. Ein Gasphasenübergang ist dabei jedoch auch unterhalb der Siedetemperatur des Aluminiums möglich, sollte der Dampfdruck der Aluminiumpartikel für einen solchen Übergang ausreichend sein. Weiterhin können ebenfalls Nanopartikel gebildet werden, wenn die Oxidationstemperatur den Siedepunkt von Aluminiumoxid überschreitet. Dabei kann das Aluminium in einem ersten Schritt zum Aluminiumoxid oxidiert werden, wobei im Anschluss die Temperatur des Partikels aufgrund der exothermen Oxidationsreaktion weiter ansteigt und es zum Gasphasenübergang kommen kann. Kondensiert das Aluminiumoxid anschließend in Bereichen niederer Temperatur kann dies zu unerwünschter Nanopartikelbildung führen.
Diese Nanopartikelbildung kann durch eine geeignete Regulierung und Vorgabe der Oxidationstemperatur weitestgehend vermieden werden. Denn die Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln, wie sie bei dem Verdampfen von Aluminium entstehen, erschwert das Abtrennen und recyceln des Aluminiumoxids von dem ebenfalls entstehenden Wasserstoff.
Um möglichst eine nur geringe Menge an Nanopartikeln während der Oxidation des Aluminiums zu generieren, ist es vorteilhaft, dass die Oxidationstemperatur des Aluminiums in dem Aluminiumoxidationsschritt bei einem vorgegebenen Druck unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium liegt, und dass das zur Oxidation des Aluminiums verwendete Wasser in einem Überschuss eingesetzt wird, sodass das Aluminium bei einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium vollständig durch das Wasser oxidiert wird. Es hat sich herausgestellt, dass die Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln insbesondere durch die Kontrolle des Aggregatszustands des Aluminiums und durch die Menge des zugeführten Oxidationsmittels kontrolliert werden kann.
Vorzugsweise liegt die Oxidationstemperatur verwendeten Aluminiums unterhalb der Siedetemperatur des Aluminiums. Denn liegt diese oberhalb der Siedetemperatur, so verdampft das eingesetzte Aluminium größtenteils, wobei sich bei einer anschließenden Kondensation Nanopartikel von Aluminiumoxid bilden können, die in ihrem Durchmesser kleiner sind als die ursprünglichen eingesetzten Aluminiumpartikel. Diese Nanopartikel haben den Nachteil, dass sie nur mit großem Aufwand von den anderen Reaktionsprodukten, wie dem Wasserstoff abgetrennt und somit wieder dem Recyclingkreislauf zugeführt werden können.
Die Bildung von Nanopartikeln kann auch über die Menge des eingesetzten Wassers reguliert werden. Durch eine vollständige Oxidation des Aluminiums nach Typ C werden weniger Aluminiumspezies in der Gasphase und damit auch weniger Nanopartikel erzeugt. Weiterhin können, falls mehr Wasser eingesetzt als zur Oxidation des Aluminiums eigentlich stöchiometrisch verbraucht wird, Nebenreaktionen des Aluminiums mit Wasser und damit beispielsweise die Bildung von nicht vollständig oxidierten Aluminiumspezies wie beispielsweise Al₂O unterdrückt werden. Durch eine nicht vollständige Reaktion würde die erreichbare Energiemenge aus der Oxidation im Gegensatz zu einer vollständigen Reaktion geringer ausfallen.
Es ist vorteilhaft, die Oxidation des Aluminiums bei einem erhöhten Druck durchzuführen. Daher ist es vorgesehen, dass die Oxidation des Aluminiums in dem Aluminiumoxidationsschritt bei einem Druck zwischen 1,7 bar und 50 bar, vorzugsweise bei einem Druck zwischen 2 und 20 bar, und insbesondere bei einem Druck zwischen 5 und 10 bar durchgeführt wird. Somit kann sowohl die Wasserstoffspeicherung als auch die Prozessintensivierung begünstigt werden. Weiterhin kann bei einem erhöhten Druck, d.h. bei Drücken von 1,7 bar, die Temperatur der Aluminiumpartikel in einfacher Weise unterhalb des Siedepunkts gehalten werden, da die Siedetemperatur auch eine Funktion des Drucks ist. Je höher der Druck ist, umso höher kann die Oxidationstemperatur sein, ohne dass das eingesetzte Aluminium verdampft. Eine höhere Oxidationstemperatur geht dabei mit einer erhöhten Prozesswärme einher. Somit kann der Gasphasenübergang und damit verbunden auch die Nanopartikelbildung in der Gasphase weitestgehend vermieden oder zumindest reduziert werden.
Vorteilhafterweise wird das bei der Oxidation des Aluminiums mit Wasser entstehende Aluminiumoxid von dem ebenfalls entstandenen Wasserstoff abgetrennt. Auf diese Weise kann das Aluminiumoxid gesammelt und erneut, zur Speicherung von Energie, zum Metall reduziert werden. Daher ist es optional vorgesehen, dass das in dem Aluminiumoxidationsschritt gebildete Aluminiumoxid eine größere Partikelgröße aufweist als das zur Oxidation verwendete Aluminium, um eine möglichst einfache Abtrennung des Aluminiumoxids von dem bei der Oxidation ebenfalls gebildeten Wasserstoffs zu erreichen. Dadurch, dass das entstandene Aluminiumoxid eine Partikelgröße aufweist, welche größer ist als die Partikelgröße des eingesetzten Aluminiums, kann das Aluminiumoxid in einfacher Weise abgetrennt werden.
Die Partikelgröße des erhaltenen Aluminiumoxids in dem Aluminiumoxidationsschritts kann durch eine geeignete Vorgabe von Reaktionsparametern wie unter anderem durch eine geeignete Vorgabe der Partikelgröße des eingesetzten Aluminiums, der Temperatur des eingesetzten Wassers, des Drucks in der Aluminiumreaktionskammer, der Oxidationstemperatur des Aluminiums, sowie des Verhältnisses des eingesetzten Aluminiums zu dem Wasser, reguliert werden.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, durch eine geeignete Vorgabe der genannten Reaktionsparameter gezielt Aluminiumoxidnanopartikel zu erzeugen, welcher wiederum für eine nachfolgende industrielle Nutzung verwendet werden können. Dafür kann es vorgesehen sein, dass die erzeugten Aluminiumoxidnanopartikel eine Partikelgröße zwischen 1 und 1000 nm, bevorzugt zwischen 2 und 500 nm, und insbesondere zwischen 5 und 40 nm aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist optional vorgesehen, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt Aluminiumoxidnanopartikel in einem Bereich unterhalb von 1 ppm, bevorzugt unterhalb von 0,15 ppm, und besonders bevorzugt unterhalb von 0,01 ppm erzeugt werden. Die Angabe ppm bezieht sich dabei auf die Gesamtheit des bei der Oxidation entstehenden Aluminiumoxids, wobei vorzugsweise bei der Oxidation möglichst keine Nanopartikel von Aluminiumoxid gebildet werden. Durch eine geeignete Wahl der Reaktionsparameter, wie unter anderem Druck, Temperatur und das Oxidationsmittel kann die Bildung von Nanopartikeln weitestgehend unterbunden werden. Es ist vorteilhaft, die Bedingungen während der Oxidation des Aluminiums so zu wählen, dass es zu einer heterogenen Oberflächenreaktion der Aluminiumpartikel des Typs C kommt. Somit kann erwartet werden, dass die entstehenden Aluminiumoxidpartikel zum größten Teil größer und schwerer sind als die für die Umsetzung eingesetzten Aluminiumpartikel. Die Bildung von nur vernachlässigbar geringen Mengen Aluminiumoxidnanopartikeln bietet den Vorteil, dass diese zum einen nicht als Feinstaub in die Umgebung abgegeben werden können und die entstehenden wenigen Aluminiumoxidpartikel nicht mit großem Aufwand von dem ebenfalls entstehenden Wasserstoff abgetrennt werden müssen. Dies ermöglicht es, dass vorteilhafterweise das bei der Umsetzung des Aluminiums mit Wasser entstandene Aluminiumoxid in einfacher Weise abgetrennt und gesammelt werden kann, sodass in einem separaten Schritt eine vollständige Rückführung des Aluminiumoxids in Aluminium erfolgen kann.
Es ist auch optional vorgesehen, dass das in dem Aluminiumoxidationsschritt entstandene Aluminiumoxid mit Hilfe einer Abscheidungseinrichtung von dem entstandenen Wasserstoff getrennt wird. Die Abscheidungseinrichtung kann dabei ein Fliehkraftabscheider sein, mit dem das feste Aluminiumoxid von dem gasförmigen Wasserstoff und gegebenenfalls bei λ_H2O ≥ 1 auch von dem Wasser abgetrennt werden kann. Zusätzlich kann eine Abtrennung neben oder auch zusätzlich zu der Abtrennung mittels eines Fliehkraftabscheiders auch durch eine Filtration erfolgen, wobei die Umsetzungsprodukte der Umsetzung des Aluminiums mit dem Wasser durch einen geeigneten Filter geleitet werden, um feste Partikel aus den gasförmigen Produkten abzuscheiden.
In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist optional vorgesehen, dass durch eine geeignete Vorgabe der Menge des eingesetzten Aluminiums, der Temperatur des eingesetzten Wassers, des Drucks in der Aluminiumreaktionskammer sowie des Verhältnisses des eingesetzten Aluminiums zu dem Wasser, die Oxidation des Aluminiums so abläuft, dass der entstandene Wasserstoff in dem Aluminiumoxidationsschritt die Aluminiumreaktionskammer mit einer Temperatur größer als 2200 °C, vorzugsweise größer als 2500 °C, und insbesondere größer als 2800 °C verlässt. Die Temperatur des freigesetzten Wasserstoffs kann beispielsweise über die Menge des zur Oxidation eingesetzten Aluminiums, über den Druck in der Reaktionskammer, sowie auch über die Temperatur des eingesetzten Wassers sowie das Verhältnis von Wasser zu Aluminium reguliert werden. Je höher die Temperatur in der Aluminiumreaktionskammer ist, umso höher ist auch die Temperatur des Wasserstoffs. Je höher die Temperaturen sind, umso mehr Energie kann in Form von Prozesswärme bei der Gewinnung mittels Wärmetauscher erzielt werden.
Es ist auch vorgesehen, dass die in dem Aluminiumoxidationsschritt und/oder in dem Wasserdarstellungsschritt erzeugte Prozesswärme in einem Energieumwandlungsschritt entnommen werden. Dabei kann die entstandene Prozesswärme in Wärmetauschern zur Wasserdampferzeugung genutzt werden. Der Wasserdampf kann zum größten Teil zur Beheizung von Industrieprozessen, als Fern-/Nahwärme oder aber auch zum Betrieb einer Dampfturbine zur CO₂-freien Stromerzeugung verwendet werden. Neben der Verwendung der Prozesswärme kann ebenfalls der entstandene Wasserstoff dazu genutzt werden mittels Wärmetauscher zur Wasserdampferzeugung herangezogen zu werden.
Der Wasserdampf kann wie bereits angesprochen auch in einem geringen Umfang, gegebenenfalls nach einer Abkühlung, zur Absenkung der Temperatur der Wasserstoffreaktionskammer genutzt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt dargestellte Wasserstoff zumindest anteilsweise in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dafür kann der entstandene Wasserstoff elektrochemisch in Brennstoffzellen oder thermochemisch zur Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom eingesetzt werden.
Es ist auch vorteilhafterweise optional vorgesehen, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt entstandene Wasserstoff zumindest anteilsweise zur Darstellung des Wassers in dem Wasserdarstellungsschritt verwendet wird. Neben der Entnahme des entstandenen Wasserstoffs aus dem Prozess und dessen Verwendung in Wärmetauschern, zur Speicherung oder zum Umsatz in Brennstoffzellen kann der Wasserstoff für eine weitere Umsetzung und Reaktion in der Wasserstoffreaktionskammer dem Kreislauf erneut zugeführt werden.
Es ist auch optional vorgesehen, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt entstandene Wasserstoff und gegebenenfalls vorhandenes Wasser in die Aluminiumreaktionskammer eingeleitet wird. Dadurch kann durch die Zirkulation der Anteil der zu gewinnenden Wärme aus der Aluminiumreaktionskammer und auch der Wasserstoffreaktionskammer erhöht werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff sind in der nachfolgenden Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines modifizierten Verfahrens aus 1, wobei entstandener Wasserstoff in einem Kreislauf zirkuliert wird,
3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Wasserstoffreaktionskammer innerhalb einer Aluminiumreaktionskammer angeordnet ist, und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit angegebenen Reaktionsparametern basierend auf einer thermodynamischen Gleichgewichtsberechnung.

In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren 1 zur Darstellung von Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff an Hand einer schematischen Zeichnung dargestellt. Durchgezogene Linien stellen dabei schematisch Pfade dar, entlang denen einzelne Produkte oder Edukte geleitet werden. Gestrichelte Linien stellen dabei optionale Pfade dar, entlang denen optional Edukte oder Produkte weitergeleitet werden können. Abzweigungen innerhalb der Linien stellen Pfadkreuzungen dar, in denen Edukte oder Produkte je nach Wunsch entlang des einen Pfads und/oder des anderen Pfads weitergeleitet werden können.
In dem Verfahren wird Aluminium mit Wasser zur Reaktion gebracht, wobei sich Aluminiumoxid bildet und die in dem Aluminium chemisch gespeicherte Energie in Form von Prozesswärme und Wasserstoff umgewandelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren 1 ermöglicht es, dass die Energieumwandlung zum einen ohne die Emission von Kohlenstoffdioxid durchgeführt werden kann und zum anderen, dass durch die Steuerung der Temperatur der Oxidation des Aluminiums die Bildung von Feinstaub in Form von Nanopartikeln verhindert werden kann. Weiterhin kann eine flexible Auskopplung der Prozesswärme, Wasserstoff wie auch Wasserdampf erreicht werden. Dies ist darüber hinaus vorteilhafterweise auch bei einem Hochtemperaturprozess möglich.
In einem Wasserdarstellungsschritt 2 wird Wasserstoff 3 zusammen mit Sauerstoff 4 zur Reaktion gebracht, wobei in einer spontan und sehr rasch verlaufenden Reaktion gemäß der reduzierten Reaktionsgleichung H₂ + ½ O₂ → H₂O in einer Wasserstoffreaktionskammer 5 Wasser 6 gebildet wird. Der Wasserstoff 3 wird dabei stöchiometrisch mit dem Sauerstoff 4 zur Reaktion gebracht, wodurch Wasser 6 gebildet wird. Bei einer überstöchiometrischen Umsetzung mit mengenmäßig mehr Wasserstoff 3 als zur Darstellung des Wassers 6 benötigt wird, kann der überschüssige Wasserstoff 3 ebenfalls weitergeleitet werden. Um die Wasserstoffreaktionskammer 5 zu kühlen wird die bei der Reaktion des Wasserstoffs 3 mit dem Sauerstoff 4 entstandene Prozesswärme 7 in einem Energieumwandlungsschritt 8 entnommen, wodurch die Prozesswärme beispielsweise über einen Wärmetauscher zunächst in Dampf umgewandelt werden kann, welcher direkt verwendet oder auch zur Stromgewinnung eingesetzt werden kann. Das entstandene Wasser 6 bzw. gegebenenfalls vorliegende Reste von Wasserstoff 3 werden mit einer Temperatur von größer als 2200° C von der Wasserstoffreaktionskammer 5 zu einer Aluminiumreaktionskammer 9 geleitet. In der Aluminiumreaktionskammer 9 wird das Wasser 6 und gegebenenfalls Reste von Wasserstoff 3 einer unvollständigen Reaktion des Wasserstoffs 3 mit Sauerstoff 4 zusammen mit fein dispergiertem Aluminium 10 in einem Aluminiumoxidationsschritt 11 zur Reaktion gebracht. Die für die Reaktion benötigte Temperatur wird dabei durch das in die Aluminiumreaktionskammer 9 eingeleitete Wasser 6 mit einer Temperatur von größer als 2200 °C eingebracht, wobei das Aluminium 10 mit dem Wasser 6 zu ternärem Aluminiumoxid 12 umgesetzt wird. Weiterhin wird neben Aluminiumoxid 12 ebenfalls Wasserstoff 3 gebildet. Die bei der Umsetzung des Aluminiums 10 entstehende Prozesswärme 7 wird ebenfalls in dem Energieumwandlungsschritt 8 mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmetauschers entnommen und weiterverwendet.
Um die Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln 12 zu unterbinden oder zumindest zu reduzieren, wird das in den Aluminiumoxidationsschritt 11 verwendete Wasser 6 in einem Überschuss eingesetzt. Dazu ist das Stoffmengenverhältnis λ_H2O des in die Aluminiumreaktionskammer 9 eingebrachten Wassers 6 zu dem stöchiometrisch erforderlichen Wasser 6 λ_H2O insbesondere möglichst so zu wählen, dass λ_H2O ≥ 1 ist. Ein verwendetes Verhältnis von λ_H2O < 1 führt insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 2200 °C zu der Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln 12 sowie weiteren unerwünschten, da nicht vollständig oxidierten Aluminiumoxidphasen mit Aluminium 10 in der Oxidationsstufe +1 wie beispielsweise Al₂O. Bei einem Überschuss an eingesetztem Wasser 6 wird das überschüssige Wasser 6, welches nicht mit Aluminium 10 zu Aluminiumoxid 12 reagiert ebenfalls wie der entstandene Wasserstoff 3 weitergeleitet.
Ein weiterer Aspekt, um die Bildung von Aluminiumoxidnanopartikeln 12 zu unterbinden, ist die Regulierung der Temperatur innerhalb der Aluminiumreaktionskammer 9. Die Oxidation des Aluminiums 10 im Mikrometerbereich kann dabei in Abhängigkeit der adiabatischen Flammentemperatur T_f und des Dampfdrucks T_b des entstehenden Aluminiumoxids 12 beschrieben werden. Um das unkontrollierte und unerwünschte Verdampfen des Aluminiums 10 während der Reaktion und damit die Bildung von schwer abtrennbarem Feinstaub von kondensiertem Aluminiumoxid in Form von Aluminiumoxidnanopartikel 12, die das Recyceln des Metalloxids 12 erschweren, zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von T_f zu T_b < 1 ist.
Die in die Aluminiumreaktionskammer 9 eingebrachten Aluminiumpartikel 10 schmelzen durch die exotherme Reaktion von Aluminium 10 mit dem Wasser 6 zumindest teilweise auf, wodurch das Aluminium 10 vorwiegend in flüssiger Form vorliegt. Durch das Wasser 6 als Oxidationsmittel bildet sich im Verlauf der Oxidation des Aluminiums 10 eine wachsende Oxidschicht, von der Partikeloberfläche in Richtung des Partikelkerns, auf den Aluminiumpartikeln 10, die die gegebenenfalls noch teilweise festen Partikelkerne umgeben. Dabei erhöht sich durch die Oxidation durch die „Anlagerung“ von Sauerstoff die Masse des Aluminium-Aluminiumoxid-Partikels. Ist die Metalloxidschicht porös, so ist die Dichte des Metalloxids geringer als die des Metalls. Dann nimmt die Größe des oxidierten Metallpartikels gegenüber dem ursprünglichen Metallpartikel zu, wodurch die Abtrennung von dem Wasserstoff 3 erleichtert wird
Das entstandene Aluminiumoxid 12 des Aluminiumoxidationsschritts 11 wird im Anschluss in einer als Fliehkraftabscheider ausgebildeten Abscheideeinrichtung 13 von dem entstandenen Wasserstoff 3 und gegebenenfalls von dem Wasser 6 abgetrennt.
Der entstandene Wasserstoff 3 kann anschließend wie auch gegebenenfalls Wasser 6 aus dem Kreislauf entfernt oder zumindest anteilsweise erneut dem Kreislauf zurückgeführt werden. Weiterhin ist auch eine Nutzung des entstandenen Wasserstoffs 3 elektrochemisch in Brennstoffzellen oder thermochemisch zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und elektrischen Strom möglich.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen modifizierten Verfahrens 1 aus 1, wobei der in dem Aluminiumoxidationsschritt 11 entstandene Wasserstoff 3 nicht entnommen, sondern zu der Wasserstoffreaktionskammer 5 zurückgeführt und zur Darstellung von Wasser 6 in dem Wasserdarstellungsschritt 2 verwendet wird. Weiterhin kann der während der Oxidation entstandene Wasserstoff 3 entlang des Wasserstoffrückführungspfads 14 sowie gegebenenfalls Wasser 6 entlang des Wasserrückführungspfads 15 zur Aluminiumreaktionskammer 9 geführt werden.
In der 3 ist ein integriertes zweistufiges Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Dabei befindet sich die Wasserstoffreaktionskammer 5 innerhalb der Aluminiumreaktionskammer 9.
In der 4 ist schematisch ein Verfahren 1 angelehnt an die Ausgestaltung aus 1 dargestellt, wobei Reaktionsparameter basierend auf einer thermodynamischen Gleichgewichtsberechnung angegeben sind. Dabei wird Wasserstoff 3 mit Sauerstoff 4 in dem Wasserdarstellungsschritt 2 in der Wasserstoffreaktionskammer 5 umgesetzt, wobei Wasser 6 mit einer Temperatur T von 2350 °C gebildet wird. Dabei wird mehr Wasserstoff 3 in die Wasserstoffreaktionskammer 5 eingeleitet als für die Darstellung des Wassers 6 erforderlich wäre, um einen vollständigen Umsatz des Sauerstoffs 3 zu erreichen. Dazu ist das Stoffmengenverhältnis λ_O2 des in die Wasserstoffreaktionskammer 5 eingebrachten Sauerstoffs 3 zu dem stöchiometrisch erforderlichen Sauerstoff 3 bei einem Wert von 0,6. Das konditionierte und in einem Überschuss von λ_H2O = 1,6 eingesetzte Wasser 6 wird in der Aluminiumreaktionskammer 9 mit Aluminium 10 bei einem Druck P_R von 7 bar sowie einer Temperatur T_R der Aluminiumreaktionskammer 9 von 2300 °C umgesetzt, wobei das Aluminium 10 zu Aluminiumoxid 12 oxidiert wird. Durch die geeignete Vorgabe von Reaktionsparameter bildet sich bei dieser Umsetzung nur eine vernachlässigbar kleine Anzahl an Aluminiumoxidnanopartikeln 12 N_NP(Al₂O₃) von unter 400 ppm. Diese Mengenangabe entspricht dabei dem Anteil der Nanopartikel Al₂O₃ im Verhältnis zu der Gesamtmenge der Partikel aus Aluminium 10 und Aluminiumoxid 12 innerhalb der Gasphase im chemischen Gleichgewicht. Der Aluminiumreaktionskammer 9 werden in dem Energieumwandlungsschritt dabei Prozesswärme von 34 MJ pro eingesetztem Kilogramm Aluminium entnommen. Das im Überschuss eingesetzte Wasser 6 verlässt die Aluminiumreaktionskammer 9 mit einer Temperatur T von 900 °C. Bei der Oxidation des Aluminiums 10 wird darüber hinaus 0,05 kg Wasserstoff 3 pro Kilogramm eingesetztem Aluminium 10 erzeugt.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Verfahren
2: Wasserdarstellungsschritt
3: Wasserstoff
4: Sauerstoff
5: Wasserstoffreaktionskammer
6: Wasser
7: Prozesswärme
8: Energieumwandlungsschritt
9: Aluminiumreaktionskammer
10: Aluminium
11: Aluminiumoxidationsschritt
12: Aluminiumoxid
13: Abscheideeinrichtung
14: Wasserstoffrückführungspfad
15: Wasserrückführungspfad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. M. Bergthorson, S. Goroshin, M. J. Soo, P. Julien, J. Palecka, D. L. Frost und D. J. Jarvis, Applied Energy, 2015, 160, 368-382 [0028]

Claims

Verfahren (1) zur Umwandlung von Energie in Form von Prozesswärme (7) und Wasserstoff (3), wobei Aluminium (10) mit Wasser (6) bei einer erhöhten Temperatur in einer Aluminiumreaktionskammer (9) in einem Aluminiumoxidationsschritt (11) umgesetzt und dabei zu Aluminiumoxid (12) oxidiert wird, wobei Prozesswärme (7) und Wasserstoff (3) freigesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Reaktion von Aluminium (12) und Wasser (6) freigesetzte Wasserstoff (3) zumindest anteilsweise einer Wasserstoffreaktionskammer (5) zugeführt wird, wobei der Wasserstoff (3) mit Sauerstoff (4) zu Wasser (6) reagiert, und dass das zuvor aus dem Wasserstoff (3) dargestellte Wasser (6) der Aluminiumreaktionskammer (11) zur Oxidation des Aluminiums (10) zugeführt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (3) in dem Wasserdarstellungsschritt (2) zur Darstellung des Wassers (6) in einem Überschuss eingesetzt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wasserdarstellungsschritt (2) Wasser (6) mit einer Temperatur größer als 2200 °C, vorzugsweise größer als 2500 °C, und insbesondere größer als 2800 °C zum Einleiten in die Aluminiumreaktionskammer (9) dargestellt wird.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regulierung der Temperatur des dargestellten Wassers (6) in der Wasserstoffreaktionskammer (5), Wasser (6) aus einem Wasserreservoir in die Wasserstoffreaktionskammer (5) eingeleitet wird, um Wasser (6) mit einer gewünschten Temperatur bereitzustellen.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) Aluminium (10) mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 1000 um, vorzugsweise zwischen 2 und 80 um und insbesondere zwischen 5 und 40 um verwendet wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) in der Aluminiumreaktionskammer (9) neben Aluminium (10) auch zumindest teilweise oxidiertes Aluminium mit Wasser (6) oxidiert werden.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Oxidation des Aluminiums (10) verwendete Wasser (6) in einem Überschuss eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidationstemperatur des Aluminiums (10) in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) bei einem vorgegebenen Druck unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium (10) und Aluminiumoxid (12) liegt.
Verfahren (1) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationstemperatur des Aluminiums (10) in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) bei einem vorgegebenen Druck unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium (10) liegt, und dass das zur Oxidation des Aluminiums (10) verwendete Wasser (6) in einem Überschuss eingesetzt wird, sodass das Aluminium (10) bei einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Aluminium (10) vollständig durch das Wasser (6) oxidiert wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation des Aluminiums (10) in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) bei einem Druck zwischen 1,7 bar und 50 bar, vorzugsweise bei einem Druck zwischen 2 und 20 bar, und insbesondere bei einem Druck zwischen 5 und 10 bar durchgeführt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) gebildete Aluminiumoxid (12) eine größere Partikelgröße aufweist als das zur Oxidation verwendete Aluminium (10), um eine möglichst einfache Abtrennung des Aluminiumoxids von dem bei der Oxidation ebenfalls gebildeten Wasserstoffs (3) zu erreichen.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) Aluminiumoxidnanopartikel (12) in einem Bereich unterhalb von 1 ppm, bevorzugt unterhalb 0,1 ppm, und besonders bevorzugt unterhalb von 0,01 ppm erzeugt werden.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) entstandene Aluminiumoxid (12) mit Hilfe einer Abscheidungseinrichtung (13) von dem entstandenen Wasserstoff (3) getrennt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Vorgabe der Menge des eingesetzten Aluminiums (10), der Temperatur des eingesetzten Wassers (6), des Drucks in der Aluminiumreaktionskammer (11), sowie des Verhältnisses des eingesetzten Aluminium (10) zu dem Wasser (6), die Oxidation des Aluminiums (10) so abläuft, dass der entstandene Wasserstoff (3) in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) die Aluminiumreaktionskammer (9) mit einer Temperatur größer als 2200 °C, vorzugsweise größer als 2500 °C, und insbesondere größer als 2800 °C verlässt.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) und/oder in dem Wasserdarstellungsschritt (2) erzeugte Prozesswärme (7) in einem Energieumwandlungsschritt (8) entnommen werden.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) dargestellte Wasserstoff (3) zumindest anteilsweise in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) entstandene Wasserstoff (3) zumindest anteilsweise zur Darstellung des Wassers (6) in dem Wasserdarstellungsschritt (2) verwendet wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Aluminiumoxidationsschritt (11) entstandene Wasserstoff (3) und gegebenenfalls vorhandenes Wasser (6) in die Aluminiumreaktionskammer (9) eingeleitet wird.