AT522538A1

AT522538A1 - Dissociation of water with the help of electron excitation and plasmolysis to generate a synthetic gas

Info

Publication number: AT522538A1
Application number: ATA153/2019A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Dipl Ing Dr Johann
Original assignee: Gs Gruber Schmidt Gmbh
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-15

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Gasgemisches aus Kohlendioxid und Wasserstoff 35 umfassend einen Wassertank 2 mit einer Pumpe 2 und einer Regelarmatur 5 einer Kammer 6 für Elektronenanregung 7 einer Plasmakammer 8 mit den Elektroden 9, wobei das verbrauchte Wasser mit der Pumpe 12 und der zugehörigen Regelarmatur 13 in einen Wassertank 2 rückgeführt wird, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff 36 über einen Wärmetauscher 18 abgekühlt über einen Verdichter 19 und einen Rückkühler 20 über eine Regelarmatur 23 eines Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 24 oder in Form einer keramischen Membran 37 zugeführt wird, die das Gasgemisch 36 in ein Wasserstoffgas 26 und ein Sauerstoffgas 25 auftrennt. Das Wasserstoffgas 25 wird über eine Verdichterstufe 21 und einen Rückkühler 22 und einer Regelarmatur 27 einer Mischkammer 34 zugeführt, in der Kohlendioxid 29 aus dem Kohlendioxidtank 30 mit einer Pumpe 31 entspannt wird und über den Verdampfer 32 über die Regelarmatur 33 in den Mischer 34 geführt wird. Das so erzeugte synthetische Gas 35 kann nun weiter verwertet werden.The method for generating a synthetic gas mixture from carbon dioxide and hydrogen 35 comprising a water tank 2 with a pump 2 and a control valve 5 a chamber 6 for electron excitation 7 a plasma chamber 8 with the electrodes 9, the used water with the pump 12 and the associated control valve 13 is returned to a water tank 2, a gas mixture of oxygen and hydrogen 36 is cooled via a heat exchanger 18 via a compressor 19 and a recooler 20 via a control valve 23 to a gas separation in the form of a pressure swing adsorption 24 or in the form of a ceramic membrane 37, which the gas mixture 36 is separated into a hydrogen gas 26 and an oxygen gas 25. The hydrogen gas 25 is fed via a compressor stage 21 and a recooler 22 and a control valve 27 to a mixing chamber 34, in which carbon dioxide 29 from the carbon dioxide tank 30 is expanded with a pump 31 and is fed via the evaporator 32 via the control valve 33 into the mixer 34 . The synthetic gas 35 generated in this way can now be used further.

Description

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Dissoziation von Wasser mit Hilfe von Elektronenanregung und Plasmolyse zur Erzeugung eines synthetischen Gases Dissociation of water with the help of electron excitation and plasmolysis to generate a synthetic gas

Das Verfahren zur Erzeuguhg eines synthetischen Gasgemisches aus Kohlendioxid und Wasserstoff 35 umfassend einen Wassertank 2 mit einer Pumpe 2 und einer Regelarmatur 5 einer Kammer 6 für Elektronenanregung 7 einer Plasmakammer 8 mit den Elektroden 9, ; wobei das verbrauchte Wasser mit der Pumpe 12 und der zugehörigen Regelarmatur 13 in einen Wassertank 2 rückgeführt wird, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff 36 über einen Wärmetauscher 18 abgekühlt über einen Verdichter 19 und einen Rückkühler 20 über eine Regelarmatur 23 eines Gastrennung in Form einer Druckwechseladsorption 24 oder in Form einer keramischen Membran 37 zugeführt wird, die das Gasgemisch 36 in ein Wasserstoffgas 26 und ein Sauerstoffgas 25 auftrennt. Das Wasserstoffgas 25 wird über eine Verdichterstufe 21 und einen Rückkühler 22 und einer Regelarmatur 27 einer Mischkammer 34 zugeführt, in der Kohlendioxid 29 aus dem Kohlendioxidtank 30 mit einer Pumpe 31 entspannt wird und über den Verdampfer 32 über die Regelarmatur 33 in den Mischer 34 geführt wird. Das so erzeugte synthetische Gas 35 kann nun weiter verwertet werden. The method for producing a synthetic gas mixture from carbon dioxide and hydrogen 35 comprising a water tank 2 with a pump 2 and a control valve 5 a chamber 6 for electron excitation 7 a plasma chamber 8 with the electrodes 9,; The used water is returned to a water tank 2 with the pump 12 and the associated control valve 13, a gas mixture of oxygen and hydrogen 36 is cooled via a heat exchanger 18 via a compressor 19 and a recooler 20 via a control valve 23 of a gas separation in the form of pressure swing adsorption 24 or in the form of a ceramic membrane 37, which separates the gas mixture 36 into a hydrogen gas 26 and an oxygen gas 25. The hydrogen gas 25 is fed via a compressor stage 21 and a recooler 22 and a control valve 27 to a mixing chamber 34, in which carbon dioxide 29 from the carbon dioxide tank 30 is expanded with a pump 31 and is fed via the evaporator 32 via the control valve 33 into the mixer 34 . The synthetic gas 35 generated in this way can now be used further.

Durch die Experimente von A. Marie Ampere angeregt hat Michael Faraday Experimente und Untersuchungen zur Elektrolyse unternommen. Dahinter stand das Bemühen einen Zusammenhang zwischen der Trennung von Stoffen mit Hilfe von elektrischer Leistung (Energie), im speziellen mit Strom I(A) zu erkennen. Die Elektrolyse hat später technische Anwendung in der Schmelzflusselektrolyse gefunden, wie diese in der Aluminiumgewinnung eingesetzt wird. Inspired by the experiments of A. Marie Ampere, Michael Faraday undertook experiments and investigations into electrolysis. Behind this was the effort to recognize a connection between the separation of substances with the help of electrical power (energy), in particular with current I (A). The electrolysis later found technical application in the melt flow electrolysis, as it is used in the aluminum production.

In der chemischen Industrie hat man aufbauend auf den Erkenntnissen von Paul Sabatier, Wilhelm Richter, Ernst Solvay sich der Katalyse zugewendet. Der Bedarf an Wasserstoff war und ist in der chemischen Industrie groß, daher musste man andere Verfahren suchen um rasch große Mengen technisch nutzbaren Wasserstoff zu erzeugen. In the chemical industry, building on the findings of Paul Sabatier, Wilhelm Richter, and Ernst Solvay, the focus was on catalysis. The need for hydrogen was and is great in the chemical industry, so other processes had to be found in order to quickly produce large amounts of technically usable hydrogen.

Wasserstoff (H2) ist seit seiner Entdeckung 1766 durch den Physiker Henry Cavendisch ein technisch begehrtes und interessantes Element. Wasserstoff stellt 75% der bekannten Masse und 93% aller Atome dar. Es ist das einfachste und grundlegendste Element in unserem Universum und auf unserem Planeten. Hydrogen (H2) has been a technically desirable and interesting element since its discovery in 1766 by the physicist Henry Cavendisch. Hydrogen represents 75% of the known mass and 93% of all atoms. It is the simplest and most basic element in our universe and on our planet.

So sehr Wasserstoff (H2) begehrt ist, so schwierig ist es Wasserstoff (H2) zu erzeugen, und noch schwieriger ist seine Handhabung, denn es diffundiert sehr leicht durch Dichtungen und durch Metalle, führt zu Versprödungen und reagiert mit Sauerstoff explosionsartig zu Wasserdampf unter Abgabe von Wärme (Enthalpie). As much as hydrogen (H2) is in demand, it is difficult to generate hydrogen (H2), and its handling is even more difficult, because it diffuses very easily through seals and through metals, leads to embrittlement and reacts with oxygen explosively to give off water vapor of heat (enthalpy).

Will man die Nutzung von fossilen Rohstoffen zurückdrängen, dann stellt sich auch die Frage nach einer einfachen energetisch günstigeren Erzeugung mit Hilfe von erneuerbarer Energie und möglicherweise eine einfache Speicherung von Wasserstoff. Unter erneuerbare Energie verstehen wir heute solare Energie die zu Strom umgewandelt wird (Photovoltaik), Windenergie, bei der Wind in elektrische Energie umgewandelt wird, biogene Energie, die über BHKW zu Strom und Wärme umgewandelt wird. ; If one wants to reduce the use of fossil raw materials, then the question arises of a simple, energetically cheaper generation with the help of renewable energy and possibly simple storage of hydrogen. Today we understand renewable energy to mean solar energy that is converted into electricity (photovoltaics), wind energy that converts wind into electrical energy, and biogenic energy that is converted into electricity and heat by means of a CHP unit. ;

Will man die fossilen Rohstoffe zurückdrängen, dann reicht aber Wasserstoff alleine nicht aus. Es muss auch Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid gebunden werden. If one wants to push back fossil raw materials, then hydrogen alone is not enough. Carbon must also be bound in the form of carbon dioxide.

Die Aufgabe besteht also darin, ein synthetisches Gas aus Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen, das zu einem Treibstoff oder Brennstoff synthetisiert werden kann, zu dem Kohlendioxid als Senke speichert, und ein Verfahren zu verwenden, das energetisch günstiger ist als die heute bekannte Nasselektrolyse, ein verfahren, dass keine aufwendigen Membrane und Katalysatoren benötigt, das einfach robust und stabil in der dezentralen Anwendung der erneuerbaren Energieerzeugung eingesetzt und verwendet werden kann. > The task is therefore to generate a synthetic gas from carbon dioxide and hydrogen, which can be synthesized into a propellant or fuel, for which carbon dioxide is stored as a sink, and to use a process that is energetically more favorable than the wet electrolysis known today Process that does not require complex membranes and catalysts, which can simply be deployed and used robustly and stably in the decentralized application of renewable energy generation. >

Das in dem Patent US 3 522 167 beschriebene Verfahren dient dazu in einer dielektrischen Lösung mit organischen Molekülen mit Hilfe von Zündfunken eine Druckwelle aufzubauen und eine chemische Reaktion der organischen Moleküle zu erreichen. Der Nachteil dieses Verfahrens hohe elektrische Spannungen, geringe Effizienz in der Ausnutzung elektrischer Energie. The method described in US Pat. No. 3,522,167 is used to build up a pressure wave in a dielectric solution with organic molecules with the aid of ignition sparks and to achieve a chemical reaction of the organic molecules. The disadvantage of this process is high electrical voltages and low efficiency in the use of electrical energy.

Das in dem Patent EP 1529758 A1 beschreiben zwei Elektroden, deren Abstand einstellbar ist und eine Stoßwellenabsorbierende Vorrichtung besitzt. Der Nachteil ist ein Elektrodenpaar, sehr hohe Spannungen, Stoßentladung und die damit verbundenen Stoßwellen in der Umgebung der Elektroden. The patent EP 1529758 A1 describes two electrodes, the spacing of which is adjustable and has a shock wave absorbing device. The disadvantage is a pair of electrodes, very high voltages, surge discharge and the associated shock waves in the vicinity of the electrodes.

Im folgenden Abschnitt sind die thermadynamischen Eigenschaften von Kohlendioxid (CO2) (g) als Gas dargestellt. The following section shows the thermodynamic properties of carbon dioxide (CO2) (g) as a gas.

Kohlendioxid (CO2) Carbon dioxide (CO2)

Molares Gewicht 44,0 g/mol Dichte 1,98 Kg/m® Polarität Keine Molar weight 44.0 g / mol Density 1.98 Kg / m® Polarity None

Bildungsenthalpie -393,75 kJ/mol Abstand zwischen O0 —-C 116,32 pm Dampfdruck 57,28 . bar Enthalpy of formation -393.75 kJ / mol distance between O0-C 116.32 pm vapor pressure 57.28. bar

Tabelle 1: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Kohlendioxid (CO2). Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist verhält sich Kohlendioxid (CO2) wie ein inertes Gas. Um Table 1: Physical and chemical properties of carbon dioxide (CO2). As can be seen from Table 1, carbon dioxide (CO2) behaves like an inert gas. Around

eine echte Kohlenddioxidsenke aufzubauen muss Kohlendioxid direkt verwertet werden. Unter Verwertung versteht man die katalytische Synthese zu Methan oder Methanol: To build a real carbon dioxide sink, carbon dioxide must be used directly. Recycling is the catalytic synthesis to methane or methanol:

BEE OS EL EEE 8 3 .. .. e.... .. ® .. BEE OS EL EEE 8 3 .. .. e .... .. ® ..

CO2 + 4H2 — CH4 + 2H20 AH =- 252.05 kJ/mol CO2 + 4H2 - CH4 + 2H20 AH = - 252.05 kJ / mol

CO2 + 3H2 — CH3OH + H20 AH =- 130.59 kJ/mol CO2 + 3H2 - CH3OH + H20 AH = - 130.59 kJ / mol

- Beide chemische Reaktionen liefern als Nebenprodukt Wasserdampf als Hauptprodukt Methan (CH4) und Methanol (CH3OH). Weiters ersieht man aus den chemischen Gleichungen, dass neben Kohlendioxid (CO2) auch Wasserstoff (H2) notwendig ist. Beide Reaktionen sind stark exotherm, es fällt also bei der Reaktion Wärme an. Beide Reaktionen sind katalytisch getrieben, denn hohe Umsetzungsraten werden nur mit adaptierten Katalysatoren erreicht. - Both chemical reactions produce water vapor as a by-product, methane (CH4) and methanol (CH3OH) as the main product. Furthermore, one can see from the chemical equations that in addition to carbon dioxide (CO2), hydrogen (H2) is also necessary. Both reactions are strongly exothermic, so heat is generated during the reaction. Both reactions are catalytically driven, because high conversion rates can only be achieved with adapted catalysts.

Erfindungsgemäß wird daher das synthetische Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff aufgebaut. Um die unterschiedlichen Konzentrationen zusammensetzen zu können werden Regelarmaturen für das dampfförmige Kohlendioxid und das Wasserstoffgas According to the invention, the synthetic gas mixture is therefore built up from carbon dioxide and hydrogen. In order to be able to put together the different concentrations, control valves are used for the vaporous carbon dioxide and the hydrogen gas

verwendet. used.

Erfindungsgemäß wird als Ausgangsprodukt einmal Kohlendioxid 30 in flüssiger Phase und Wasser 1 in einem Wassertank 2. Kohlendioxid 29 wird auf den gewünschten Druck entspannt und verdampft. Wasser (H20) wird in die Gasstoffströme Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) 36 aufgespalten, und der Wasserstoff 25 wird mit Kohlendioxid 29 zu einem synthetischen Gasgemisch 35 zusammengesetzt. According to the invention, carbon dioxide 30 in the liquid phase and water 1 in a water tank 2 are used as the starting product. Carbon dioxide 29 is expanded to the desired pressure and evaporated. Water (H20) is split into the gas streams hydrogen (H2) and oxygen (02) 36, and the hydrogen 25 is combined with carbon dioxide 29 to form a synthetic gas mixture 35.

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Wasserstoff (H2) (g) als Gas dargestellt. Wasserstoff (H2) (g) als Gas ist bekannt. ; The following section shows the thermodynamic properties of hydrogen (H2) (g) as a gas. Hydrogen (H2) (g) is known as a gas. ;

Wasserstoff (H2) Hydrogen (H2)

Molares Gewicht 2,0016 g/mol /mol Molar weight 2.0016 g / mol / mol

Anzahl der Isotope 3 (1H, 2H, 3H) Number of isotopes 3 (1H, 2H, 3H)

Orbitalbelegung Entartet Orbital assignment degenerate

Phase Gasförmig Phase gaseous

Dichte 0,089 Kg/Nm® ( leichter als Luft ) Diamagnetisch Density 0.089 Kg / Nm® (lighter than air) Diamagnetic

Elektronennegativität 2,2 Electron Negativity 2.2

Tabelle 2: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Wasserstoff (H2). Table 2: Physical and chemical properties of hydrogen (H2).

Wie aus den thermodynamischen Eigenschaften erkennbar ist, ist Wasserstoff ein Gas und bleibt es auch bei einer Verdichtung auf einen sehr hohen Druck von 200 bar bis 700 bar gasförmig. Neben Wasserstoff (H2) stellt auch Sauerstoff (02) eine Stoffkomponente dar As can be seen from the thermodynamic properties, hydrogen is a gas and remains gaseous even when compressed to a very high pressure of 200 bar to 700 bar. In addition to hydrogen (H2), oxygen (02) is also a material component

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Sauerstoff(O2) (g) als Gas dargestellt. The following section shows the thermodynamic properties of oxygen (O2) (g) as a gas.

Sauerstoff (02) Oxygen (02)

Molares Gewicht 2,0016 g/mol ; _g/mol Molar weight 2.0016 g / mol; _g / mol

Anzahl der Isotope 3 (1H, 2H, 3H) Number of isotopes 3 (1H, 2H, 3H)

Orbitalbelegung Entartet Orbital assignment degenerate

Phase ; ; Gasförmig Phase; ; Gaseous

Dichte 0,089 Kg/Nm? ( leichter als Luft ) Diamagnetisch Density 0.089 kg / Nm? (lighter than air) Diamagnetic

Elektronennegativität 2,2 Electron Negativity 2.2

Tabelle 3: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Sauerstoff (O2). Table 3: Physical and chemical properties of oxygen (O2).

® .. ® .. u. eo 000 ® .. ® .. u. eo 000

° .. . .. ..000800 ° 4 ® .. ss Oo . ° a) . . ° ... .. ..000800 ° 4 ® .. ss Oo. ° a). .

Zusammenfassend Wasserstoff(H2) und Sauerstoff (02) haben technisch sehr interessante Eigenschaften und sind daher in der Energieerzeugung sowie in der chemischen Industrie sehr gesucht und begehrt. In summary, hydrogen (H2) and oxygen (02) have technically very interesting properties and are therefore very much sought after and in demand in energy generation and in the chemical industry.

Im folgenden Abschnitt sind die thermodynamischen Eigenschaften von Wasser (H2O) (I) als Flüssigkeit dargestellt. The following section shows the thermodynamic properties of water (H2O) (I) as a liquid.

Wasser (H20) Water (H20)

Molgewicht 18 g/mol Molar weight 18 g / mol

Phase Flüssig Phase liquid

Leitfähigkeit 3-20 UWS/cm | R-(oH) ; 0,095 nm Conductivity 3-20 UWS / cm | R- (oH); 0.095 nm

Winkel (H-O-H) 104,5° Angle (H-O-H) 104.5 °

V 1( symmetrisch ) ; 3657 ; 1/cm V 1 (symmetrical); 3657; 1 cm

V 2( symmetrisch ) 1595 ‘| 1/cm V 2 (symmetrical) 1595 ‘| 1 cm

V s( antisymmetrisch) 3756 1/cm V s (antisymmetric) 3756 1 / cm

Tabelle 4: Physikalische und Chemische Eigenschaften von Wasser (H20)}. Table 4: Physical and chemical properties of water (H20)}.

Wie man aus der.chemischen Formel ersieht setzt sich Wasser als Molekül aus Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zusammen: As you can see from the chemical formula, water is a molecule made up of hydrogen (H2) and oxygen (O2):

2H20 — 2H2 + 02 AH = 570 kJ/mol 2H2 + 02 — 2H20 AH =- 490 kJ/mol 2H20 - 2H2 + 02 AH = 570 kJ / mol 2H2 + 02 - 2H20 AH = - 490 kJ / mol

Die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff führt immer zu Wasserdampf. Die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser (liquid) führt immer zu Gasen als ‚Produkt. Das einfachste verfahren zu Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser ist die Elektrolyse auf der Basis einer elektrolytischen Zelle. Der Unterschied der elektrolytischen Zelle zur galvanischen Zelle besteht darin, dass an den beiden Elektroden, der Kathode und der Anode nun eine Spannungsquelle angelegt wird, damit existiert eine Potentialdifferenz und damit kann eine Elektromotorische Kraft (EMK) wirksam werden. Diese ENK bedingt einen Elektronenfluss, wenn die Elektroden in Wasser eingetaucht sind. Da Wasser eine polare Flüssigkeit ist, können nun Elektronen über das Wasser von einer Elektrode zur anderen Elektrode, also von der Anode zur Kathode geleitet werden. Das ist bekannt und eine grundlegende und wichtige Eigenschaft von Wasser. The formation of water from hydrogen and oxygen always leads to water vapor. The production of hydrogen and oxygen from water (liquid) always leads to gases as a 'product. The simplest method for generating hydrogen and oxygen from water is electrolysis on the basis of an electrolytic cell. The difference between the electrolytic cell and the galvanic cell is that a voltage source is now applied to the two electrodes, the cathode and the anode, so that a potential difference exists and an electric motor force (EMF) can become effective. This ENK causes a flow of electrons when the electrodes are immersed in water. Since water is a polar liquid, electrons can now be conducted through the water from one electrode to the other electrode, i.e. from the anode to the cathode. This is known and is a fundamental and important property of water.

Wenn man die klassische Elektrolyse betrachtet, die auf die Entwicklungen und Experimente von M. Faraday zurückgehen, dann ergibt sich folgender empirischer Zusammenhang: If one considers the classical electrolysis, which goes back to the developments and experiments of M. Faraday, then the following empirical connection emerges:

m ki = fies ge m ki = nasty ge

m =Mn k-ZzCNa=ZF (F=CN,) m = Mn k-ZzCNa = ZF (F = CN,)

Dabei bedeuten die Symbole folgendes: The symbols mean the following:

Na= Anzahl der Atome pro Mol M = Molare Masse [g/mol] Na = number of atoms per mole M = molar mass [g / mol]

M = Masse [kg] M = mass [kg]

C = Coulombsche Ladung [eV] C = Coulomb charge [eV]

Z = Anzahl der Elektronen Z = number of electrons

P = elektrische leistung [W} U = elektrische Spannung [V] 1 = elektrische Strom [A] P = electrical power [W} U = electrical voltage [V] 1 = electrical current [A]

Die klassische Elektrolyse bei Wasser, auch als Nasselektrolyse bekannt, setzt also voraus, um einen hohen Wirkungsgrad in der Umsetzung zu erreichen, wird eine Lauge in Form von Kaliumlauge (KOH) und Natriumlauge (NaOH) dem Wasser zugesetzt, um so die Leitfähigkeit des Wasser Laugengemisches ( = Elektrolyten ) zu erhöhen. Um die Vermischung der Gasströme, die nun an den Elektroden gebildet werden, zu vermeiden wird eine Membran zwischen beiden Elektroden verwendet. Damit die Jonen (H+) oder (OH-) zwischen den Elektroden wandern können, muss daher die Membrane leitfähig sein. Je nachdem ob Protonen ( H+) Jonen über ‘die Membrane diffundieren oder Hydroxid Jonen (OH-) über die Membrane diffundieren, ergibt sich zwischen den Elektroden eine EMK und an den Elektroden kann Wasserstoff ( Anode ) und Sauerstoff ( Kathode ) gebildet. The classic electrolysis of water, also known as wet electrolysis, requires a lye in the form of potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH) to be added to the water in order to achieve a high degree of efficiency in the conversion Increase the alkali mixture (= electrolyte). A membrane is used between the two electrodes in order to avoid the mixing of the gas flows that are now formed at the electrodes. So that the ions (H +) or (OH-) can migrate between the electrodes, the membrane must therefore be conductive. Depending on whether protons (H +) ions diffuse over the membrane or hydroxide ions (OH-) diffuse over the membrane, there is an EMF between the electrodes and hydrogen (anode) and oxygen (cathode) can be formed at the electrodes.

Und damit sind die Nachteile schon ersichtlich: In technischen Anwendungen wird daher destilliertes Wasser ( Leitfähigkeit < 3 uS/cm ) und mit Laugen versetzt. Es entsteht an den. Elektroden Wärme, die abgeführt werden muss. Diese Wärmebildung entsteht, da der Elektrolyt nur eine bestimmte Leitfähigkeit aufweist und zur Erzeugung von Jonen, geringe Spannungen, aber hohe Stromstärken notwendig sind. Das ersieht man an der empirischen Gleichung von M. Faraday, die den. erzeugten Massenstrom als Funktion der Stromstärke darstellt. ( direkt proportional ). Auf Grund der Messungen weiß man, dass es sich um And so the disadvantages are already evident: In technical applications, distilled water (conductivity <3 uS / cm) and alkalis are added. It arises on the. Electrodes heat that has to be dissipated. This heat build-up occurs because the electrolyte has only a certain conductivity and low voltages but high currents are necessary to generate ions. This can be seen in the empirical equation of M. Faraday, which the. represents the mass flow generated as a function of the current intensity. (directly proportional). Based on the measurements, you know that it is

_ Gleichstrom handelt und die hohen Stromstärken führen zur Wärmeentwicklung in den Elektroden und im Elektrolyten. Zudem behindert das erzeuget Gas, in Form von Wasserstoff oder Sauerstoff, um die Elektrode herum die weitere Bildung von Gas. _ Direct current acts and the high currents lead to heat development in the electrodes and in the electrolyte. In addition, the generated gas, in the form of hydrogen or oxygen, hampers the further formation of gas around the electrode.

Das was bisher beschrieben worden ist, wird auch als Nasselektrolyse bezeichnet, die sich industriell nur bedingt durchgesetzt hat. What has been described so far is also known as wet electrolysis, which has only limited industrial acceptance.

Das Gesetz von M. Faraday hat noch zu einer weiteren Entwicklung Anfang des 20. Jahrhunderts geführt, der Brennstoffzelle. Kehrt man das Prinzip der Brennstoffzelle um, dann erhält man eine Elektrolysezelle. Das ist bekannt. Der Nachteil ist der sehr hohe Aufwand an Katalysatoren, die aufwendige und teure Bauweise, sowie der geringere Wirkungsgrad gegenüber der Nasselektrolysezelle. Bei der Verwendung von Festoxidstoffen ist Wasserdampf zu verwenden und eine Betriebstemperatur zwischen 600°C bis 800°C. Das ist ein weiterer Nachteil, denn die hohen Temperaturen und der Wasserdampf müssen erst erzeugt werden. Das reduziert erneut den Wirkungsgrad und die Effizienz der Elektrolyse, und setzt hohe Anforderungen an die Reinheit des Wassers, die Apparatetechnik. M. Faraday's law led to another development at the beginning of the 20th century, the fuel cell. If you reverse the principle of the fuel cell, you get an electrolysis cell. That is known. The disadvantage is the very high expenditure on catalysts, the complex and expensive construction, and the lower efficiency compared to the wet electrolysis cell. When using solid oxide materials, use steam and an operating temperature between 600 ° C and 800 ° C. This is another disadvantage, because the high temperatures and the water vapor have to be generated first. This again reduces the efficiency of the electrolysis and places high demands on the purity of the water and the apparatus technology.

Ein weiterer Nachteil ist der Umstand, dass keine gepulsten Ströme bei der Nasselektrolyse verwendet werden können. Der Grund liegt in der Bauform der Elektroden als Flächenelemente und der Umstand, dass es zwischen Membran und Elektrode zu keinem Plasmafeld kommen darf. Die Membranen sind für Plasma nicht geeignet. Another disadvantage is the fact that pulsed currents cannot be used in wet electrolysis. The reason for this lies in the design of the electrodes as surface elements and the fact that there must be no plasma field between the membrane and the electrode. The membranes are not suitable for plasma.

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren eingesetzt, das die Anwendung von gepulsten Strömen möglich macht. Das setzt voraus, dass man eine Anode als Elektrode hat, die die Ausbildung eines Plasmakanales zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Erfindungsgemäß soll das Wasser zwischen Anode und Kathode langsam in Form einer Taylor Couettesträmung vorbeifließen. Die Anode ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sich ein starkes dichtes Feld um die Elektrode ausbildet, dass somit einen Plasmakanal in According to the invention, a method is therefore used which makes the use of pulsed currents possible. This assumes that you have an anode as an electrode, which enables the formation of a plasma channel between anode and cathode. According to the invention, the water should slowly flow past between the anode and cathode in the form of a Taylor Couette flow. According to the invention, the anode is designed in such a way that a strong, dense field is formed around the electrode, thus creating a plasma channel

Richtung Kathode eröffnen lässt. Open towards the cathode.

° .. . . < 0 05008 * 6 ° .. . x. » . > < . er .. a... .. ® .. ° ... . <0 05008 * 6 ° ... x. ». > <. he .. a ... .. ® ..

Erfindungsgemäß versteht man unter gepulsten Strömen, dass ein Gleichstrom als Funktion eines mit einer Frequenz pulsierenden Spannungsfeldes zwischen den Elektroden strömt. Das pulsierende Spannungsfeld, dass sich der Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode stoßartig aufbaut und nach Abfall der Spannung zusammenbricht. Damit kann nun in Vielfachen der Grundschwingungsfrequenzen anregen. ; According to the invention, pulsed currents are understood to mean that a direct current flows between the electrodes as a function of a voltage field pulsating with a frequency. The pulsating tension field that the plasma channel builds up suddenly between the anode and cathode and collapses when the voltage drops. It can now excite in multiples of the fundamental oscillation frequencies. ;

Schwingungszustände | Energy (eV) |X(2,9/Vva) Oscillation states | Energy (eV) | X (2.9 / Vva)

(0,1,0) 0,1977 14,67 (0,2,0) 1-0,3907 7,42 (1,0,0) 0,4534 6,40 (0,0,1) 0,4657 6,23 (0,3,0) 0,5786 5,01 (1,1,0) 0,6491 ; 4,47 (0,1,1) 0,6610 4,39 (0,4,0) 0,7605 3,81 (1,2,0) 0,8400 . 3,45 (0,2,1) 0,8520 . 3,40 (2,0,0) 0,8929 3,25 (1,0,1) ; 0,8989 3,23 (0,0,2) 0,9231 3,14 (0.1.0) 0.1977 14.67 (0.2.0) 1-0.3907 7.42 (1.0.0) 0.4534 6.40 (0.0.1) 0, 4657 6.23 (0.3.0) 0.5786 5.01 (1.1.0) 0.6491; 4.47 (0.1.1) 0.6610 4.39 (0.4.0) 0.7605 3.81 (1.2.0) 0.8400. 3.45 (0.2.1) 0.8520. 3.40 (2.0.0) 0.8929 3.25 (1.0.1); 0.8989 3.23 (0.0.2) 0.9231 3.14

Tabelle 5: Energie, die notwendig ist um Schwingungsformen innerhalb des Wassermoleküls anzuregen (v1,v2,V3) = va = ( symmetrisch, Biegung, antisymmetrisch). Die Dissoziationsenergie von Wasser im Plasmazustand ist mit 2.95 [eV] gegeben, damit erkennt man, dass mit weitaus geringeren Energiemengen das Molekül in Schwingung versetzen kann. [1] Table 5: Energy that is necessary to excite forms of oscillation within the water molecule (v1, v2, V3) = va = (symmetrical, bending, antisymmetrical). The dissociation energy of water in the plasma state is 2.95 [eV], so it can be seen that the molecule can vibrate with far lower amounts of energy. [1]

Aus der Messtabelle (Tabelle 5) kann man erkennen, wieviel Energie zur Anregung von Schwingungsformen notwendig ist, was zur Folge hat, dass ein angeregtes Wassermolekül weitaus weniger Energie für die Dissoziation benötigt. Das stellt keineswegs eine Verletzung des 1. HS der Thermodynamik dar, sondern die für die Dissoziation benötigte Energie teilt The measurement table (Table 5) shows how much energy is required to excite oscillation forms, which means that an excited water molecule needs far less energy for dissociation. This is by no means a violation of the 1st HS of thermodynamics, but shares the energy required for dissociation

sind erfindungsgemäß auf in eine Schwingungsanregung und einer Dissoziation. are according to the invention in a vibration excitation and a dissociation.

Erfindungsgemäß strömt das Wasser in einem Kanal zwischen zwei Wänden, wobei der Kanal entweder aus zwei Platten oder zwei Zylinder ausgebildet ist. Zwischen den beiden Wänden bildet sich eine Taylor Couette Strömung in Form einer Scherströmung aus. Die Elektroden (Anoden) sind als Stabelektroden auf einer Platte aufgebracht und reichen mit deren Spitze in die das querströmende Wasser hinein. Die Spitze der Elektrode wiest in Richtung der Kathode und zwischen der Anode und Kathode bildet sich der Plasmakanal aus. Durch die Anordnung der Elektroden entlang des Strömungskanales ist es möglich ein Wanderfeld aufzubauen. Erfindungsgemäß versteht man unter einem Wanderfeld In Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung die Belegung der Elektroden mit einem Spannungsfeld. According to the invention, the water flows in a channel between two walls, the channel being formed either from two plates or two cylinders. A Taylor Couette flow in the form of a shear flow forms between the two walls. The electrodes (anodes) are attached to a plate as stick electrodes and their tips extend into the water flowing across the water. The tip of the electrode points towards the cathode and the plasma channel is formed between the anode and cathode. By arranging the electrodes along the flow channel, it is possible to build up a traveling field. According to the invention, a traveling field is understood to mean the occupation of the electrodes with a voltage field in the direction of flow and against the direction of flow.

Erfindungsgemäß wird jede Elektrode mit einer Spannungsimpuls versehen, der mittels According to the invention, each electrode is provided with a voltage pulse that by means of

Fourierreihenanalyse zu Eigenfrequenzen und damit Schwingungsfrequenzen führt. Der Fourier series analysis leads to natural frequencies and thus oscillation frequencies. The

zeitliche Abstand zwischen den Spannungsimpulsen und die Amplitude des time interval between the voltage pulses and the amplitude of the

Spannungsimpulses sind somit erfindungsgemäß regelungstechnische Parameter um die . Schwingungsmoden ( vı,v2,v3 ) bis zur Resonanz anzuregen. According to the invention, the voltage pulse are control parameters around the. To stimulate vibration modes (vı, v2, v3) to resonance.

7127 7127

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Kanal liegt zwischen 0,001 m/sec bis 0.1 m/sec umso die Ausbildung von Karmanschen Wirbeln nach den Elektroden sehr gering zu - halten. The flow speed of the water in the canal is between 0.001 m / sec to 0.1 m / sec in order to keep the formation of Karman vortices after the electrodes very low.

Um einen Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode zu erzeugen hat die Geometrie der Elektrode einen Einfluss: die Anoden sind als elektrisch leitfähiger Stab mit einer Spitze und einem definierten Rundungsradius r ausgebildet, die Kathode als Platte oder Fläche mit größer Krümmung. Bezeichnet r den Radius der Elektrode, und V das Potenzial und b den Abstand von der Anode zur Kathode dann erhält man folgende einfache Beziehung: The geometry of the electrode has an influence on creating a plasma channel between the anode and cathode: the anodes are designed as an electrically conductive rod with a tip and a defined radius of curvature r, the cathode as a plate or surface with greater curvature. If r denotes the radius of the electrode, and V the potential and b the distance from the anode to the cathode, the following simple relationship is obtained:

rin) rin)

Diese hohe Felddichte ist notwendig; um eine Plasmakanal zwischen der Anode und Kathode auszubilden, um den Anfangswiderstand zu überwinden. Das Überwinden des Widerstandes vom Elektronenübertritt in das Wasser, bedingt eine notwendige hohe stoßartige Energie und daher werden erfindungsgemäß gepulste (mit einer Frequenz) schwingende Impulsspannungen und Impulsströme verwendet, damit kann man das Wassermolekül in Schwingungsmoden anregen. This high field density is necessary; to form a plasma channel between the anode and cathode to overcome the initial resistance. Overcoming the resistance from the passage of electrons into the water requires a high level of shock-like energy and therefore, according to the invention, pulsed (with a frequency) oscillating impulse voltages and impulse currents are used, so that the water molecule can be excited in oscillation modes.

Erfindungsgemäß versteht man unter gepulsten Spannungsfeldern einen Schwingkreis aus Widerständen, Kondensatoren und Induktiven Spulen (RLC Schaltkreis) mit typischen Werten für L= 300 nH , R =2 (/CY/? , C= 135 WwF : According to the invention, pulsed voltage fields are understood to mean an oscillating circuit made up of resistors, capacitors and inductive coils (RLC circuit) with typical values for L = 300 nH, R = 2 (/ CY /?, C = 135 WwF:

L@did ROT, q dd=; L @ did RED, q dd =;

de O0 ag de O0 ag

Die elektrische Energie, die nun in das Wasser eingebracht wird unterteilt sich in The electrical energy that is now introduced into the water is divided into

Ri$)2= U, (Yil(t) = Pay + Prma < 2.9 [EV] /mol Ri $) 2 = U, (Yil (t) = Pay + Prma <2.9 [EV] / mol

Die Molekülschwingungen von Wasser umfassen bei 3 Atomen bestehend aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom daher 3 Schwingungsmoden ( Normalschwingungen), die aus den symmetrischen und asymmetrischen Valenzschwingungen und aus einer Deformationsschwingung bestehen. Die Schwingungen von Kohlendioxid bestehend aus 3 Atomen umfasst 4 Schwingungsmoden, die aus den symmetrischen und asymmetrischen Valenzschwingungen und aus zwei Deformationsschwingungen besteht. With 3 atoms consisting of 2 hydrogen atoms and 1 oxygen atom, the molecular vibrations of water therefore comprise 3 vibration modes (normal vibrations), which consist of the symmetrical and asymmetrical stretching vibrations and a deformation vibration. The vibrations of carbon dioxide consisting of 3 atoms comprises 4 vibration modes, which consist of the symmetrical and asymmetrical stretching vibrations and two deformation vibrations.

Die Anregung von dampfförmigen oder gasförmigen Zuständen ist in der regie mit Hilfe von Elektronen schwierig zu erreichen, man kann dies durch elektromagnetische Strahlung erreichen. Das ist bekannt. The excitation of vaporous or gaseous states is usually difficult to achieve with the help of electrons; this can be achieved using electromagnetic radiation. That is known.

Bei polaren Flüssigkeiten wie Wasser kann man mit Hilfe von Elektronen das Wassermolekül und einen Cluster um das Wassermolekül in Schwingung versetzen, das Wassermolekül lokal anregen und in Schwingung versetzen. Mit der Elektronenanregung ergibt sich eine zweite Möglichkeit: die Speicherung von Elektronen in Form von gelösten ( salvierten ) Elektronen in Wassercluster. Damit wird der Anteil an Elektronen im Wasser erhöht. Obwohl die Verweilzeit auf Grund externer Störungen in der Flüssigkeitsströmung solch gelöster Elektronen im Cluster auf wenige usec beschränkt ist, hat die Speicherung von Elektronen im Wasser den Vorteil, dass ein hochangeregter Zustand entsteht und eine Vorstufe der lonisierung erreicht wird. In polar liquids such as water, electrons can be used to set the water molecule and a cluster around the water molecule in motion, and the water molecule can be locally excited and set in motion. With the electron excitation there is a second possibility: the storage of electrons in the form of dissolved (salvaged) electrons in water clusters. This increases the proportion of electrons in the water. Although the residence time of such dissolved electrons in the cluster is limited to a few microseconds due to external disturbances in the liquid flow, the storage of electrons in the water has the advantage that a highly excited state is created and a preliminary stage of ionization is achieved.

° .. < .. vv... .. ° .. <.. vv ... ..

° .. ° . ° . ..... . 8 * .. * ® . | . ° .. °. °. ...... 8 * .. * ®. | .

° .. .. .... .. * . ° .. .. .... .. *.

Bei der Anregung von Wasser mit Elektronen werden die Elektronen in das Wasser mit geringer Energie: (0.1 bis 3 eV) eindiffundiert. Da-hat zur Folge, dass die Elektronen zur . Bildung von Wasserstoffionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) Jonen führt. Die Anreicherung mit Wasserstoffionen (H+) und Hydroxidionen (OH-) hat zur Folge, dass nun die Bildung von Wasserstoff (H2) rasch erfolgen kann, dass zudem aus zwei Hydroxidionen sich ein wassermolkühl und ein Sauerstoffmolekül bilden kann. When water is excited with electrons, the electrons are diffused into the water with a low energy: (0.1 to 3 eV). Da-has the consequence that the electrons to. Formation of hydrogen ions (H +) and hydroxide ions (OH-) leads to ions. The enrichment with hydrogen ions (H +) and hydroxide ions (OH-) has the consequence that the formation of hydrogen (H2) can now take place quickly and that, in addition, two hydroxide ions can form a water mole cool and an oxygen molecule.

e‘ +H20 — H20’ e ‘+ H20 - H20’

H20’ + H20° ——H + OH + H20 H + H20° ——H2 + OH H20 '+ H20 ° ——H + OH + H20 H + H20 ° ——H2 + OH

OH + H20° —— h + H202 OH + H2O ° -— h + H2O2

OH + H20 —H2 + HO2 OH + H20-H2 + HO2

HO2 + H20 — H202 + OH HO2 + H20 - H202 + OH

Das hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass das nunmehr hochangeregte Wasser mit Hilfe von geringen Energiemengen in Wasserstoff und Sauerstoff dissozliert werden kann. Zwischen der Anode und Kathode bildet sich nun ein Potenzial aus, das schon bei sehr geringer Spannung (V) dazu führt, dass sich ein Plasmakanal aufbaut und Wasserstoff (H2) gebildet werden kann. Wichtig ist dabei, dass es nicht mehr zu Bewegung von Elektronen, Atomen oder Molekülen kommt, sondern sich die Hydroxidionen zu Wasser umwandeln und Wassermolekül zu einem Hydroxidion, es bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit Energiewellen zwischen Anode und Kathode. According to the invention, this has the advantage that the now highly excited water can be dissociated into hydrogen and oxygen with the aid of small amounts of energy. A potential now develops between the anode and cathode which, even at a very low voltage (V), leads to a plasma channel building up and hydrogen (H2) to be formed. It is important that electrons, atoms or molecules no longer move, but that the hydroxide ions convert to water and the water molecule to a hydroxide ion; energy waves move at high speed between the anode and cathode.

e +H20 — H-+ OH H-+e——H+2e e + H20 - H- + OH H- + e - H + 2e

H-+ H20: — H2 + OH: H-+ H20——H+H20 OH + H2 — H + H20 H- + H20: - H2 + OH: H- + H20 -— H + H20 OH + H2 - H + H20

Erfindungsgemäß wird das Wasser durch Elektronen in Form von Elektronenemittern 7 angeregt. Die Elektronenemitter 7 sind seriell entlang der Strömungsrichtung 6 angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal liegt in einem Bereich von 0.001 m/sec bis 0.1 m/sec. Daher kann sich eine Tylor Couette Strömung ( Schichtenströmung, Scherströmung ) im Strömungskanal ausbilden. According to the invention, the water is excited by electrons in the form of electron emitters 7. The electron emitters 7 are arranged in series along the flow direction 6. The flow velocity in the flow channel is in a range from 0.001 m / sec to 0.1 m / sec. Therefore, a Tylor Couette flow (layer flow, shear flow) can develop in the flow channel.

Physikalisch gesehen erreicht man mit der Elektronenanregung 6,7 eine Erhöhung der Übergangswahrscheinlichkeit des Wassermoleküls zu einer lonisierung. Dabei regen die Elektronen das Wassermolekül, genauer die Wasserstoffverbindung im Wassermolekül an. Dabei hat man messtechnisch beobachtet, dass die Schwingungsmoden des Wassermoleküls Senken darstellen, in denen die notwendige lonisierungsenergie und in der Folge die benötigte Energie für die Dissoziation ein Minimum annimmt. From a physical point of view, electron excitation 6.7 increases the transition probability of the water molecule to ionization. The electrons excite the water molecule, more precisely the hydrogen compound in the water molecule. It has been observed in terms of measurement technology that the oscillation modes of the water molecule represent sinks in which the required ionization energy and consequently the energy required for dissociation assume a minimum.

Die benötiget elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) 36 setzt sich zusammen aus der Energie für die Elektronenanregung und für Plasma und ergibt zusammen immer 2.9 [eV] und steht daher immer im Einklang mit. dem 1. HS der Thermodynamik. Regt man das Wasser mit 1 [eV] an und speichert man im Wasser bis zu 2 [eV9, dann reichen bereits 0.9 [eV] um die Dissoziation des Wassermoleküls H20 zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) abzuschließen. The electrical energy required to generate hydrogen (H2) and oxygen (02) 36 is made up of the energy for the electron excitation and for plasma and together always results in 2.9 [eV] and is therefore always in line with. the 1st HS of thermodynamics. If you excite the water with 1 [eV] and store up to 2 [eV9 in the water, 0.9 [eV] is enough to complete the dissociation of the water molecule H20 to hydrogen (H2) and oxygen (02).

Erfindungsgemäß wird ein synthetisches Gas 35 erzeugt, das sich aus Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) zusammensetzt. Die Zusammensetzung des synthetischen Gases (35) According to the invention, a synthetic gas 35 is generated which is composed of hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). The composition of synthetic gas (35)

. 0... .. . eo 008 . 00 + a ® ...... . 9 ® 00 28 8 a & . 9 8 .. .. 0.0.0. ,;. e e. . 0 ... ... eo 008. 00 + a ® ....... 9 ® 00 28 8 a &. 9 8 .. .. 0.0.0. ,;. e e.

wird über die Regelarmaturen (33) für Kohlendioxid (29) und über die Regelarmatur (27) für Wasserstoff (H2) in der molaren Konzentration einstellen. Unter molarer Konzentration versteht man dabei CO2 : H2 = 1:1 bis CO2:H2 = 1: 4. is set via the control fittings (33) for carbon dioxide (29) and via the control fitting (27) for hydrogen (H2) in the molar concentration. Molar concentration is understood to mean CO2: H2 = 1: 1 to CO2: H2 = 1: 4.

Diese Erfindung hat eine wesentliche Eigenschaft: Sie ist skalierbar und ist einfach This invention has one essential characteristic: it is scalable and it is simple

_ aufgebaut. Es werden keine teuren Katalysatoren verwendet und es werden keine teuren und aufwendigen Konstruktionen verwendet. Die. elektrische Hardware in Form des Schwingkreises ist einfach und durch die heute verfügbare Leistungselektronik einfach zu realisieren. Die elektrische Anregung durch Elektronen hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass das hochangeregte Wasser eine höhere Leitfähigkeit besitzt und damit der Plasmakanal zwischen Anode und Kathode mit deutlich geringerer Energie erreichbar ist. _ built up. No expensive catalysts are used and no expensive and complex constructions are used. The. electrical hardware in the form of the resonant circuit is simple and easy to implement thanks to the power electronics available today. The electrical excitation by electrons according to the invention has the advantage that the highly excited water has a higher conductivity and thus the plasma channel between anode and cathode can be reached with significantly lower energy.

Diese Erfindung bietet zudem den Vorteil Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) in flüssiger oder gasförmiger Phase, wie Methanol oder Methan zu speichern. Damit kann man in sehr einfacher Weise stochastische elektrische Energie aus der Windenergie oder der solaren Photovoltaik zu speichern. This invention also offers the advantage of storing hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2) in the liquid or gaseous phase, such as methanol or methane. This makes it possible to store stochastic electrical energy from wind energy or solar photovoltaics in a very simple way.

9 Elektroden 9 electrodes

10 Gasgemisch Kammer 10 gas mixture chamber

11 unverbrauchtes Wasser 11 unused water

12 Pumpe 12 pump

13 = Regelarmatur 13 = control valve

14 Wasserkondensat -14 water condensate -

15‘ Pumpe 15 ‘pump

16 Regelarmatur 16 control valve

17 Kondensat 17 condensate

18 Wärmetauscher Kondensator 19 Verdichter ; 20 Wärmetauscher 18 heat exchanger condenser 19 compressor; 20 heat exchangers

„21 Verdichter "21 compressors

22 Wärmetauscher 22 heat exchangers

23 Regelarmatur 23 Control valve

24 Druckwechseladsorption 24 Pressure swing adsorption

25 Sauerstoff 25 oxygen

26 Wasserstoff‘ 26 hydrogen ‘

27 Regelarmatur 27 Control valve

28 verdichteter Wasserstoff 28 compressed hydrogen

29 flüssiges Kohlendioxid 29 liquid carbon dioxide

30 Kohlendioxidtank 30 carbon dioxide tank

31 Pumpe 31 pump

32 Wärmetauscher 32 heat exchangers

33 Regelarmatur 33 Control valve

34 Mischkammer 34 mixing chamber

35 synthetisches Gas 35 synthetic gas

36 Gasgemisch ( Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserdampf ) 37 Keramische Membrantrennung ( Wasserstoff, Sauerstoff ) 36 Gas mixture (hydrogen, oxygen, water vapor) 37 Ceramic membrane separation (hydrogen, oxygen)

Symbole Symbols

EC Elektrolyse EC electrolysis

EA Elektronenanregung PHD Plasmahydrodynamik PSA Druckwechseladsorption CO2 Kohlendioxid EA electron excitation PHD plasma hydrodynamics PSA pressure swing adsorption CO2 carbon dioxide

10 10

J. Phys. Chem. Ref. Data. Vol 34, 1, 2005 J. Phys. Chem. Ref. Data. Vol 34, 1, 2005

11 11

Abbildungen Illustrations

Abbildung 1 illustration 1

Die Abbildung 1 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 7 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgekühlt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Druckwechseladsorption 24 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt. Figure 1 shows a water tank 2 which is filled with water 1, which is fed with the pump 3 from the tank 2 via a control valve 5 to a chamber 6 for the electron excitations 7. After the electron excitation 7, the highly excited water is fed to the chamber 8 with plasma electrodes 9. The unused water 11 is returned to the water tank 2 via the pump 12 and the control fitting 13. The gas mixture of hydrogen and oxygen 36 generated in the plasma chamber 8 is cooled in the heat exchanger 18 and the condensate 17 is returned to the water tank 2 via the pump 15 and control valve 16. The hydrogen and oxygen gas mixture 36 is compressed with a compressor 19, then a heat exchanger 20 is recooled, then fed to a pressure swing adsorption 24 via a control valve 23 and separated into the gas flow hydrogen 25 and the oxygen gas flow 26. The hydrogen 25 is then compressed by a compressor 21 and cooled by a heat exchanger 22.

Abbildung 2 Figure 2

Die Abbildung 2 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 7 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgekühlt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Membrantrennung mit keramischen Membrane 37 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt. Figure 2 shows a water tank 2 which is filled with water 1, which is fed with the pump 3 from the tank 2 via a control valve 5 to a chamber 6 for the electron excitation 7. After the electron excitation 7, the highly excited water is fed to the chamber 8 with plasma electrodes 9. The unused water 11 is returned to the water tank 2 via the pump 12 and the control fitting 13. The gas mixture of hydrogen and oxygen 36 generated in the plasma chamber 8 is cooled in the heat exchanger 18 and the condensate 17 is returned to the water tank 2 via the pump 15 and control valve 16. The hydrogen and oxygen gas mixture 36 is compressed with a compressor 19, then a heat exchanger 20 is re-cooled, then fed via a control valve 23 to a membrane separation with ceramic membrane 37 into the gas flow hydrogen 25 and the oxygen gas flow 26 separated. The hydrogen 25 is then compressed by a compressor 21 and cooled by a heat exchanger 22.

Abbildung 3 Figure 3

Die Abbildung 3 zeigt einen Wassertank 2 der mit Wasser 1 befüllt wird, das mit der Pumpe 3 aus dem Tank 2 über eine Regelarmatur 5 eine Kammer 6 den Elektronenanregungen 7 zugeführt. Nach der Elektronenanregung 6 wird das hoch angeregte Wasser der Kammer 8 mit Plasmaelektroden 9 zugeführt. Das unverbrauchte Wasser 11 wird über die Pumpe 12 und die Regelarmatur 13 dem Wassertank 2 rückgeführt. Das in der Plasmakammer 8 erzeugte Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 36 wird im Wärmetauscher 18 abgekühlt und das Kondensat 17 über die Pumpe 15 und Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 rückgeführt. Das Wasserstoff und Sauerstoff Gasgemisch 36 wird mit einem Verdichter 19 verdichtet, dann einen Wärmetauscher 20 rückgeführt wird, dann über eine Regelarmatur 23 einer Druckwechseladsorption 24 zugeführt in den Gasstrom Wasserstoff 25 und den Sauerstoffgasstrom 26 aufgetrennt. Der Wasserstoff 25 wird dann über einen Verdichter 21 verdichtet, und über einen Wärmetauscher 22 abgekühlt. Figure 3 shows a water tank 2 which is filled with water 1, which is fed with the pump 3 from the tank 2 via a control valve 5 to a chamber 6 for the electron excitations 7. After the electron excitation 6, the highly excited water is fed to the chamber 8 with plasma electrodes 9. The unused water 11 is returned to the water tank 2 via the pump 12 and the control fitting 13. The gas mixture of hydrogen and oxygen 36 generated in the plasma chamber 8 is cooled in the heat exchanger 18 and the condensate 17 is returned to the water tank 2 via the pump 15 and control valve 16. The hydrogen and oxygen gas mixture 36 is compressed with a compressor 19, then a heat exchanger 20 is recirculated, then fed to a pressure swing adsorption 24 via a control valve 23, separated into the gas flow hydrogen 25 and the oxygen gas flow 26. The hydrogen 25 is then compressed by a compressor 21 and cooled by a heat exchanger 22.

Flüssiges Kohlendioxid 29 wird einem Kohlendioxidtank 30 zugeführt, indem flüssiges Kohlendioxid (CO2) gelagert wird. Das flüssige Kohlendioxid wird über die Pumpe 31 einem Liquid carbon dioxide 29 is supplied to a carbon dioxide tank 30 in which liquid carbon dioxide (CO2) is stored. The liquid carbon dioxide is via the pump 31 a

Verdampfer 32 zugeführt. Der Volumenstrom an Kohlendioxid wird über die Regelarmatur 33 geregelt. Der Wasserstoffgasstrom wird im Volumenstrom über die Regelarmatur 27 _ Evaporator 32 supplied. The volume flow of carbon dioxide is regulated via the control valve 33. The hydrogen gas flow is controlled in the volume flow via the control valve 27 _

geregelt, und zusammen mit Kohlendioxid in einer Mischkammer 34 gemischt und das so erzeugte synthetische Gas 35 erzeugt. regulated, and mixed together with carbon dioxide in a mixing chamber 34 and the synthetic gas 35 thus generated is generated.

Abbildung 4 Figure 4

Die Abbildung 4 zeigt eine mögliche Bauform eines Wasserplasmareaktors mit der tangentialen Einleitung von Wasser in die Elektronenanregungskammer 6 mit den Elektronenemittern 7, der Plasmakammer mit den Elektroden (Anode, Kathode ) 9 und der Figure 4 shows a possible design of a water plasma reactor with the tangential introduction of water into the electron excitation chamber 6 with the electron emitters 7, the plasma chamber with the electrodes (anode, cathode) 9 and the

Rückführung von unverbrauchtem Wasser 17, und der Ableitung des Gasgemisches aus ; Wasserstoff und Sauerstoff 36. Return of unused water 17, and the discharge of the gas mixture from; Hydrogen and oxygen 36.

Claims

Expectations

1. The method for generating a synthetic gas from carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2), comprising a water tank (2), an associated pump (3) with a control valve (5), a plasma chamber (8) with electrodes (9) , one

_ Gas separation chamber (10), a heat exchanger (18), a compressor (19) with associated heat exchanger (20), a control valve (23), a gas separation (24), a control valve (27) for hydrogen, a carbon dioxide tank (30), a pump (31) for carbon dioxide, a heat exchanger (32) for carbon dioxide, a control valve (33) for carbon dioxide, a mixing chamber (34);

Characterized by the fact that

- The water tank (2) has a minimum volume of 1000 liters, a maximum volume of 5000 liters,

- The water tank is filled with water that has an electrical conductivity of at least 10 uS / cm, maximum 300 uS / cm,

- An electrically driven piston pump (3) generates a minimum pressure of 1.1 bar, a maximum pressure of 2 bar,

- The volume flow (4) of water through the control valve (5) is a minimum of 1 liter / h and a maximum of 1000 L / h,

- The plasma chamber (8) is designed in the form of two coaxial cylinders, the water flow being formed as a Couette layer flow in the gap between the two cylinders, °

- The plasma chamber (8) in the form of two coaxial cylinders made of ceramic material has no electrical conductivity,.

- The speed between the cylinders has a minimum speed of 0.001 m / sec to a maximum of 0.1 m / sixth,;

- The water in the plasma chamber has a minimum temperature of 25 ° C to a maximum of 35 ° C,

- The electrodes (9) in the plasma chamber (8) made of iron (Fe) are electrically conductive,

- The electrodes (9) consist of a cathode and anode, which are arranged transversely to the direction of flow;

- The electrodes (9) are designed as cylindrical pins which are conical at the tip and have a minimum radius of curvature of 0.1mm to a maximum of 1 mm,; ;

- A minimum voltage of 0.1 kV to a maximum of 20 kV is applied to the electrodes (9),

- The voltage is applied to the electrodes (9) as a pulse with a minimum duration of 1 usec to a maximum of 1 msec,

- The frequency of the voltage pulses on the electrodes (9) is a minimum of 100 Hz to a maximum of 1,000,000 Hz,

- A plasma arc forms between the electrodes (9) and there is therefore a minimum distance between the electrodes (9) of 1 mm to a maximum of 10 mm, 5

The gas mixture (36) is discharged by the water flow and consists of hydrogen (H2), water vapor (H2O) and oxygen (02). In the heat exchanger (16) the water vapor in the gas mixture (36) at a

minimum temperature of 25 ° C and a maximum temperature of 85 ° C is condensed; ;

The hydraulically driven pistonless compressor (19) compresses the dry gas mixture (36) to a minimum pressure of 4 bar to a maximum of 8 bar,;

The heat exchanger (20) cools the compressed gas mixture (36) back to a temperature of a minimum of 20 ° C to a maximum of 35 ° C,

The gas separation (24) is designed in the form of a pressure swing adsorption, which separates the gas mixture into a hydrogen component (25) and an oxygen stream (24),

The hydraulically driven pistonless compressor (21) compresses the dry hydrogen gas (25) to a minimum pressure of 30 bar to a maximum of 70 bar,. ;

The heat exchanger (22) cools the compressed hydrogen gas (25) back to a temperature of a minimum of 20 ° C to a maximum of 35 ° C,

The control valve (27) regulates the volume flow of hydrogen gas (25) to a minimum value of 0.8 liters / h up to a maximum value of 800 liters / h; ;

The carbon dioxide tank (30) has a minimum volume of 1000 liters, a maximum volume of 5000 liters;

: The carbon dioxide tank (30) is filled with liquid carbon dioxide (29) which has a minimum temperature of 20 ° C to a maximum of 30 ° C,

The carbon dioxide tank (30) is filled with liquid carbon dioxide (29) and has a minimum pressure of 50 bar to a maximum of 70 bar,

An electrically driven piston pump (3) is used to convey the liquid carbon dioxide to an evaporator (32);

The evaporator (32) converts the carbon dioxide into a gaseous state at a minimum temperature of 85 ° C to a maximum of 125 ° C,

The volume flow of carbon dioxide (29) through the control valve (33) of a minimum of 1 liter / h and a maximum of 1000 L / h is _.

The carbon dioxide (29) and the hydrogen gas (25) in a mixing chamber (34) to a synthetic gas (35) with a minimum molar ratio of carbon dioxide (CO2) to hydrogen (H2) of 1: 1 up to a maximum ratio of 1 : 4 is mixed,

The pressure of the synthetic gas mixture (35) of carbon dioxide and hydrogen has a minimum pressure of 50 bar to a maximum of 70 bar,

The temperature of the synthetic gas mixture (35) of carbon dioxide and hydrogen has a minimum temperature of 25 ° C to a maximum of 85 ° C.

The method of claim 1 including gas separation (37)

Characterized by the fact that

- The gas separation (37) consists of cylindrical membranes which enable the separation of hydrogen (25) and oxygen (24) from the gas mixture (36),

- The membrane of the gas separation (37) consists of porous ceramic, the pore diameter of which is a minimum of 2.5 A to a maximum of 4 A and thus becomes permeable to the hydrogen,

- The pressure of the gas mixture (36) is a minimum of 4 bar to a maximum of 8 bar

- The temperature of the gas mixture (36) is at least 10 ° C to 25 ° C.

.. The method according to claim 1, comprising a pump (12} with an associated control valve (13);

Characterized by the fact that

- the electrically driven piston pump (12) circulates the water from the plasma chamber (8) and so the water has a minimum speed of 0.001 m / sec to a maximum of 0.1 m / sec,

- The control valve controls the volume flow of circulating water (11)

minimum volume flow of 1 L / h to maximum volume flow of 1000 L / h.

The method of claim 1, comprising an electron excitation chamber (6) with associated electron emitters (7)

Characterized by the fact that

- The chamber for electron excitation (6) is designed in the form of two coaxial cylinders, with the water flow forming a Couette layer flow in the gap between the two cylinders,

- the chamber for electron excitation (6) in the form of two coaxial cylinders made of ceramic material has no electrical conductivity,

- the speed of the water between the cylinders has a minimum speed of 0.001 m / sec to a maximum of 0.1 m / sec,

- the water in the electron excitation chamber (6) has a minimum temperature of 25 ° C to a maximum of 35 ° C;

- The electron emitter (7) is formed from an emitter cathode, an accelerating gate and a Lenard window, so that electrons with a

Diffuse energy from a minimum of 0.1 eV to a maximum of 3.0 eV into the flowing water,;

the electron density of the electron emitter (7) is a minimum of N = 1e + 10 / mol to a maximum of N = 1e + 23 / mol in the water,

the emitters (7) are arranged sequentially transversely to the flow direction and the emitters (7) are arranged in an alternating orientation,

A minimum voltage of 0.1 kV to a maximum of 20 kV is applied to the emitters (7),

the voltage is applied to the emitters (7) as a pulse with a minimum duration of 1 Wsec to a maximum of 1 msec,

the frequency of the electron pulses from the emitters (7) minimum 100 Hz to maximum. 1,000,000 Hz,

the water (5) is highly excited with electrons from the emitters (7) by dissolving and storing electrons in the water, in which hydrogen ions (H +) and hydroxide ions (OH-) are stored in the water.