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WO2022096614A1 - Anlage und verfahren zum erhalt eines vorbestimmten kohlenstoffdioxid/sauerstoff-verhältnisses in der atmosphäre - Google Patents

Anlage und verfahren zum erhalt eines vorbestimmten kohlenstoffdioxid/sauerstoff-verhältnisses in der atmosphäre Download PDF

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WO2022096614A1
WO2022096614A1 PCT/EP2021/080700 EP2021080700W WO2022096614A1 WO 2022096614 A1 WO2022096614 A1 WO 2022096614A1 EP 2021080700 W EP2021080700 W EP 2021080700W WO 2022096614 A1 WO2022096614 A1 WO 2022096614A1
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WO
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carbon dioxide
unit
oxygen
air
plant
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PCT/EP2021/080700
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French (fr)
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Frank Obrist
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Obrist Technologies GmbH
Original Assignee
Obrist Technologies GmbH
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Publication date
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Priority to US18/035,699 priority patent/US20230407489A1/en
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    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for maintaining and/or balancing a predetermined carbon dioxide/oxygen ratio in atmospheric air, in particular for improving atmospheric air quality. Furthermore, the invention relates to a system with such a facility.
  • the ratified Paris Agreement lists the main goal of keeping the rise in global mean temperature below 2°C above pre-industrial levels, which requires a reduction in CCh emissions to zero by 2050. Suggestions to limit these emissions include the use of biofuels, solar power and wind turbines.
  • the natural carbon cycle has evolved over a long period of time in such a way that a certain amount of CO2 is present in the atmosphere. Plants play a key role here, absorbing the carbon from the CO2 through photosynthesis and releasing the oxygen content back into the atmosphere. This removes the CO2 from the air (over 100 billion tons of carbon are absorbed by plants every year in this way). It is well known that growing forest, especially between the ages of 10 and 40 years, is very well suited to binding the carbon from the CO2 in the air and releasing the oxygen into the atmosphere. A forest of this kind covering an area of one hectare usually releases around 15 to 30 tons of oxygen into the atmosphere per year. The amount of oxygen released depends on the type of forest (deciduous forest, coniferous forest or mixed forest).
  • the invention is therefore based on the object of specifying a system that supports the function of the natural forest through a continuous process and thereby at least slows down global warming. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a method and a system with such a plant.
  • this object is achieved with regard to the system by the subject matter of claim 1.
  • the above object is achieved by the subject matter of claim 11 (method) and claim 12 (system), respectively.
  • the object is achieved by a system, in particular a power plant, for maintaining and/or compensating for a predetermined carbon dioxide/oxygen ratio in atmospheric air, in particular for improving atmospheric air quality, the system comprising the following:
  • - at least one electrolysis unit for oxygen production which is connected to at least one water supply line for receiving a quantity of water and is adapted to split a quantity of water received into an oxygen portion and a hydrogen portion by electrolysis;
  • - at least one hydrogen transport device which is adapted to provide the partial hydrogen quantity for storage and/or for further processing;
  • At least one carbon dioxide transport device which is adapted to make the carbon dioxide quantity available for storage and/or further processing.
  • the electrolysis unit has at least one oxygen outlet for releasing the partial oxygen quantity and the carbon dioxide absorption unit has at least one air outlet for releasing cleaned ambient air, the oxygen outlet and the air outlet opening into the outside atmosphere.
  • the invention has various advantages.
  • the plant In order to produce oxygen for release into the outside atmosphere, the plant only needs water as the basic substance, which is broken down into its components oxygen and hydrogen by an electrolysis process. This process is called water electrolysis.
  • the electrolysis unit is connected to the water supply line to receive a quantity of water for the electrolysis process.
  • the water body may be a fresh water body or a desalinated sea water body.
  • at least one treatment unit can be provided, which treats, in particular cleans, the amount of water before the electrolysis process.
  • the electrolysis unit If the amount of water taken up is divided by the electrolysis unit into an oxygen portion and a hydrogen portion, the separated oxygen portion is discharged through the oxygen outlet of the electrolysis unit into the outside atmosphere. This mixes the air from the outside atmosphere with fresh oxygen and supports the natural forest in producing oxygen.
  • the oxygen outlet can be formed by at least one line, in particular a pipeline, which extends from the electrolysis unit to the extends towards the outside atmosphere.
  • the oxygen outlet can be formed by a chimney, through which the separated partial oxygen quantity can be discharged into the atmosphere.
  • At least one ventilator, in particular a blower, can be arranged between the electrolysis unit and the oxygen outlet for discharging the partial oxygen quantity.
  • the separated partial quantity of hydrogen is made available for storage by means of the hydrogen transport device.
  • the hydrogen transport means may be a pipeline connected to the electrolysis unit.
  • the system can have a hydrogen storage device, which receives the partial hydrogen quantity by means of the hydrogen transport device.
  • the hydrogen transport device preferably connects the electrolysis unit to the hydrogen storage device.
  • the hydrogen store can be a container, in particular a pressure container.
  • the hydrogen transport device is adapted to make the partial hydrogen quantity available for further processing as an alternative or in addition. It is possible that the hydrogen fraction is processed into a synthetic fuel together with the carbon dioxide mass from the extraction process.
  • the carbon dioxide absorption unit is adapted to extract an amount of carbon dioxide from ambient air.
  • the carbon dioxide absorption unit is therefore used to clean the ambient air of the outside atmosphere of carbon dioxide.
  • the carbon dioxide absorption unit has the absorber device, which is adapted to remove at least a quantity of carbon dioxide from the ambient air.
  • the absorber device is preferably an amine exchanger. Other absorber devices for extracting carbon dioxide from air are possible.
  • the carbon dioxide absorption unit has the advantage that the CO2 concentration in the atmosphere is reduced and thus approaches the original concentration before industrialization. This represents a partial function of the natural forest, so that it is further supported. Advantageously, this slows down global warming.
  • the extracted amount of carbon dioxide is made available for storage by the carbon dioxide transport device.
  • the carbon dioxide transport means may be a pipeline connected to the carbon dioxide absorbing unit.
  • the plant can have a carbon dioxide store which absorbs the amount of carbon dioxide by the carbon dioxide transport device.
  • the carbon dioxide transport device can connect the carbon dioxide absorption unit with the carbon dioxide storage.
  • the carbon dioxide store can be a container, in particular a pressure container.
  • the carbon dioxide transport device is further adapted to alternatively or additionally make the carbon dioxide quantity available for further processing.
  • the system according to the invention provides a means by which the composition of the atmospheric air can be balanced.
  • the system prevents an undesired reduction in the oxygen content and an undesired increase in the CCh content in the air.
  • the system according to the invention thus enables a quantity regulation of the components in the atmospheric air, so that a permanently existing quantity balance of the air components in the earth's atmosphere can be maintained or an existing imbalance in the quantities of the air components can be compensated.
  • the invention has the additional advantage that the system can be operated continuously regardless of the time of day or night.
  • the system according to the invention can continuously remove carbon dioxide from the atmosphere and continuously supply oxygen to the atmosphere.
  • the oxygen release and carbon dioxide extraction performance of the system is essentially independent of the service life of the system. Due to the operation of the plant, oxygen is in a continuous process craftable and carbon dioxide absorbable. This reliably supports the natural forest.
  • system according to the invention can be used as a small power plant, for example in buildings and/or in open spaces in cities, to improve the air quality.
  • a subsidiary aspect of the invention relates to a method for maintaining and/or compensating for a predetermined carbon dioxide/oxygen ratio in atmospheric air, in particular for improving atmospheric air quality, by means of a system, in particular a system according to the invention, with the method
  • the hydrogen subset is made available by at least one hydrogen transport device for storage and/or for further processing;
  • Ambient air of an external atmosphere surrounding the plant is cleaned by at least one carbon dioxide absorption unit, the ambient air being fed through at least one air inlet to a downstream absorber device and then through the absorber device, a quantity of carbon dioxide is extracted from the supplied ambient air;
  • the amount of carbon dioxide is made available by at least one carbon dioxide transport device for storage and/or for further processing.
  • the partial amount of oxygen after decomposition and the cleaned ambient air are released to the outside atmosphere.
  • This enables a regulation of the quantity of the components of the atmospheric air and thus the maintenance of a permanently constant quantity balance of the components of the air in the earth's atmosphere or the compensation of an existing imbalance in the quantities of the components of the air.
  • the electrolysis unit has an annual output of at least 700,000 tons of an oxygen fraction.
  • the electrolysis unit is preferably adapted to produce at least 700,000 tons of oxygen per year from a water quantity of at least 500,000 tons, in particular at least 700,000 tons, in particular 750,000 tons.
  • natural forest which has an annual oxygen release rate of 15 to 30 tons per hectare, the plant in this embodiment and with an assumed area of approximately 12 square kilometers produces 5 to 40 times more oxygen per year .
  • the carbon dioxide absorption unit preferably has an extraction capacity of at least 400,000 tons, in particular 600,000 tons, of a quantity of carbon dioxide per year.
  • the carbon dioxide absorption unit is preferably adapted to separate at least 400,000 tons, in particular 600,000 tons, of carbon dioxide per year from an air volume of 1450 to 1600 megatons, in particular 1570 megatons.
  • the electrolysis unit is adapted to, from a water amount of at least 1.5 kg, in particular at least 1.7 kg, an oxygen subset of at least 1.2 kg, in particular at least 1.5 kg, and / or Separate hydrogen portion of at least 0.1 kg, in particular at least 0.15 kg.
  • the electrolysis unit is preferably adapted to separate an oxygen portion of at least 1.5 kg and a hydrogen portion of at least 0.19 kg from a water volume of 1.7 kg.
  • the advantage here is that the electrolysis unit is designed to be highly efficient and very large quantities of oxygen and hydrogen are produced.
  • the carbon dioxide absorption unit is adapted to extract an amount of carbon dioxide of at least 1.1 kg to 2 kg, in particular at least 1.4 kg, from an amount of ambient air of at least 3300 kg. This enables the significant reduction of the CCh concentration in the air.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit each have at least one assembly area that can be or is connected to a foundation, in particular of a building and/or structure.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit are preferably firmly connected to the foundation through the assembly areas.
  • each unit can be connected to a separate foundation.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit are designed on a large scale.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit can each be arranged in a separate operating building.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit can be arranged in separate operating buildings which are directly or indirectly adjacent to one another.
  • the electrolysis unit and/or the carbon dioxide absorption unit can each be arranged together in an operating building.
  • a combination of a separate arrangement and a common arrangement of the respective electrolysis unit and/or carbon dioxide absorption unit is possible.
  • the system can have its own infrastructure.
  • the system can include at least one access road.
  • the system can consist of several structures. This can be industrial buildings, for example.
  • the facility includes a port for ships.
  • power lines can be provided in order to supply the system with power, for example from a photovoltaic unit.
  • the system can be arranged in at least one housing.
  • the housing can enclose the plant.
  • the housing can be made of plastic and/or metal. The advantage here is that the system can be used in municipal buildings as part of a ventilation system or in cities to improve air quality.
  • the carbon dioxide absorption unit comprises at least one chimney and at least one flow channel running transversely to the chimney, which is connected to the chimney at an area arranged at the bottom in the installed position.
  • the chimney preferably has the air outlet and the flow channel has the air inlet.
  • the absorber device is arranged in the direction of flow between the flow channel and the chimney.
  • the flow channel is preferably elongate and forms an area for supplying ambient air to the absorber device.
  • the chimney is located downstream of the absorber device and discharges the cleaned ambient air from the absorber device into the outside atmosphere.
  • the chimney can be arranged essentially perpendicular to the flow channel.
  • the air outlet and the air inlet preferably have a height offset relative to one another. In other words, the air inlet and the air outlet are preferably offset vertically. Ambient air can preferably flow through the absorber device. It is advantageous here that the configuration of the carbon dioxide absorption unit with the chimney and the flow channel results in natural ventilation, so that no electrically operated fan is required to accelerate the air.
  • a fan in particular a fan, to be provided in a further embodiment, which supplies the ambient air to be cleaned to the absorber device. This can, for example, when starting the Carbon dioxide absorption unit may be required to create the natural chimney draft in the initial phase of operation.
  • the at least one chimney can have a diameter between 20 meters and 30 meters and a height between 50 meters and 200 meters.
  • the diameter of the chimney refers to the size of the air outlet. It is possible that the chimney has a larger diameter in the connection area of the flow duct than in the area of the air outlet.
  • the chimney preferably has a diameter of 25 meters and a height of 100 meters. Such dimensions of the chimney enable optimized natural ventilation.
  • the flow channel preferably has a surface arranged at the top in the installed position, in particular a dark-colored surface at least in sections, for absorbing solar radiation, in order to heat the ambient air in the flow channel by radiant heat.
  • the flow channel is preferably arranged directly below the surface arranged above.
  • the surface arranged at the top in the installed position can be essentially black.
  • the surface arranged on top can be part of at least one metal sheet. It is alternatively possible that the surface arranged on top is part of at least one plate.
  • the natural ventilation for air movement between the flow channel and the chimney is further improved.
  • the surface arranged at the top is dark-colored at least in sections and light-colored at least in sections. This enables absorption and reflection of sun rays.
  • the surface arranged at the top is part of a flat system area, on the long side of which several chimneys, in particular forty chimneys, are arranged in a row, with a flow channel running below the surface arranged at the top towards one of the chimneys.
  • the flow channels can each be separated from one another by a partition.
  • the flow channels preferably run parallel and are part of the flat system area.
  • the planar installation area can be rectangular in plan view. It is also possible for the planar installation area to be circular in plan view.
  • the flat system area preferably borders directly on the other units of the system in order to keep the lines short.
  • the flat system area has at least one photovoltaic unit, which is arranged on the surface arranged at the top.
  • the photovoltaic unit can be connected to the electrolysis unit for power supply.
  • the photovoltaic unit can be connected to the carbon dioxide absorption unit for the power supply.
  • the photovoltaic unit can be designed as a photovoltaic field on the surface arranged at the top. Thanks to the photovoltaic unit, the system can be operated in an energy self-sufficient manner. The advantage here is that the system is operated exclusively with electricity from solar energy and thus no fossil fuels are used to generate energy.
  • a secondary aspect of the invention relates to a system for regulating the quantity of air components in the earth's atmosphere with at least one system according to the invention and at least one power generation unit for the self-sufficient power supply of the system, the power generation unit being electrically connected to the system and one or more, in particular exclusively, regenerative energy sources for power generation uses.
  • the system can alternatively or additionally have individual features or a combination of several features previously mentioned in relation to the system.
  • the power generation unit has at least one buffer memory for storing energy.
  • the buffer memory can be adapted to store electrical power.
  • the buffer storage can be adapted to store hydrogen.
  • the buffer storage also allows the system to be supplied with energy at night, so that the system can be operated without interruption to operations.
  • the electricity generation unit is at least one photovoltaic unit for converting solar energy into electricity. Additionally or alternatively, the electricity generation unit can be at least one wind power unit for converting wind energy into electricity. The wind power unit can have one or more wind turbines. Additionally or alternatively, the electricity generation unit can comprise at least one hydroelectric power unit for converting hydroelectric power into electricity.
  • the hydroelectric power unit can be at least one hydroelectric power station, in particular a river power station or a pumped storage power station.
  • the hydroelectric power unit can additionally or alternatively comprise a wave power plant.
  • the electricity generation unit can additionally or alternatively be at least one thermal unit for converting thermal energy into electricity.
  • the thermal unit may be adapted to convert heat from at least one subsurface layer of earth into electricity. Other thermal units are possible.
  • 1 is a perspective view of a system for maintaining and/or balancing a predetermined carbon dioxide/oxygen ratio in atmospheric air in accordance with a preferred embodiment of the present invention
  • 2 is a perspective view of a system for maintaining and/or balancing a predetermined carbon dioxide/oxygen ratio in atmospheric air according to another preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a plan view of a planar system area of the system according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through the planar system area of the system according to FIG.
  • the system 30 includes a plant 10 with an electrolysis unit 11 for the production of oxygen and a carbon dioxide absorption unit 12 for cleaning ambient air UL of a plant 10 surrounding the outside atmosphere.
  • the system 30 also includes a power generation unit 31 for the self-sufficient power supply of the system 10, which will be discussed in more detail later.
  • the electrolysis unit 11 is designed to split a quantity of water M HZO into an oxygen subset M02 and a hydrogen subset by electrolysis.
  • the electrolysis unit 11 thus forms a unit for water electrolysis.
  • the electrolysis unit 11 is connected to a water supply line 13 for receiving the amount of water M H2O.
  • a pump unit 25 is arranged between the electrolysis unit 11 and the water supply line 13 .
  • the pump unit 25 has at least one pump for transporting water from a water reservoir 26 .
  • the water reservoir 26 can be a sea of sea water. Alternatively, the water reservoir 26 may be a fresh water lake. It is also possible that the water supply line 13 is connected to a river to take fresh water for water electrolysis.
  • the Water supply line 13 connected to a sea for taking sea water.
  • the system 10 is arranged near the coast in order to keep the distance to the water supply, in particular the water supply line 13, short.
  • the pump unit 25 is designed to pump seawater out of the sea and to make it available to other system parts or units for further processing.
  • the system 10 has a seawater desalination unit 27 .
  • the seawater desalination unit 27 is connected to the pump unit 25 by at least one pipeline.
  • the seawater desalination unit 27 is adapted to separate out a specific proportion of salt from the conveyed quantity of seawater M HZO so that the seawater has a reduced salt content after the desalination process by the seawater desalination unit 27 .
  • the electrolysis unit 11 is designed to split the amount of water M H2O taken up into a hydrogen subset and an oxygen subset MO2. Specifically, the electrolysis unit 11 has an output of the oxygen subset M02 per year of at least 700,000 tons. In order to achieve this output power, the electrolysis unit 11 is adapted to separate an oxygen subset M02 of at least 1.2 kg from a water quantity M H2O of at least 1.5 kg. The electrolysis unit 11 is preferably adapted to separate an oxygen subset MO2 of at least 1.5 kg from a water quantity MH2O of at least 1.7 kg. In order to release the partial oxygen quantity M02 produced, the electrolysis unit 11 has an oxygen outlet 16 which opens into the outside atmosphere.
  • the electrolysis unit 11 it is possible for the electrolysis unit 11 to have one or more oxygen outlets 16 for discharging the partial oxygen quantity M02 produced.
  • one or more oxygen outlets 16 for discharging the partial oxygen quantity M02 produced.
  • other water supply sources are possible.
  • the system 10 also has at least one hydrogen transport device, not shown, which is adapted to make the partial quantity of hydrogen separated from the quantity of water M HZO available for storage and/or for further processing. It is possible for the system 10 to have a hydrogen store for this purpose, which is connected to the hydrogen transport device. After the electrolysis process, the hydrogen transport device supplies the separated partial quantity of hydrogen from the electrolysis unit 11 to the hydrogen storage device. Alternatively, it is possible for the hydrogen transport device to supply the partial hydrogen quantity to a further part of the plant, not shown, in order to be processed further.
  • the carbon dioxide absorption unit 12 has an air inlet
  • the carbon dioxide absorption unit 12 It is possible for the carbon dioxide absorption unit 12 to have one or more air inlets 14 .
  • the absorber device 15 is connected to the air inlet 14 .
  • the absorber device 15 is adapted to extract an amount of carbon dioxide from the ambient air UL.
  • the carbon dioxide absorbing unit 12 further has an air outlet 17 directed upward in the vertical direction.
  • the air outlet 17 serves to release the ambient air UL′ that has been cleaned of carbon dioxide.
  • the air outlet 17 is part of a chimney 19.
  • the absorber device 15 is arranged between the air inlet 14 and the air outlet 17 .
  • the ambient air UL flows through the air inlet 14 to the absorber device 15, which separates, in particular filters, a certain amount of carbon dioxide from the air UL, with the cleaned ambient air UL′ flowing after the absorber device 15 through the air outlet 17 into the outside atmosphere.
  • the absorber device 15 it is possible for several air inlets 14, several absorber devices 15 and several air outlets 17 to be provided.
  • a single chimney 19 with a height H of 200 meters is shown in FIG. 1, which shows the external structure of the carbon dioxide absorption unit 12 as an example.
  • the air outlet 17 also opens into the outside atmosphere, just like the oxygen outlet 16.
  • the system 10 also includes a carbon dioxide transport device which is designed to make the quantity of carbon dioxide separated from the ambient air UL available to a carbon dioxide store and/or to another part of the system 10 for further processing. It is possible for the extracted amount of carbon dioxide to be processed with the separated partial amount of hydrogen to form a common end product.
  • the carbon dioxide absorption unit 12 has an extraction capacity of at least 400,000 tons, in particular 600,000 tons, of a quantity of carbon dioxide per year.
  • the carbon dioxide absorption unit 12 is designed to clean an ambient air volume of at least 1500 megatons per year.
  • the carbon dioxide absorption unit 12 is adapted to extract at least 1.4 kg of carbon dioxide from an ambient air amount of at least 3300 kg.
  • the system 10 according to FIG. 1 has a carbon dioxide transport device, not shown, which is adapted to make the separated quantity of carbon dioxide available for storage and/or for further processing.
  • the system 10 can have a carbon dioxide store.
  • the system 10 has a flat system area 23 .
  • the flat plant area 23 directly adjoins the electrolysis unit 11 .
  • a power generation unit 31 which is a photovoltaic unit 24 , is arranged on the flat system area 23 .
  • the photovoltaic unit 24 is connected to the respective units of the system 10 for power supply.
  • the photovoltaic unit 24 is adapted in such a way that the entire installation 10 or the entire system 30 can be operated in an energy self-sufficient manner. This means that the electrical power required to operate the entire system is 10 is provided exclusively by solar energy by means of the photovoltaic unit 24. In other words, no fossil energy sources are used to operate the system 10 .
  • the flat plant area 23 has a longitudinal extent 32 of approximately 5000 meters and a transverse extent 33 of approximately 2000 meters.
  • the planar plant area of the plant 10 is formed on an area of 10 square kilometers.
  • the plant area shown in FIG. 1 including the electrolysis unit 11 can have a partial longitudinal extension 29 of approximately two kilometers. Other partial longitudinal, longitudinal and transverse extensions 29, 32, 33 are possible.
  • facility 10 produces at least 580 tons of oxygen per hectare (0.01 square kilometers) per year. Compared to a conventional natural forest, which releases an annual oxygen rate of 15 to 30 tons per hectare, the plant 10 exhibits a 5 to 40 times higher oxygen release into the atmosphere.
  • the facility 10 can therefore be said to be an artificial forest that has a higher oxygen release capacity than a natural forest.
  • the sea water desalination unit 27 described above is connected to a water return line 28 through which a quantity of sea water M'HZO to be returned with an increased salt content is returned to the sea. Specifically, a specific salt content is extracted from the amount of seawater removed and then returned to the sea with part of the amount of seawater removed as the amount of water M'HZO to be returned. This provides a water cycle that is harmless to nature.
  • the preferred place of installation of the system 30 or the installation 10 is near the coast of a sea.
  • the system 10 is particularly preferably set up in a desert.
  • the system 10 according to FIG. 1 is a large power plant.
  • the system 10 has at least one assembly area 18 which is connected to a foundation of a building and/or a structure.
  • the electrolysis unit 11 and/or the carbon dioxide absorption unit 12 may be arranged in a common building or in separate buildings.
  • the power supply unit 31 preferably has a power store, not shown, which is adapted to power the system 10 in night-time operation.
  • FIG. 2 shows a plant 10 in which the individual carbon dioxide absorption unit 12 is replaced by a plurality of carbon dioxide absorption units 12 .
  • the respective carbon dioxide absorption unit 12 according to FIG. 2 has a chimney 19 and a flow channel 21 running transversely to the chimney 19 . This can be clearly seen in FIG. 4, for example.
  • the flow channel 21 is connected to the chimney 19 at a region of the chimney which is arranged at the bottom in the installed position.
  • An absorber device 15 is arranged between the flow channel 21 and the chimney 19 and is designed to extract a quantity of carbon dioxide from the ambient air UL.
  • the absorber device 15 is formed by an amine exchanger. Other types of absorber devices are possible.
  • the chimneys 19 are arranged along the longitudinal extension 32 of the flat contact area 23 .
  • the flat contact area 23 has a surface 22 arranged at the top in the installed position.
  • the surface 22 arranged at the top is designed to be dark-colored, at least in sections, in order to absorb solar energy.
  • the flow channels 21 are arranged below the surface 22 arranged at the top.
  • a plurality of air inlets 14 are formed in the surface 22 arranged at the top for supplying ambient air UL into the flow channels 21 .
  • the air inlets 14 form passage openings through the surface 22 arranged at the top. These are only shown on the first flow channel 21 in FIG. 4 for the sake of better illustration.
  • the number of air inlets 14 is also variable.
  • ambient air flows through the air inlets 14 into the flow channel 21 and then through the absorber device 15.
  • the cleaned ambient air UL′ flows into the chimney 19 and through the air outlet 17 into the outside atmosphere.
  • the temperature of the ambient air UL in the flow channel 21 is preferably approx. 60°C. at With an outside temperature of the ambient air UL of approx. 40° C., natural ventilation is generated by the arrangement of the chimney with the flow channel 21 and the dark-colored surface 22 .
  • no fan or blower is required for the supply of the ambient air UL into the flow channel 21 and for the flow through the absorber device 15 and the outflow of the cleaned ambient air UL′ from the chimney 19 .
  • FIG. 3 a plan view of the planar system area 23 of the system 10 according to FIG. 2 is shown.
  • the numbering from 1 to 40 shown along the longitudinal extension 32 represents the number of chimneys 19 arranged on the longitudinal extension 32.
  • the lines running transversely to the longitudinal extension 32 show schematic separations between the individual flow channels 21.
  • the individual flow channels 21 are each assigned to a chimney 19 .
  • an absorber device 15 is arranged between the flow channel 21 and the chimney 19 .
  • the longitudinal extension 32 of the planar installation area 23 is approximately 5000 meters and the transverse extension 33 of the planar installation area 23 is approximately 2000 meters.
  • a total of forty chimneys 19 with a total of forty flow channels 21 are provided in the flat system area 23 . These have a combined output of cleaned ambient air UL' of at least 1800 megatons per year.
  • the chimneys 19 have a diameter D which is 25 meters.
  • the diameter D refers to that area of the chimney 19 in which the air outlet 17 is formed.
  • the air outlet 17 is formed at a free end of the chimney 19 .
  • the respective chimney 19 has a height H of 100 meters. This creates an optimal shape for the chimney effect for natural ventilation. Other dimensions of the chimneys 19 are possible.
  • the flat contact area 23 is provided with a photovoltaic unit 24 on the surface 22 arranged at the top.
  • a photovoltaic unit 24 is arranged on the surface 22 arranged at the top of the flat system area 23 .
  • the photovoltaic unit 24 preferably has an output of 1.5 gigawatts per year.
  • the carbon dioxide absorption unit 12 and the photovoltaic unit 24 spatially form a common unit.
  • a quantity of water MH2O is taken up through the water supply line 13 by means of the electrolysis unit 11 for the production of oxygen.
  • the absorbed quantity of water MH2O is then broken down into an oxygen subset M02 and a hydrogen subset by an electrolysis process.
  • the hydrogen subset is made available by at least one hydrogen transport device for storage or for further processing.
  • ambient air UL of an external atmosphere surrounding the system 10 is cleaned by the carbon dioxide absorption unit 12 .
  • the ambient air UL is introduced, in particular drawn in, through a plurality of air inlets 14 into the flow channels 21 and fed to the downstream absorber devices 15 .
  • the absorber devices 15 then extract a quantity of carbon dioxide from the supplied ambient air UL.
  • the amount of carbon dioxide is made available by the carbon dioxide transport device for storage or for further processing.
  • the partial amount of oxygen M02 obtained after the decomposition process and the purified ambient air UL after the extraction of the amount of carbon dioxide in the given off to the outside atmosphere. This increases the oxygen content in the air and reduces the CCh content in the air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (10), insbesondere Kraftwerk, zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff - Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität, umfassend: wenigstens eine Elektrolyseeinheit (11) zur Sauerstoffherstellung, die mit wenigstens einer Wasserzuführleitung (13) zur Aufnahme einer Wassermenge (MH2O) verbunden ist und dazu angepasst ist, eine aufgenommene Wassermenge (MH2O) durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge (MO2) und eine Wasserstoffteilmenge zu zerlegen; wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Wasserstoffteilmenge zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen; wenigstens eine Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit (12) zur Reinigung von Umgebungsluft (UL) einer die Anlage (10) umgebenden Außenatmosphäre, die wenigstens einen Lufteinlass (14) zur Zufuhr der Umgebungsluft (UL) und wenigstens eine nachgeordnete Absorbereinrichtung (15) aufweist, die dazu angepasst ist, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft (UL) zu extrahieren; und - wenigstens eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Kohlenstoffdioxidmenge zur Speicherung und/oder Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen, wobei die Elektrolyseeinheit (11) wenigstens einen Sauerstoffauslass (16) zur Abgabe der Sauerstoffteilmenge (MO2) und die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit (12) wenigstens einen Luftauslass (17) zur Abgabe von gereinigter Umgebungsluft (UL') aufweist, wobei der Sauerstoffauslass (16) und der Luftauslass (17) in die Außenatmosphäre münden.

Description

Anlage und Verfahren zum Erhalt eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff-Verhältnisses in der Atmosphäre
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff-Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität. Ferner betrifft die Erfindung ein System mit einer solchen Anlage.
Seit Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1800 ist die atmosphärische CO2- Konzentration von zuvor stabilen 280 ppmv (parts per million by volume) auf 390 ppmv zu Beginn des 21. Jahrhunderts gestiegen. Es wird vorhergesagt, dass sich dieser Anstieg fortsetzen bzw. noch verstärken wird, wenn keine Techniken zur Eindämmung der Kohlenstoffemissionen eingesetzt werden.
Das ratifizierte Pariser Abkommen nennt als Hauptziel, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf unter 2°C über dem vorindustriellen Niveau zu halten, was eine Reduzierung der CCh-Emissionen bis 2050 auf Null erfordert. Vorschläge zur Begrenzung dieser Emissionen umfassen die Verwendung von Biobrennstoffen, Sonnenenergie und Windturbinen.
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf hat sich über lange Zeit derart eingestellt, dass CO2 in einer bestimmten Menge in der Atmosphäre vorhanden ist. Dabei spielen Pflanzen eine tragende Rolle, die durch Photosynthese den Kohlenstoff aus dem CO2 absorbieren und den Sauerstoffanteil an die Atmosphäre wieder abgeben. Das CO2 wird dadurch aus der Luft entfernt (über 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden auf diese Weise jährlich von den Pflanzen aufgenommen). Es ist allgemein bekannt, dass wachsender Wald besonders im Alter zwischen 10 und 40 Jahren sehr gut dafür geeignet ist, den Kohlenstoff aus dem in der Luft befindlichem CO2 zu binden und den Sauerstoff an die Atmosphäre abzugeben. Üblicherweise gibt ein solcher Wald auf einer Fläche von einem Hektar zirka 15 bis 30 Tonnen Sauerstoff pro Jahr an die Atmosphäre ab. Die Abgabemenge von Sauerstoff hängt hierbei von der Art des Waldes ab (Laubwald, Nadelwald oder Mischwald). Der natürliche Wald hat den Nachteil, dass die effektive CCh-Bindung beziehungsweise Sauerstoffproduktion auf den vorgenannten Alterszeitraum eingeschränkt ist. Eine weitere Einschränkung stellt die Abhängigkeit des Photosynthesevorgangs von Sonnenlicht dar. Während der Wald bei Tageslicht CO2 binden und somit Sauerstoff produzieren kann, ist dies bei Nacht nicht möglich. Des Weiteren müssen nach dem Verrotten oder Fällen von Bäumen wieder neue Bäume gepflanzt werden, um den natürlichen CCh-Kreislauf aufrecht zu erhalten. Dies zieht einen hohen Aufwand mit sich.
Da der Waldbestand in den vergangenen Jahrzehnten drastisch gesunken ist und fortwährend weiter zurückgeht, ist es unerlässlich, neue Technologien zu entwickeln, die in kurzer Zeit umgesetzt werden können und in der Lage sind, den noch bestehenden natürlichen Wald in seiner Funktion zu unterstützen sowie die globale Erwärmung zumindest zu verlangsamen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Anlage anzugeben, die durch einen kontinuierlichen Prozess den natürlichen Wald in seiner Funktion unterstützt und dadurch die globale Erwärmung zumindest verlangsamt. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren und ein System mit einer solchen Anlage anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Anlage durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens und des Systems wird die vorstehend genannte Aufgabe jeweils durch den Gegenstand des Anspruchs 11 (Verfahren) und des Anspruchs 12 (System) gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch eine Anlage, insbesondere ein Kraftwerk, zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff- Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität, gelöst, wobei die Anlage Folgendes umfasst:
- wenigstens eine Elektrolyseeinheit zur Sauerstoffherstellung, die mit wenigstens einer Wasserzuführleitung zur Aufnahme einer Wassermenge verbunden ist und dazu angepasst ist, eine aufgenommene Wassermenge durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge und eine Wasserstoffteilmenge zu zerlegen; - wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Wasserstoffteilmenge zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen;
- wenigstens eine Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit zur Reinigung von Umgebungsluft einer die Anlage umgebenden Außenatmosphäre, die wenigstens einen Lufteinlass zur Zufuhr der Umgebungsluft und wenigstens eine nachgeordnete Absorbereinrichtung aufweist, die dazu angepasst ist, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft zu extrahieren; und
- wenigstens eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Kohlenstoffdioxidmenge zur Speicherung und/oder Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Die Elektrolyseeinheit weist wenigstens einen Sauerstoffauslass zur Abgabe der Sauerstoffteilmenge und die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit wenigstens einen Luftauslass zur Abgabe von gereinigter Umgebungsluft auf, wobei der Sauerstoffauslass und der Luftauslass in die Außenatmosphäre münden.
Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Um Sauerstoff zur Abgabe in die Außenatmosphäre herzustellen, ist für die Anlage lediglich Wasser als Basisstoff erforderlich, der durch einen Elektrolyseprozess in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Dieser Prozess wird als Wasserelektrolyse bezeichnet. Die Elektrolyseeinheit ist zur Aufnahme einer Wassermenge für den Elektrolyseprozess mit der Wasserzuführleitung verbunden. Die Wassermenge kann eine Süßwassermenge oder eine entsalzte Meerwassermenge sein. Des Weiteren kann wenigstens eine Aufbereitungseinheit vorgesehen sein, die die Wassermenge vor dem Elektrolyseprozess aufbereitet, insbesondere reinigt.
Ist die aufgenommene Wassermenge durch die Elektrolyseeinheit in eine Sauerstoffteilmenge und eine Wasserstoffteilmenge aufgeteilt, wird die abgetrennte Sauerstoffteilmenge durch den Sauerstoffauslass der Elektrolyseeinheit in die Außenatmosphäre abgeführt. Dadurch wird die Luft der Außenatmosphäre mit frischem Sauerstoff vermischt und der natürliche Wald bei der Sauerstoffproduktion unterstützt.
Der Sauerstoffauslass kann durch wenigstens eine Leitung, insbesondere eine Rohrleitung, gebildet sein, die sich von der Elektrolyseeinheit zur Außenatmosphäre hin erstreckt. Alternativ kann der Sauerstoffauslass durch einen Kamin gebildet sein, durch den die abgetrennte Sauerstoffteilmenge in die Atmosphäre abführbar ist. Zum Abführen der Sauerstoffteilmenge kann wenigstens ein Ventilator, insbesondere ein Gebläse, zwischen der Elektrolyseeinheit und dem Sauerstoffauslass angeordnet sein.
Die abgetrennte Wasserstoffteilmenge wird mittels der Wasserstofftransporteinrichtung zur Speicherung bereitgestellt. Die Wasserstofftransporteinrichtung kann eine Rohrleitung sein, die mit der Elektrolyseeinheit verbunden ist. Die Anlage kann einen Wasserstoffspeicher aufweisen, der die Wasserstoffteilmenge durch die Wasserstofftransporteinrichtung aufnimmt. Die Wasserstofftransporteinrichtung verbindet bevorzugt die Elektrolyseeinheit mit dem Wasserstoffspeicher. Der Wasserstoffspeicher kann ein Behälter, insbesondere ein Druckbehälter sein. Ferner ist die Wasserstofftransporteinrichtung dazu angepasst, die Wasserstoffteilmenge alternativ oder zusätzlich zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Es ist möglich, dass die Wasserstoffteilmenge zusammen mit der Kohlenstoffdioxidmenge aus dem Extraktionsprozess zu einem synthetischen Kraftstoff verarbeitet wird.
Die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit ist dazu angepasst, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus Umgebungsluft zu extrahieren. Die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit dient daher zur Reinigung der Umgebungsluft der Außenatmosphäre von Kohlenstoffdioxid. Dazu weist die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit die Absorbereinrichtung auf, die dazu angepasst ist, wenigstens eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft zu entnehmen. Die Absorbereinrichtung ist bevorzugt ein Amintauscher. Andere Absorbereinrichtungen zur Extraktion von Kohlenstoffdioxid aus Luft sind möglich.
Die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit hat den Vorteil, dass die CO2- Konzentration in der Atmosphäre reduziert und somit der ursprünglichen Konzentration vor der Industrialisierung wieder angenähert wird. Dies stellt eine Teilfunktion des natürlichen Waldes dar, sodass dieser weiter unterstützt wird. Vorteilhaft wird dadurch die globale Erwärmung verlangsamt. Durch die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung wird die extrahierte Kohlenstoffdioxidmenge zur Speicherung bereitgestellt. Die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung kann eine Rohrleitung sein, die mit der Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit verbunden ist. Die Anlage kann einen Kohlenstoffdioxidspeicher aufweisen, der die Kohlenstoffdioxidmenge durch die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung aufnimmt. Die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung kann die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit mit dem Kohlenstoffdioxidspeicher verbinden. Der Kohlenstoffdioxidspeicher kann ein Behälter, insbesondere ein Druckbehälter sein.
Es ist möglich, die Kohlenstoffdioxidmenge durch dauerhafte Lagerung aus dem COz-Kreislauf zu entfernen. Beispielsweise ist die extrahierte Kohlenstoffdioxidmenge in wenigstens einer Lagerstätte in tiefere Erdschichten lagerbar. Zusätzlich oder alternativ ist die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung weiter dazu angepasst, die Kohlenstoffdioxidmenge alternativ oder zusätzlich zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Anlage bildet ein Mittel, mit dem die Zusammensetzung der atmosphärischen Luft im Gleichgewicht gehalten werden kann. Mit anderen Worten wird durch die Anlage eine unerwünschte Verringerung des Sauerstoffanteils sowie eine unerwünschte Erhöhung des CCh-Anteils in der Luft verhindert. Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird somit eine Mengenregulierung der Bestandteile in der atmosphärischen Luft ermöglicht, sodass ein dauerhaft bestehendes Mengengleichgewicht der Luftbestandteile in der Erdatmosphäre erhalten beziehungsweise ein bestehendes Ungleichgewicht der Mengen der Luftbestandteile ausgeglichen werden kann.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass die Anlage unabhängig von einer Tages- und Nachtzeit kontinuierlich betreibbar ist. Im Unterschied zu natürlichem Wald, der für die Photosynthese Sonnenlicht benötigt, ist durch die erfindungsgemäße Anlage Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre fortwährend entnehmbar sowie Sauerstoff der Atmosphäre kontinuierlich zuführbar. Des Weiteren ist die Sauerstoffabgabe- sowie Kohlenstoffdioxidentnahmeleistung der Anlage im Wesentlichen unabhängig von einer Lebensdauer der Anlage. Durch den Betrieb der Anlage ist in einem kontinuierlichen Prozess Sauerstoff herstellbar und Kohlenstoffdioxid absorbierbar. Dadurch wird der natürliche Wald zuverlässig unterstützt.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Anlage als Großkraftwerk in Küstengegenden, insbesondere mit See- oder Meerzugang, betreibbar, da Wasser zur Sauerstoffherstellung in sehr großen Mengen zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist die Anlage für den Betrieb in sehr trockenen Gebieten, insbesondere Wüsten, ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass derartige Gebiete, in denen keine oder nur mehr geringe Vegetation vorherrscht, durch sinnvolle Nutzung aufgewertet werden. Die erfindungsgemäße Anlage bildet im Wesentlichen einen künstlichen Wald, der eine Funktion des natürlichen Waldes übernimmt und/oder den natürlichen Wald in seiner Funktion unterstützt. Ferner kann die Anlage in Kombination mit einer Photovoltaikanlage vollständig energieautark, d.h. ohne die Nutzung von fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Es ist möglich, dass die erfindungsgemäße Anlage als Kleinkraftwerk, beispielsweise in Gebäuden und/oder in Freibereichen in Städten, zur Verbesserung der Luftqualität zum Einsatz kommt.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff- Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität, durch eine Anlage, insbesondere eine erfindungsgemäße Anlage, wobei bei dem Verfahren
- von wenigstens einer Elektrolyseeinheit zur Sauerstoffherstellung durch wenigstens eine Wasserzuführleitung eine Wassermenge aufgenommen wird und die aufgenommene Wassermenge durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird;
- die Wasserstoffteilmenge durch wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird;
- Umgebungsluft einer die Anlage umgebenden Außenatmosphäre durch wenigstens eine Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit gereinigt wird, wobei die Umgebungsluft durch wenigstens einen Lufteinlass einer nachgeordneten Absorbereinrichtung zugeführt wird und anschließend durch die Absorbereinrichtung eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der zugeführten Umgebungsluft extrahiert wird; und
- die Kohlenstoffdioxidmenge durch wenigstens eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Sauerstoffteilmenge nach dem Zerlegen und die gereinigte Umgebungsluft an die Außenatmosphäre abgegeben. Dadurch wird eine Mengenregulierung der Bestandteile der atmosphärischen Luft und somit der Erhalt eines dauerhaft gleichbleibenden Mengengleichgewichts der Luftbestandteile in der Erdatmosphäre beziehungsweise der Ausgleich eines bestehenden Ungleichgewichts der Mengen der Luftbestandteile ermöglicht. Hinsichtlich der weiteren Vorteile wird auf die im Zusammenhang mit der Anlage vorstehend erläuterten Vorteile verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrolyseeinheit eine Abgabeleistung einer Sauerstoffteilmenge pro Jahr von mindestens 700000 Tonnen auf. Bevorzugt ist die Elektrolyseeinheit dazu angepasst, aus einer Wassermenge von mindestens 500000 Tonnen, insbesondere von mindestens 700000 Tonnen, insbesondere von 750000 Tonnen, mindestens 700000 Tonnen Sauerstoff pro Jahr herzustellen. Im Vergleich zu natürlichem Wald, der eine jährliche Sauerstoff-Abgabeleistung von 15 bis 30 Tonnen pro Hektar aufweist, produziert die Anlage bei dieser Ausführungsform und mit einer beispielhaft angenommenen Fläche von zirka 12 Quadratkilometer um das 5-fache bis 40- fache mehr Sauerstoff pro Jahr.
Alternativ oder zusätzlich weist die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit vorzugsweise eine Extraktionsleistung einer Kohlenstoffdioxidmenge pro Jahr von mindestens 400000 Tonnen, insbesondere 600000 Tonnen auf. Bevorzugt ist die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit dazu angepasst, aus einer Luftmenge von 1450 bis 1600 Megatonnen, insbesondere von 1570 Megatonnen, mindestens 400000 Tonnen, insbesondere 600000 Tonnen, Kohlenstoffdioxid pro Jahr abzutrennen. Dadurch wird die CCh-Konzentration durch einen kontinuierlichen Prozess in der Luft in erheblichen Mengen reduziert. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrolyseeinheit dazu angepasst, aus einer Wassermenge von mindestens 1,5 kg, insbesondere von mindestens 1,7 kg, eine Sauerstoffteilmenge von mindestens 1,2 kg, insbesondere von mindestens 1,5 kg, und/oder eine Wasserstoffteilmenge von mindestens 0,1 kg, insbesondere von mindestens 0,15 kg abzutrennen. Bevorzugt ist die Elektrolyseeinheit dazu angepasst, aus einer Wassermenge von 1,7 kg, eine Sauerstoffteilmenge von mindestens 1,5 kg und eine Wasserstoffteilmenge von mindestens 0,19 kg abzutrennen. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Elektrolyseeinheit höchst effizient ausgelegt ist und sehr große Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff produziert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit dazu angepasst, aus einer Umgebungsluftmenge von mindestens 3300 kg eine Kohlenstoffdioxidmenge von mindestens 1,1 kg bis 2kg, insbesondere mindestens 1,4 kg zu extrahieren. Dadurch wird die erhebliche Reduzierung der CCh-Konzentration in der Luft ermöglicht.
Bevorzugt weisen die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit jeweils wenigstens einen Montagebereich auf, der mit einem Fundament, insbesondere eines Gebäudes und/oder Bauwerks, verbindbar oder verbunden ist. Durch die Montagebereiche sind die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit bevorzugt mit dem Fundament fest verbunden. Alternativ kann die jeweilige Einheit mit jeweils einem separaten Fundament verbunden sein.
Bei der Ausgestaltung der Anlage als Großkraftwerk sind die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit in großem Maßstab ausgebildet. Die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit können jeweils in einem separaten Betriebsgebäude angeordnet sein. Die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit können in separaten Betriebsgebäuden angeordnet sein, die unmittelbar oder mittelbar aneinander angrenzen. Alternativ können die Elektrolyseeinheit und/oder die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit jeweils in einem Betriebsgebäude gemeinsam angeordnet sein. Eine Kombination aus separater Anordnung und gemeinsamer Anordnung der jeweiligen Elektrolyseeinheit und/oder Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit ist möglich. Die Anlage kann eine eigene Infrastruktur aufweisen. Beispielsweise kann die Anlage wenigstens eine Zufahrtsstraße umfassen. Des Weiteren kann die Anlage aus mehreren Bauwerken bestehen. Dies können beispielsweise industrielle Betriebsgebäude sein. Zusätzlich ist es möglich, dass die Anlage einen Hafen für Schiffe umfasst. Ferner können Stromtrassen vorgesehen sein, um die Anlage mit Strom beispielsweise aus einer Photovoltaikeinheit zu versorgen.
Bei der Ausgestaltung als Kleinkraftwerk kann die Anlage in wenigstens einem Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann die Anlage einhüllen. Das Gehäuse kann aus Kunststoff und/oder Metall ausgebildet sein. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Anlage in kommunalen Gebäuden als Teil einer Lüftungsanlage oder in Städten zur Verbesserung der Luftqualität zum Einsatz kommen kann.
Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit wenigstens einen Kamin und wenigstens einen quer zum Kamin verlaufenden Strömungskanal, der an einem in Einbaulage unten angeordneten Bereich mit dem Kamin verbunden ist. Der Kamin weist bevorzugt den Luftauslass und der Strömungskanal den Lufteinlass auf. Weiter bevorzugt ist die Absorbereinrichtung in Strömungsrichtung zwischen dem Strömungskanal und dem Kamin angeordnet. Der Strömungskanal ist bevorzugt länglich und bildet einen Bereich zum Zuführen von Umgebungsluft zu der Absorbereinrichtung. Der Kamin ist der Absorbereinrichtung nachgeschaltet und führt die gereinigte Umgebungsluft von der Absorbereinrichtung in die Außenatmosphäre ab.
Der Kamin kann zum Strömungskanal im Wesentlichen senkrecht angeordnet sein. Der Luftauslass und der Lufteinlass weisen vorzugsweise einen Höhenversatz zueinander auf. Mit anderen Worten sind der Lufteinlass und der Luftauslass vorzugsweise vertikal versetzt. Die Absorbereinrichtung ist bevorzugt mit Umgebungsluft durchströmbar. Hier ist vorteilhaft, dass durch die Ausgestaltung der Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit mit dem Kamin und dem Strömungskanal eine natürliche Ventilation realisiert wird, sodass kein elektrisch betriebener Ventilator zur Luftbeschleunigung erforderlich ist.
Dennoch ist es möglich, dass bei einer weiteren Ausführungsform ein Ventilator, insbesondere ein Gebläse, vorgesehen ist, der zu reinigende Umgebungsluft der Absorbereinrichtung zuführt. Dies kann beispielsweise beim Anfahren der Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit erforderlich sein, um den natürlichen Kaminzug in der Anfangsphase des Betriebs zu erzeugen.
Der wenigstens eine Kamin kann einen Durchmesser zwischen 20 Meter und 30 Meter und eine Höhe zwischen 50 Meter und 200 Meter aufweisen. Der Durchmesser des Kamins bezieht sich auf die Größe des Luftauslasses. Es ist möglich, dass der Kamin im Anschlussbereich des Strömungskanals einen größeren Durchmesser aufweist, als im Bereich des Luftauslasses. Bevorzugt weist der Kamin einen Durchmesser von 25 Meter und eine Höhe von 100 Meter auf. Durch derartige Abmessungen des Kamins wird eine optimierte natürliche Ventilation ermöglicht.
Beispielsweise wird bei einem Durchmesser von 25 Meter und einer Höhe von 100 Meter des Kamins sowie bei einer ersten Temperatur der Umgebungsluft außerhalb der Absorptionseinheit von 40°C und einer zweiten Temperatur der Umgebungsluft innerhalb der Absorptionseinheit, insbesondere im Strömungskanal und/oder im Kamin, eine Luftventilation bzw. eine Luftdurchströmmenge, insbesondere eine gereinigte Umgebungsluftmenge, mit einer Anzahl von vierzig Kaminen von mindestens 1800 Megatonnen pro Jahr erreicht.
Der Strömungskanal weist vorzugsweise zur Sonnenstrahlabsorption eine in Einbaulage oben angeordnete Fläche, insbesondere zumindest abschnittsweise dunkelfarbige Fläche, auf, um die in den Strömungskanal befindliche Umgebungsluft durch Strahlungswärme zu erwärmen. Der Strömungskanal ist bevorzugt direkt unterhalb der oben angeordneten Fläche angeordnet. Die in Einbaulage oben angeordnete Fläche kann im Wesentlichen schwarz sein. Die oben angeordnete Fläche kann Teil wenigstens eines Blechs sein. Es ist alternativ möglich, dass die oben angeordnete Fläche Teil wenigstens einer Platte ist. Hierbei wird die natürliche Ventilation zur Luftbewegung zwischen dem Strömungskanal und dem Kamin weiter verbessert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die oben angeordnete Fläche zumindest abschnittsweise dunkelfarbig und zumindest abschnittsweise hellfarbig ausgestaltet. Dadurch wird eine Absorption sowie Reflektion von Sonnenstrahlen ermöglicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die oben angeordnete Fläche Teil eines flächigen Anlagenbereichs, an dessen Längsseite mehrere Kamine, insbesondere vierzig Kamine, in Reihe angeordnet sind, wobei unterhalb der oben angeordneten Fläche zu jeweils einem der Kamin hin ein Strömungskanal verläuft. Die Strömungskanäle können jeweils durch eine Trennwand voneinander getrennt sein. Die Strömungskanäle verlaufen vorzugsweise parallel und sind Teil des flächigen Anlagenbereichs. Dadurch weist die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit einen platzsparenden und vereinheitlichten Aufbau auf.
Der flächige Anlagenbereich kann in der Draufsicht rechteckig ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der flächige Anlagenbereich in der Draufsicht kreisförmig ausgebildet ist. Der flächige Anlagenbereich grenzt bevorzugt unmittelbar an die weiteren Einheiten der Anlage an, um die Leitungen kurz zu halten.
Bei einer Ausführungsform weist der flächige Anlagenbereich wenigstens eine Photovoltaikeinheit auf, die auf der oben angeordneten Fläche angeordnet ist. Die Photovoltaikeinheit kann mit der Elektrolyseeinheit zur Stromversorgung verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Photovoltaikeinheit zur Stromversorgung mit der Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit verbunden sein. Die Photovoltaikeinheit kann auf der oben angeordneten Fläche als Photovoltaikfeld ausgebildet sein. Durch die Photovoltaikeinheit ist die Anlage energieautark betreibbar. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Anlage ausschließlich mit Strom aus Sonnenenergie betrieben und somit auf fossile Brennstoffe zur Energieerzeugung zur Gänze verzichtet wird.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Mengenregulierung von Luftbestandteilen der Erdatmosphäre mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Anlage und wenigstens einer Stromerzeugungseinheit zur autarken Stromversorgung der Anlage, wobei die Stromerzeugungseinheit mit der Anlage elektrisch verbunden ist und zur Stromerzeugung eine oder mehrere, insbesondere ausschließlich, regenerative Energiequellen nutzt. Hierbei wird auf die im Zusammenhang mit der Anlage erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus kann das System alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf die Anlage genannter Merkmale aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Systems weist die Stromerzeugungseinheit wenigstens einen Pufferspeicher zum Speichern von Energie auf. Der Pufferspeicher kann dazu angepasst sein, elektrischen Strom zu speichern. Alternativ kann der Pufferspeicher dazu angepasst sein, Wasserstoff zu speichern. Durch den Pufferspeicher wird die Energieversorgung der Anlage auch in der Nacht ermöglicht, sodass die Anlage ohne Betriebsunterbrechung betrieben werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems ist die Stromerzeugungseinheit wenigstens eine Photovoltaikeinheit zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromerzeugungseinheit wenigstens eine Windkrafteinheit zur Umwandlung von Windenergie in Strom sein. Die Windkrafteinheit kann ein oder mehrere Windräder aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromerzeugungseinheit wenigstens eine Wasserkrafteinheit zur Umwandlung von Wasserenergie in Strom umfassen. Die Wasserkrafteinheit kann wenigstens ein Wasserkraftwerk, insbesondere Flusskraftwerk oder Pumpspeicherkraftwerk sein. Die Wasserkrafteinheit kann zusätzlich oder alternativ ein Wellenkraftwerk umfassen. Ferner kann die Stromerzeugungseinheit zusätzlich oder alternativ wenigstens eine thermische Einheit zur Umwandlung von Wärmeenergie in Strom sein. Die thermische Einheit kann dazu angepasst sein, Wärme aus wenigstens einer unter der Erdoberfläche liegenden Erdschicht in Strom umzuwandeln. Andere thermische Einheit sind möglich.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die dargestellten Ausführungsformen stellen Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Anlage beziehungsweise das erfindungsgemäße System ausgestaltet sein können.
In diesen zeigen,
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Systems zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff- Verhältnisses in atmosphärischer Luft nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Systems zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff- Verhältnisses in atmosphärischer Luft nach einem weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen flächigen Anlagenbereich des Systems gemäß Fig. 2; und
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch den flächigen Anlagenbereich des Systems gemäß Fig. 3.
Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Systems 30 zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlendioxid-Sauerstoff-Verhältnisses in atmosphärischer Luft nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das System 30 umfasst eine Anlage 10 mit einer Elektrolyseeinheit 11 zur Sauerstoffherstellung und eine Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit 12 zur Reinigung von Umgebungsluft UL einer die Anlage 10 umgebenden Außenatmosphäre. Ferner umfasst das System 30 eine Stromerzeugungseinheit 31 zur autarken Stromversorgung der Anlage 10, auf die später näher eingegangen wird.
Die Elektrolyseeinheit 11 ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge M HZO durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zu zerlegen. Die Elektrolyseeinheit 11 bildet somit eine Einheit zur Wasserelektrolyse. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit einer Wasserzuführleitung 13 zur Aufnahme der Wassermenge M H2O verbunden. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, ist zwischen der Elektrolyseeinheit 11 und der Wasserzuführleitung 13 eine Pumpeneinheit 25 angeordnet. Die Pumpeneinheit 25 weist wenigstens eine Pumpe zur Beförderung von Wasser aus einem Wasserreservoir 26 auf. Das Wasserreservoir 26 kann ein Meer mit Meerwasser sein. Alternativ kann das Wasserreservoir 26 ein See mit Süßwasser sein. Es ist auch möglich, dass die Wasserzuführleitung 13 mit einem Fluss verbunden ist, um Süßwasser für die Wasserelektrolyse zu entnehmen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage 10 ist die Wasserzuführleitung 13 mit einem Meer zur Entnahme von Meerwasser verbunden. Die Anlage 10 ist in Küstennahe angeordnet, um die zu überwindende Distanz zur Wasserzufuhr, insbesondere die Wasserzuführleitung 13 kurzzuhalten.
Die Pumpeneinheit 25 ist dazu ausgebildet, Meerwasser aus dem Meer zu fördern und weiteren Anlagenteilen bzw. Einheiten zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Um das Meerwasser für den Elektrolysevorgang durch die Elektrolyseeinheit 11 aufzubereiten, weist die Anlage 10 eine Meerwasserentsalzungseinheit 27 auf. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit der Pumpeneinheit 25 durch wenigstens eine Rohrleitung verbunden. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist dazu angepasst, aus der geförderten Meerwassermenge M HZO einen bestimmten Salzanteil herauszutrennen, so dass das Meerwasser nach dem Entsalzungsvorgang durch die Meerwasserentsalzungseinheit 27 einen verringerten Salzgehalt aufweist. Die entsalzte Meerwassermenge M H2O entspricht der Wassermenge M H2O, die durch die Elektrolyseeinheit 11 in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit der Meerwasserentsalzungseinheit 27 durch mindestens eine Rohrleitung verbunden. Um das entsalzte Meerwasser von der Meerwasserentsalzungseinheit 27 zu der Elektrolyseeinheit 11 zu fördern, kann wenigstens eine weitere Pumpe zwischengeschaltet sein.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Elektrolyseeinheit 11 dazu ausgelegt, die aufgenommene Wassermenge M H2O in eine Wasserstoffteilmenge und eine Sauerstoffteilmenge M02 zu zerlegen. Konkret weist die Elektrolyseeinheit 11 eine Abgabeleistung der Sauerstoffteilmenge M02 pro Jahr von mindestens 700000 Tonnen auf. Um diese Abgabeleistung zu erreichen, ist die Elektrolyseeinheit 11 dazu angepasst, aus einer aufgenommenen Wassermenge M H2O von mindestens 1,5 kg eine Sauerstoffteilmenge M02 von mindestens 1,2 kg abzutrennen. Bevorzugt ist die Elektrolyseeinheit 11 dazu angepasst, aus einer Wassermenge MH2O von mindestens 1,7 kg eine Sauerstoffteilmenge M02 von mindestens 1,5 kg abzutrennen. Zur Abgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M02 weist die Elektrolyseeinheit 11 einen Sauerstoffauslass 16 auf, der in die Außenatmosphäre mündet. Es ist möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 einen oder mehrere Sauerstoffauslässe 16 zur Abgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M02 aufweist. Um eine jährliche Abgabeleistung der Elektrolyseeinheit 11 von 700000 Tonnen Sauerstoff zu erreichen, sind mindestens 500000 Tonnen entsalztes Meerwasser notwendig. Um die Wassermenge für den Elektrolyseprozess zu erhöhen, sind zusätzlich andere Wasserversorgungsquellen möglich.
Die Anlage 10 weist des Weiteren wenigstens eine nicht dargestellte Wasserstofftransporteinrichtung auf, die dazu angepasst ist, die aus der Wassermenge M HZO abgetrennte Wasserstoffteilmenge zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Es ist möglich, dass die Anlage 10 dazu einen Wasserstoffspeicher aufweist, der mit der Wasserstofftransporteinrichtung verbunden ist. Die Wasserstofftransporteinrichtung führt nach dem Elektrolysevorgang die abgetrennte Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit 11 dem Wasserstoffspeicher zu. Alternativ ist es möglich, dass die Wasserstofftransporteinrichtung die Wasserstoffteilmenge einem weiteren nicht dargestellten Anlagenteil zuführt, um weiterverarbeitet zu werden.
Gemäß Fig. 1 weist die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 einen Lufteinlass
14 zur Zufuhr der Umgebungsluft UL und eine nachgeordnete Absorbereinrichtung
15 auf. Es ist möglich, dass die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 einen oder mehrere Lufteinlässe 14 aufweist. Die Absorbereinrichtung 15 ist mit dem Lufteinlass 14 verbunden. Die Absorbereinrichtung 15 ist dazu angepasst, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 weist des Weiteren einen Luftauslass 17 auf, der in Vertikalrichtung nach oben ausgerichtet ist. Der Luftauslass 17 dient zur Abgabe der von Kohlenstoffdioxid gereinigten Umgebungsluft UL'. Der Luftauslass 17 ist Teil eines Kamins 19.
Konkret ist die Absorbereinrichtung 15 zwischen dem Lufteinlass 14 und dem Luftauslass 17 angeordnet. Im Betrieb strömt die Umgebungsluft UL durch den Lufteinlass 14 zu der Absorbereinrichtung 15, die eine bestimmte Kohlenstoffdioxidmenge aus der Luft UL abtrennt, insbesondere filtert, wobei die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Absorbereinrichtung 15 durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre strömt. Generell ist es möglich, dass mehrere Lufteinlässe 14, mehrere Absorbereinrichtungen 15 und mehrere Luftauslässe 17 vorgesehen sind. Konkret ist in Fig. 1 ein einzelner Kamin 19 mit einer Höhe H von 200 Meter dargestellt, der exemplarisch den äußeren Aufbau der Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit 12 zeigt. Der Luftauslass 17 mündet, wie in Fig. 1 dargestellt, ebenfalls wie der Sauerstoffauslass 16, in die Außenatmosphäre.
Die Anlage 10 umfasst des Weiteren eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die aus der Umgebungsluft UL abgetrennte Kohlenstoffdioxidmenge einem Kohlenstoffdioxidspeicher und/oder einem weiteren Anlagenteil der Anlage 10 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Es ist möglich, dass die extrahierte Kohlenstoffdioxidmenge mit der abgetrennten Wasserstoffteilmenge zu einem gemeinsamen Endprodukt verarbeitet wird.
Die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 weist eine Extraktionsleistung einer Kohlenstoffdioxidmenge pro Jahr von mindestens 400000 Tonnen, insbesondere 600000 Tonnen auf. Mit anderen Worten ist die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit 12 dazu ausgelegt, eine Umgebungsluftmenge pro Jahr von mindestens 1500 Megatonnen zu reinigen. Konkret ist die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit 12 dazu angepasst, aus einer Umgebungsluftmenge von mindestens 3300 kg eine Kohlenstoffdioxidmenge von mindestens 1,4 kg zu extrahieren.
Ferner weist die Anlage 10 gemäß Fig. 1 eine nicht dargestellte Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung auf, die dazu angepasst ist die abgetrennte Kohlenstoffdioxidmenge zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Dazu kann die Anlage 10 einen Kohlenstoffdioxidspeicher aufweisen.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Anlage 10 einen flächigen Anlagenbereich 23 auf. Der flächige Anlagenbereich 23 schließt an die Elektrolyseeinheit 11 direkt an. Auf dem flächigen Anlagenbereich 23 ist eine Stromerzeugungseinheit 31 angeordnet, die eine Photovoltaikeinheit 24 ist. Die Photovoltaikeinheit 24 ist mit den jeweiligen Einheiten der Anlage 10 zur Stromversorgung verbunden. Die Photovoltaikeinheit 24 ist derart angepasst, dass die gesamte Anlage 10 beziehungsweise das gesamte System 30 energieautark betreibbar ist. Darunter ist zu verstehen, dass der elektrische Strom zum Betrieb der gesamten Anlage 10 ausschließlich durch Sonnenenergie mittels der Photovoltaikeinheit 24 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten werden für den Betrieb der Anlage 10 keine fossilen Energiequellen verwendet.
Der flächige Anlagenbereich 23 weist eine Längserstreckung 32 von zirka 5000 Meter und eine Quererstreckung 33 von zirka 2000 Meter auf. Mit anderen Worten ist der flächige Anlagenbereich der Anlage 10 auf einer Fläche von 10 Quadratkilometer ausgebildet. Der in Fig. 1 gezeigte Anlagenbereich beinhaltend die Elektrolyseeinheit 11 kann eine Teillängserstreckung 29 von zirka zwei Kilometer aufweisen. Andere Teillängs-, Längs- und Quererstreckungen 29, 32, 33 sind möglich.
Geht man von einer Gesamtfläche des Systems 30 beziehungsweise der Anlage 10 von zirka zwölf Quadratkilometer aus, produziert die Anlage 10 mindestens 580 Tonnen Sauerstoff pro Hektar (0,01 Quadratkilometer) pro Jahr. Im Vergleich zu einem herkömmlichen natürlichen Wald, der eine jährliche Sauerstoff menge von 15 bis 30 Tonnen pro Hektar abgibt, weist die Anlage 10 eine um 5-mal bis 40- mal höhere Sauerstoffabgabe in die Atmosphäre auf. Die Anlage 10 kann daher als künstlicher Wald bezeichnet werden, der eine höhere Sauerstoffabgabeleistung als natürlicher Wald aufweist.
Die vorstehend beschriebene Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit einer Wasserrückführleitung 28 verbunden, durch die eine rückzuführende Meerwassermenge M'HZO mit erhöhtem Salzgehalt in das Meer zurückgeführt wird. Konkret wird aus der entnommenen Meerwassermenge ein bestimmter Salzgehalt extrahiert und anschließend mit einem Teil der entnommenen Meerwassermenge als rückzuführende Wassermenge M 'HZO wieder in das Meer zurückgeführt. Dadurch ist ein Wasserkreislauf bereitgestellt, der für die Natur unschädlich ist.
Der bevorzugte Aufstellungsort des Systems 30 beziehungsweise der Anlage 10 ist in Küstennähe eines Meeres. Besonders bevorzugt ist die Anlage 10 in einer Wüste aufgebaut. Die Anlage 10 gemäß Fig. 1 ist ein Großkraftwerk. Die Anlage 10 weist wenigstens einen Montagebereich 18 auf, der mit einem Fundament eines Gebäudes und/oder eines Bauwerks verbunden ist. Generell ist es möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 und/oder die Kohlendioxid-Absorptionseinheit 12 in einem gemeinsamen Gebäude oder in separaten Gebäuden angeordnet sind. Die Stromversorgungseinheit 31 weist bevorzugt einen nicht dargestellten Stromspeicher auf, der zur Stromversorgung der Anlage 10 im Nachtbetrieb angepasst ist.
Fig. 2 zeigt im Unterschied zum System 30 gemäß Fig. 1 eine Anlage 10, bei der die einzelne Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 durch mehrere Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheiten 12 ersetzt ist. Die jeweilige Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 gemäß Fig. 2 weist einen Kamin 19 und einen quer zum Kamin 19 verlaufenden Strömungskanal 21 auf. Dies ist beispielsweise in Fig. 4 gut erkennbar. Der Strömungskanal 21 ist mit dem Kamin 19 an einem in Einbaulage unten angeordneten Bereich des Kamins mit diesem verbunden. Zwischen dem Strömungskanal 21 und dem Kamin 19 ist eine Absorbereinrichtung 15 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Absorbereinrichtung 15 ist durch einen Amintauscher gebildet. Andere Typen von Absorbereinrichtungen sind möglich.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Kamine 19 entlang der Längserstreckung 32 des flächigen Anlagebereichs 23 angeordnet. Der flächige Anlagebereich 23 weist eine in Einbaulage oben angeordnete Fläche 22 auf. Die oben angeordnete Fläche 22 ist zumindest abschnittsweise dunkelfarbig ausgebildet, um Sonnenergie zu absorbieren. Die Strömungskanäle 21 sind in Einbaulage unterhalb der oben angeordneten Fläche 22 angeordnet. Zum Zuführen von Umgebungsluft UL in die Strömungskanäle 21 sind in der oben angeordneten Fläche 22 mehrere Lufteinlässe 14 ausgebildet. Die Lufteinlässe 14 bilden Durchgangsöffnungen durch die oben angeordnete Fläche 22. Diese sind in Fig. 4 der besseren Darstellung halber lediglich am ersten Strömungskanal 21 gezeigt. Ebenfalls ist die Anzahl der Lufteinlässe 14 variabel.
Im Betrieb strömt Umgebungsluft durch die Lufteinlässe 14 in den Strömungskanal 21 und anschließend durch die Absorbereinrichtung 15. Nach der Absorbereinrichtung 15 strömt die gereinigte Umgebungsluft UL' in den Kamin 19 und durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre. Durch die dunkelfarbige oben angeordnete Fläche 22 erhitzt sich im Betrieb die unterhalb der Oberfläche 22 im Strömungskanal 21 befindliche Umgebungsluft. Die Temperatur der Umgebungsluft UL im Strömungskanal 21 beträgt vorzugsweise ca. 60 °C. Bei einer Außentemperatur der Umgebungsluft UL von ca. 40 °C wird durch die Anordnung des Kamins mit dem Strömungskanal 21 sowie der dunkelfarbigen Oberfläche 22 eine natürliche Ventilation erzeugt. Mit anderen Worten ist für die Zuführung der Umgebungsluft UL in den Strömungskanal 21 sowie für die Durchströmung der Absorbereinrichtung 15 und die Ausströmung der gereinigten Umgebungsluft UL' aus dem Kamin 19 kein Ventilator beziehungsweise Gebläse notwendig.
Gemäß Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den flächigen Anlagenbereich 23 der Anlage 10 gemäß Fig. 2 gezeigt. Die entlang der Längserstreckung 32 dargestellte Nummerierung von 1 bis 40 stellt die Anzahl der an der Längserstreckung 32 angeordneten Kamine 19 dar. Die quer zur Längserstreckung 32 verlaufenden Linien zeigen schematische Abtrennungen zwischen den einzelnen Strömungskanälen 21. Die einzelnen Strömungskanäle 21 sind jeweils einem Kamin 19 zugeordnet. Dabei ist jeweils eine Absorbereinrichtung 15 zwischen dem Strömungskanal 21 und dem Kamin 19 angeordnet. Die Längserstreckung 32 des flächigen Anlagenbereichs 23 beträgt zirka 5000 Meter und die Quererstreckung 33 des flächigen Anlagenbereichs 23 zirka 2000 Meter. Insgesamt sind in dem flächigen Anlagenbereich 23 vierzig Kamine 19 mit insgesamt vierzig Strömungskanälen 21 vorgesehen. Diese haben eine gemeinsame Abgabeleistung von gereinigter Umgebungsluft UL' von mindestens 1800 Megatonnen pro Jahr.
Um dies zu erreichen, weisen die Kamine 19 einen Durchmesser D auf, der 25 Meter beträgt. Der Durchmesser D bezieht sich auf jenen Bereich des Kamine 19, in dem der Luftauslass 17 ausgebildet ist. Der Luftauslass 17 ist an einem freien Ende des Kamins 19 ausgebildet. Ferner weist der jeweilige Kamin 19 eine Höhe H von 100 Meter auf. Dadurch ist eine optimale Form für die Kaminwirkung zur natürlichen Ventilation ausgebildet. Andere Abmessungen der Kamine 19 sind möglich.
Des Weiteren können mehr oder weniger als vierzig Kamine 19 mit jeweils zugehörigem Strömungskanal 21 im flächigen Anlagenbereich 23 angeordnet sein. Der flächige Anlagebereich 23 ist, wie in Fig. 4 zu sehen ist, an der oben angeordneten Fläche 22 mit einer Photovoltaikeinheit 24 versehen. Mit anderen Worten ist auf der oben angeordneten Fläche 22 des flächigen Anlagenbereichs 23 eine Photovoltaikeinheit 24 angeordnet. Die Photovoltaikeinheit 24 weist bevorzugt eine Leistung von 1,5 Gigawatt pro Jahr auf. Bei dem System 30 gemäß Fig. 2 bilden somit die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 und die Photovoltaikeinheit 24 räumlich eine gemeinsame Einheit. Die Photovoltaikeinheit
24 bildet eine Stromversorgungseinheit 31 zum energieautarken Betrieben der gesamten Anlage 10.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorstehend beschriebenen Anlagen 10 sowie Systeme 30 gemäß den Fig. 1 und 2 bis auf die beschriebenen Unterschiede identisch sind.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität durch Erhalten und/oder Ausgleichen eines Kohlendioxid-Sauerstoff-Verhältnisses in atmosphärischer Luft durch die Anlage 10 gemäß Fig. 1 und/oder gemäß Fig. 2 näher beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird mittels der Elektrolyseeinheit 11 zur Sauerstoffherstellung durch die Wasserzuführleitung 13 eine Wassermenge MH2O aufgenommen. Anschließend wird die aufgenommene Wassermenge MH2O durch einen Elektrolysevorgang in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt. Die Wasserstoffteilmenge wird durch wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung zur Speicherung beziehungsweise zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird Umgebungsluft UL einer die Anlage 10 umgebenden Außenatmosphäre durch die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit 12 gereinigt. Die Umgebungsluft UL wird durch mehrere Lufteinlässe 14 in die Strömungskanäle 21 eingeleitet, insbesondere eingesaugt, und den nachgeordneten Absorbereinrichtungen 15 zugeführt. Anschließend extrahieren die Absorbereinrichtungen 15 eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der zugeführten Umgebungsluft UL. Die Kohlenstoffdioxidmenge wird durch die Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung zur Speicherung beziehungsweise zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Anschließend wird die gewonnene Sauerstoffteilmenge M02 nach dem Zerlegungsvorgang und die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Extraktion der Kohlenstoffdioxidmenge in die Außenatmosphäre abgegeben. Dadurch wird der Sauerstoffanteil in der Luft erhöht und der CCh-Anteil in der Luft verringert.
Bezuaszeichenliste
10 Anlage
11 Elektrolyseeinheit
12 Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit
13 Wasserzuführleitung
14 Lufteinlass
15 Absorbereinrichtung
16 Sauerstoffauslass
17 Luftauslass
18 Montagebereich
19 Kamin
21 Strömungskanal
22 oben angeordnete Fläche
23 flächiger Anlagenbereich
24 Photovoltaikeinheit
25 Pumpeneinheit
26 Wasserreservoir
27 Meerwasserentsalzungseinheit
28 Wasserrückführleitung
29 Teillängserstreckung
30 System
31 Stromerzeugungseinheit
32 Längserstreckung
33 Quererstreckung
UL Umgebungsluft
UL' gereinigte Umgebungsluft
D Durchmesser
H Höhe
MH2O entnommene Wassermenge
M'H2O rückgeführte Wassermenge
MO2 Sauerstoffteilmenge

Claims

22
ANSPRÜCHE Anlage (10), insbesondere Kraftwerk, zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff-Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität, umfassend:
- wenigstens eine Elektrolyseeinheit (11) zur Sauerstoffherstellung, die mit wenigstens einer Wasserzuführleitung (13) zur Aufnahme einer Wassermenge (MH2O) verbunden ist und dazu angepasst ist, eine aufgenommene Wassermenge (MHZO) durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge (M02) und eine Wasserstoffteilmenge zu zerlegen;
- wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Wasserstoffteilmenge zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen;
- wenigstens eine Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit (12) zur Reinigung von Umgebungsluft (UL) einer die Anlage (10) umgebenden Außenatmosphäre, die wenigstens einen Lufteinlass (14) zur Zufuhr der Umgebungsluft (UL) und wenigstens eine nachgeordnete Absorbereinrichtung (15) aufweist, die dazu angepasst ist, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft (UL) zu extrahieren; und
- wenigstens eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung, die dazu angepasst ist, die Kohlenstoffdioxidmenge zur Speicherung und/oder Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen, wobei die Elektrolyseeinheit (11) wenigstens einen Sauerstoffauslass (16) zur Abgabe der Sauerstoffteilmenge (M02) und die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit (12) wenigstens einen Luftauslass (17) zur Abgabe von gereinigter Umgebungsluft (UL') aufweist, wobei der Sauerstoffauslass (16) und der Luftauslass (17) in die Außenatmosphäre münden. Anlage (10) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Elektrolyseeinheit (11) eine Abgabeleistung einer Sauerstoffteilmenge (M02) pro Jahr von mindestens 700000 Tonnen aufweist und/oder die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit (12) eine Extraktionsleistung einer Kohlenstoffdioxidmenge pro Jahr von mindestens 400000 Tonnen, insbesondere 600000 Tonnen aufweist. Anlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzeich net, dass die Elektrolyseeinheit (11) dazu angepasst ist, aus einer Wassermenge (MHZO) von mindestens 1,5 kg, insbesondere von mindestens 1,7 kg, eine Sauerstoffteilmenge (M02) von mindestens 1,2 kg, insbesondere von mindestens 1,5 kg, und/oder eine Wasserstoffteilmenge von mindestens 0,1 kg, insbesondere von mindestens 0,15 kg abzutrennen. Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit (12) dazu angepasst ist, aus einer Umgebungsluftmenge von mindestens 3300 kg eine Kohlenstoffdioxidmenge von mindestens 1,1 kg, insbesondere 1,4 kg zu extrahieren. Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Elektrolyseeinheit (11) und/oder die Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit (12) jeweils wenigstens einen Montagebereich (18) aufweisen, der mit einem Fundament, insbesondere eines Gebäudes und/oder Bauwerks, verbindbar oder verbunden ist. Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Kohlenstoffdioxid-Absorptionseinheit (12) wenigstens einen Kamin (19) und wenigstens einen quer zum Kamin (19) verlaufenden Strömungskanal (21) umfasst, der an einem in Einbaulage unten angeordneten Bereich mit dem Kamin (19) verbunden ist, wobei der Kamin (19) den Luftauslass (17) und der Strömungskanal (21) den Lufteinlass (14) aufweist und die Absorbereinrichtung (15) in Strömungsrichtung dazwischen angeordnet ist. Anlage (10) nach Anspruch 6, dad u rch geken nzeich net, dass der wenigstens eine Kamin (19) einen Durchmesser (D) zwischen 20 Meter und 30 Meter, insbesondere von 25 Meter, und eine Höhe (H) zwischen 50 Meter und 200 Meter, insbesondere von 100 Meter aufweist. Anlage (10) nach Anspruch 6 oder 7, dad u rch geken nzeich net, dass der Strömungskanal (21) zur Sonnenstrahlabsorption eine in Einbaulage oben angeordnete Fläche (22), insbesondere zumindest abschnittsweise dunkelfarbige Fläche, aufweist, um die in den Strömungskanal (21) befindliche Umgebungsluft (UL) durch Strahlungswärme zu erwärmen. Anlage (10) nach Anspruch 8, dad u rch geken nzeich net, dass die oben angeordnete Fläche (22) Teil eines flächigen Anlagenbereichs (23) ist, an dessen Längsseite mehrere Kamine (19), insbesondere vierzig Kamine (19), in Reihe angeordnet sind, wobei unterhalb der oben angeordneten Fläche (22) zu jeweils einem der Kamin (19) hin ein Strömungskanal (21) verläuft. Anlage (10) nach Anspruch 9, dad u rch geken nzeich net, dass der flächige Anlagenbereich (23) wenigstens eine Photovoltaikeinheit (24) aufweist, die auf der oben angeordneten Fläche (22) angeordnet ist und mit der Elektrolyseeinheit (11) und/oder der Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit (12) zur autarken Stromversorgung verbunden ist. Verfahren zum Erhalten und/oder Ausgleichen eines vorbestimmten Kohlenstoffdioxid/Sauerstoff-Verhältnisses in atmosphärischer Luft, insbesondere zur Verbesserung atmosphärischer Luftqualität, durch eine Anlage (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem
- von wenigstens einer Elektrolyseeinheit (11) zur Sauerstoffherstellung durch wenigstens eine Wasserzuführleitung (13) eine Wassermenge (MHZO) aufgenommen wird und die aufgenommene Wassermenge (MHZO) durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge (M02) und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird;
- die Wasserstoffteilmenge durch wenigstens eine Wasserstofftransporteinrichtung zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird;
- Umgebungsluft (UL) einer die Anlage (10) umgebenden Außenatmosphäre durch wenigstens eine Kohlenstoffdioxid- Absorptionseinheit (12) gereinigt wird, wobei die Umgebungsluft (UL) 25 durch wenigstens einen Lufteinlass (14) einer nachgeordneten Absorbereinrichtung (15) zugeführt wird und anschließend durch die Absorbereinrichtung (15) eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der zugeführten Umgebungsluft (UL) extrahiert wird; und
- die Kohlenstoffdioxidmenge durch wenigstens eine Kohlenstoffdioxidtransporteinrichtung zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt wird, wobei die Sauerstoffteilmenge (M02) nach dem Zerlegen und die gereinigte Umgebungsluft (UL') in die Außenatmosphäre abgegeben werden. System (30) zur Mengenregulierung von Luftbestandteilen der Erdatmosphäre mit wenigstens einer Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und wenigstens einer Stromerzeugungseinheit (31) zur autarken Stromversorgung der Anlage (10), wobei die Stromerzeugungseinheit (31) mit der Anlage (10) elektrisch verbunden ist und zur Stromerzeugung eine oder mehrere, insbesondere ausschließlich, regenerative Energiequellen nutzt. System (30) nach Anspruch 12, dad u rch geken nzeich net, dass die Stromerzeugungseinheit (31) wenigstens einen Pufferspeicher zum Speichern von Energie, insbesondere elektrischem Strom und/oder Wasserstoff aufweist. System (30) nach Anspruch 12 oder 13, dad u rch geken nzeich net, dass die Stromerzeugungseinheit (31) wenigstens eine Photovoltaikeinheit (24) zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und/oder wenigstens eine Windkrafteinheit zur Umwandlung von Windenergie in Strom und/oder wenigstens eine Wasserkrafteinheit zur Umwandlung von Wasserenergie in Strom und/oder wenigstens eine thermische Einheit zur Umwandlung von Wärmeenergie in Strom ist.
PCT/EP2021/080700 2020-11-07 2021-11-05 Anlage und verfahren zum erhalt eines vorbestimmten kohlenstoffdioxid/sauerstoff-verhältnisses in der atmosphäre Ceased WO2022096614A1 (de)

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