AT524753A1 - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasser und Wasserstoff - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasser (1) und Wasserstoff (17). Das Wasser (1) wird aus einem Wassertank (2) über eine Pumpe (3) einem Mischer (6) zugeführt in dem Wasser (1) mit Wasserstoff (17) aus dem Wasserstofftank (18) gemischt wird. Das Gemisch aus Wasser und Wasserstoff wird mit einer Pumpe (7) einem Verdampfer (9) und einem Überhitzer (10) zugeführt und dann mit Hilfe einer Plasmakammer (11) in ein Plasma umgewandelt und dann der magnetischen Düse (12) des MHD Generator (13) zugeführt. Im MHD Generator wird elektrische Energie an den Elektroden (20) angegriffen. Das entspannte Gemisch aus Wasserdampf und Wasser wird über den Überhitzer (10) und Verdampfer (9) abgekühlt und dann einem Kondensator (14) zugeführt. Das kondensierte Wasser wird dem Wassertank rückgeführt, der verbleibende Wasserstoff dem Mischer (6) beigemengt. Neben der Rückgewinnung der Wärme aus dem MHD Generator (13) über die Wärmetauscher (9,10) wird ein Teil des Wasserstoffes (17) in einer Brennkammer (22) zusammen mit Sauerstoff (23) zu heißem Wasserdampf oxidiert und über die Wärmetauscher (24,25) wird der Wasserdampf abgekühlt und im Kondensator (26) der Wasserdampf kondensiert. Das Wasser wird in den Wassertank (2) rückgeführt, inerte Gase werden an die Umgebung abgegeben.

Description

Das Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasser 1 und Wasserstoff 17. Das Wasser 1 wird aus einem Wassertank 2 über eine Pumpe 3 einem Mischer 6 zugeführt in dem Wasser 1 mit Wasserstoff 17 aus dem Wasserstofftank 18 gemischt wird. Das Gemisch aus Wasser und Wasserstoff wird mit einer Pumpe 7 einem Verdampfer 9 und einem Überhitzer 10 zugeführt und dann mit Hilfe einer Plasmakammer 11 in ein Plasma umgewandelt und dann der magnetischen Düse 12 des MHD Generator 13 zugeführt. Im MHD Generator wird elektrische Energie an den Elektroden 20 angegriffen. Das entspannte Gemisch aus Wasserdampf und Wasser wird über den Überhitzer 10 und Verdampfer 9 abgekühlt und dann einem Kondensator 14 zugeführt. Das kondensierte Wasser wird dem Wassertank rückgeführt, der verbleibende Wasserstoff dem Mischer 6 beigemengt. Neben der Rückgewinnung der Wärme aus dem MHD Generator 13 über die Wärmetauscher 9,10 wird ein Teil des Wasserstoffes 17 in einer Brennkammer 22 zusammen mit Sauerstoff 23 zu heißem Wasserdampf oxidiert und über die Wärmetauscher 24, 25 wird der Wasserdampf abgekühlt und im Kondensator 26 der Wasserdampf kondensiert. Das Wasser wird in den Wassertank 2 rückgeführt, inerte Gase werden an die Umgebung abgegeben.

Grüner Wasserstoff nach der Erneuerbaren Direktive der Europäischen Union (2001/2018/EU) ist Wasserstoff der mit Hilfe von Elektrolyse erzeugt wird, wobei die elektrische Energie aus erneuerbaren Energieformen erzeugt wird, Wasserstoff der mit Hilfe Reformierung von Biogas erzeugt wird. Wasserstoff der aus der Vergasung oder Pyrolyse von Biomasse erzeugt wird. Eine weitere Eigenschaft ist die Nutzung und Verwertung von Kohlendioxid, denn Wasserstoff alleine reicht nicht aus. Als erneuerbare Energieformen werden in der EU in Betracht genommen: solare Energie, Windenergie, Kleinwasserkraft, Biogas und Biomasse.

In der automotiven Anwendung werden Brennstoffzellen zur Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff verwendet. Die Idee der Brennstoffzelle ist denkbar einfach. Sie wurde von Sir William Groove entwickelt und hatte lange Zeit kaum eine Anwendung. Alvar Edision entwickelte die Eisen Nickel Batterie, die heute noch bei Fahrzeugen der Firma Ford eingesetzt wird. Er prophezeite der Brennstoffzelle eine Zukunft.

Anfang des 21. Jahrhundert begann man bei der Fa. Mercedes mit der Entwicklung von Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die Anforderungen an die Brennstoffzelle waren einfach und doch in der Folge sehr komplex. Es soll Wasserstoff mit Luftsauerstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Die Temperaturen der Brennstoffzelle sollten 85°C nicht überschreiten. Das führte zu den Anwendungen der Polymerelektrolytzelle auch als PEM Zelle bezeichnet, die jedoch auch erhebliche technische Nachteile aufweist. Die Reinheit von Wasserstoff nach der EN 14 687:2019 entspricht einer Reinheit 3.0. [1]. Das ist nach der Norm zwar zulässig, aber technisch ergeben sich keine zuverlässige Lösungen.

Die Aufgabe, die nun gestellt wird, ist es, eine Alternative Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff anstelle der bekannten Brennstoffzelle zu finden.

Die Erfindung löst die Aufgabe zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff 17 durch die Verwendung eines magnethydrodynamischen Generators 13, dem ein Plasma 11 aus Wasserdampf und Wasserstoff zugeführt wird.

Magnethydrodynamischer Generator versteht man ein leitfähiges Fluid wird in einem Magnetfeld bewegt, und dadurch wird eine elektromotorische Kraft induziert, die einem

Die Stromdichte im Generator hat folgenden Zusammenhang J]=Faraday Generatorbauweise wird heute nicht mehr angewendet. Darunter versteht man zwei Elektroden, die über die Länge des Entspannungskanales wirksam sind.

Die Bauweise als Hall Generator beinhaltet, dass die Elektroden entlang des Entspannungskanales segmentiert werden. Zudem werden die Elektroden kurzgeschalten und das Spannungspotenzial wird zwischen der ersten kurz geschaltenen Elektrode und der letzten kurz geschalten Elektrode definiert. Die Verbraucherlast wird zwischen der ersten Elektrode und der letzten Elektrode definiert. Für die Abschätzung wird auch der Hallparameter definiert

ß = WB

Definiert man einen Leistungsfaktor K, dann kann man die elektrische Leistungsdichte wie folgt angeben:

N E vBBß

vergrößert, was bedeutet, dass man hohe magnetische Induktionen aufbauen kann. Typische Werte für die magnetische Induktion B sind 20 T.

Die Leitfähigkeit des Mediums kann auf zwei Weisen verbessert werden: einerseits hohe Temperaturen, was den Einsatz von keramischen Werkstoffen bedeutet. Anstatt ein Seedmaterial zu verwenden, das erst bei höheren Temperaturen ionisiert wird, ist die Verwendung eines sehr dichten Plasmas mit einer großen Anzahl an elektrischen Ladungen sinnvoll. Unter einer Ladung versteht man negative und positive Ladungen. Die Erzeugung eines Plasmas kann man mit starken Magnetfeldern bei gasförmigen Fluiden erreichen.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Plasmas ist die Eigenschaft, dass kein Seedmaterial aus dem Abgas aus dem MHD Generator rückgewonnen werden muss.

Die Erfindung basiert auf der Erzeugung eines Wasserdampfplasmas in der Plasmakammer 11 und durch die Mischung 6 mit Wasserstoff 17 ergibt sich ein Plasma mit hoher Dichte an Protonen und Elektronen.

Die hohen gewünschten Temperaturen des Dampfgemisches aus Wasserdampf und Wasserstoff wird mit Hilfe des Überhitzers als Wärmetauscher 10 erreicht. Die Verdampfung des Gemisches aus Wasserdampf und Wasserstoff erfolgt in dem Wärmetauscher 9.

Das Plasma aus der Plasmakammer 11 wird in der Düsenbereich des MHD Generators 13 eingeleitet. Die Düse ist von starken magnetischen Spulen umkleide, um so zu verhindern, dass das dichte Plasma in sich zusammenbricht. Durch die Düsenform mit einem langen Entspannungskanal wird die Form des MHD Generators definiert. Der Entspannungskanal ist mit segmentierten Elektroden ausgestattet, die nach dem Prinzip des Hallgenerators verschalten sind. In einem Winkel von 90° zu den Elektroden befinden sich die magnetischen Spulen die abwechselnd mit Nordpol und Südpol aneinandergereiht sind.

Am Ende des Plasmagenerator wird ein entspanntes aber heißes Gasgemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff über die Wärmetauscher 9,10 abgekühlt. Damit kann ein Teil der thermischen Energie nach den Rückgewinnungsprinzip rückgewonnen werden.

Das abgekühlte Gasgemisch wird in einem Kondensator 14 kondensiert, wobei der Wasserdampf als Kondensat in den Wassertank rückgeführt wird. Der verbleibende Wasserstoff wird dem Mischer 6 beigemischt.

Wasserstoff 17 wird in einem Tank 18 in gasförmiger Phase gespeichert und dem MHD Generator je nach Leistungsbedarf beigemischt.

Wasser 1 in Form von destilliertem Wasser wird in einem Wassertank 2 gespeichert und als Trägermedium für den Wasserstoff eingesetzt. Wasser 1 wird über eine Pumpe 3 aus dem Tank abgesaugt und verdichtet und mit dem Wärmetauscher 5 vorgewärmt. Wasser und Wasserstoff werden im Mischer 6 zu einer Suspension gemischt. Als Mischungsverhältnis wird eine Konzentration an Wasserstoff von 10% bis 30% angestrebt. Das Mischungsverhältnis ergibt sich aus der angeforderten elektrischen Leistung.

Neben der Rückgewinnung der Wärme aus dem MHD Generator 13 über die Wärmetauscher 9,10 wird ein Teil des Wasserstoffes 17 in einer Brennkammer 22 zusammen mit Sauerstoff 23 zu heißem Wasserdampf oxidiert und über die Wärmetauscher 24,25 wird der Wasserdampf abgekühlt und im Kondensator 26 der Wasserdampf

Die Anwendung dieser Erfindung ist im kleinen Leistungsbereich von 10kW ele bis mittlere Leistungen von 5000 kW ele möglich. Das Prinzip des MHD Generator ist einfach, robust und stabil. Was auch eine besondere Eigenschaft bei der Verwendung eines MHD Generators ist, ist die geringere Anforderung der Reinheit von Wasserstoff, es genügt schon eine Reinheit 2.0.

Verwendet werden soll mit dieser Erfindung grüner Wasserstoff der nach der Erneuerbaren Energie Richtlinie der EU erzeugt worden ist. Damit ist auch die Ursprungsenergie in Form von erneuerbarer Energie definiert, wobei man unter erneuerbarer Energie solare Energie, Windenergie, Kleinwasserkraft und Biomasse versteht.

Die Anwendung der Energieerzeugung mit stationären Anlagen und mobilen Anlagen erfolgen. Bei der stationären Anwendung spricht man von Kraft Wärmekopplung. Bei mobilen Anlagen ist nur die elektrische Leistung von Interesse.

Destilliertes Wasser

2 Wassertank 3 Pumpe 4 Regelarmatur 5 Wärmetauscher 6 Mischer: Wasser und Wasserstoff 7 Pumpe 8 Regelarmatur 9 Verdampfer 10 Überhitzer 11 Plasmakammer ( wird durch Magnetfelder erzeugt ) 12 Plasmadüse MHD Generator 13 MHD Generator 14 Kondensator 15 Regelarmatur 16 Regelarmatur 17 Wasserstoff 18 Wasserstofftank 19 Regelarmatur 20 MHD Elektroden 21 Regelarmatur 22 Brennkammer 23 Sauerstoff 24 Wärmetauscher 25 Wärmetauscher 26 Kondensator 27 Regelarmatur 28 Regelarmatur Zeichen H2 Wasserstoff H20 destilliertes Wasser MHD Magnethydrodynamischer Generator Symbole J Stromdichte ( A/m?) E Elektrische Feld V Geschwindigkeit des Plasma (m/sec) B magnetische Flussdichte F Kraft (N) P Leistung (W) Ne Anzahl der Teilchen e elektrische Ladung ( C ) u Permeakbilität

Literatur

[1] DIN 17 124: 2019: die Reinheit von Wasserstoff wird definiert durch Zahlen. Z.B. 3.0, das bedeutet dann, es sind 99,9% Wasserstoff in dem Tank gefüllt und 0,1% andere Gase wie z.B. Helium, Argon, Sauerstoff, ... Die erste Ziffer gibt die Anzahl der 9 an, die zweite Ziffer folgt nach dem letzten 9.

Die Abbildung 1 zeigt einen Wassertank 2 für destilliertes Wasser 1, aus dem Wasser mit einer Pumpe 3 über die zugehörige Regelarmatur 4 und einen Wärmetauscher 5 als Vorwärmer das destillierte Wasser zu dem Mischer 6 leitet. In dem Mischer 6 wird Wasser mit Wasserstoff 17 aus einem Wasserstofftank 18 über die Regelarmatur 19 dem Mischer 6 zugeführt. Das Gemisch aus Wasser und Wasserstoff wird über eine Pumpe verdichtet und über die Regelarmatur einem Verdampfer 9 und einem Überhitzer 10 zugeführt. Das überhitzte dampfförmiges Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff wird einer Plasmakammer 11 zugeführt. In der Kammer erfolgt mit Hilfe starker Magnete eine Umwandlung des Gas Dampfgemisches in ein Plasma, das dem MHD Generator 13 zugeführt wird. Das Plasma wird über eine Plasmadüse 12 und über den Expansionsteil des Generators entspannt. Der Entspannungsteil besitzt Elektroden 20 die in dem Magnetfeld die elektrische Leistung erzeugt. Das entspannte Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf wird über den Überhitzer 10 und Verdampfer 9 geleitet und der Wasserdampf im Kondensator 14 kondensiert. Das Kondensat wird über die Regelarmatur 16 in den Wassertank 2 entspannt. Der Wasserstoff wird über die Regelarmatur 15 dem Mischer 6 zugeführt. Neben der Rückgewinnung der Wärme aus dem MHD Generator 13 über die Wärmetauscher 9,10 wird ein Teil des Wasserstoffes 17 in einer Brennkammer 22 zusammen mit Sauerstoff 23 zu heißem Wasserdampf oxidiert und über die Wärmetauscher 24, 25 wird der Wasserdampf abgekühlt und im Kondensator 26 der Wasserdampf kondensiert. Das Wasser wird in den Wassertank 2 rückgeführt, inerte Gase werden an die Umgebung abgegeben.

Claims (1)

1. Das Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasser und Wasserstoff, umfassend, einen Wassertank (2), einen Wasserstofftank (18), eine Pumpe (3), eine Pumpe (7), einen Mischer (6), einen Verdampfer (9), einen Überhitzer (10), eine Plasmakammer (11), einen MHD Generator (13), einen Kondensator (14), eine Brennkammer (22), Wärmetauscher (24,25), einen Kondensator (26)

Gekennzeichnet dadurch, dass

- ein Wassertank (7) ein Volumen von minimal 1 m*, maximal 10m® hat, - In einem Wassertank (7) das destillierte Wasser (1) eine elektrische Leitfähigkeit von minimal 3uS/cm, maximal 300uS/cm hat,

- ein Wasserstofftank (18) ein Volumen von minimal 1 Liter, bis maximal 1000 Liter hat,

- In einem Wasserstofftank (18) eine Masse an Wasserstoff von minimal 1 kg, maximal 15 kg gespeichert ist,

- der Wasserstoff (17) gasförmige Phase hat

- der Wasserstoff (17) eine Reinheit von minimal 2.0, maximal 7.0 hat

- In einem Mischer (6) der Massenanteil an Wasserstoff bezogen auf Wasser einen Wert minimal von 0,05, maximal von 0,3 hat

- in einem Mischer (6) der druck einen Wert minimal von 1bar, maximal von 20 bar hat,

- In einem Mischer (6) die Temperatur einen Wert minimal von 1°C, maximal von 25°C hat,

- in einer Plasmakammer (11) die magnetische Flussdichte einen Wert von minimal 1T, maximal 20T hat,

- in einer Plasmakammer (11) das Plasma eine Temperatur minimal von 600°C, maximal von 1600°C hat,

- in einer Plasmakammer (11) das Plasma einen Druck minimal von 12 bar, maximal von 100 bar hat,

- in einem MHD Generator (13) eine elektrische Leistung von minimal 1kW, maximal 500 kW erzeugt wird,

- in einem MHD Generator (13) die Spannung zwischen den segmentierten Plattenelektroden (20) einen Wert von minimal 1,25 V, maximal 100V hat,

- in einem MHD Generator (13) die Stromdichte in den segmentierten Plattenelektroden (20) einen Wert von minimal 50mA/cm?, maximal 500 A/cm? hat,

- in einem MHD Generator (13) die magnetische Flussdichte quer zu den segmentierten Plattenelektroden (20) einen Wert von minimal 17T, maximal 20T hat,

- in einem MHD Generator (13) das Plasma aus der Plasmakammer (11) eine Temperatur minimal von 600°C, maximal von 2200°C hat,

- in einem MHD Generator (13) das Plasma aus der Plasmakammer (11) einen Druck minimal von 12bar, maximal von 100bar hat,

- in einem MHD Generator (13) das Plasma aus der Plasmakammer (11) eine Teilchendichte minimal von 10° /m®, maximal von 10° /m?® hat,

- In einem MHD Generator (13) das Plasma aus der Plasmakammer (11) eine Geschwindigkeit minimal von 1 Mach, maximal von 10 Mach hat,

eine Pumpe (3) als hydraulische Kolbenpumpe eine elektrische Leistung minimal 1 kW, maximal 500 kW hat,

eine Pumpe (3) einen Druck minimal 1 bar, maximal 20 bar erzeugt,

eine Pumpe (3) einen Volumenstrom des Wassers (1) minimal 0.1m*/h, maximal 2500 m*/h fördert,

Das Wasser (1) nach der Pumpe (3) eine minimale Temperatur von 5°C, maximal 20°C hat,

eine Pumpe (7) als hydraulische Kolbenpumpe eine elektrische Leistung minimal 1 kW, maximal 500 kW hat,

eine Pumpe (7) einen Druck minimal 1 bar, maximal 100 bar erzeugt,

eine Pumpe (7) einen Volumenstrom des Wassers (1) minimal 0.1m*/h, maximal 2500 m*/h fördert,

Das Wasser (7) nach der Pumpe (5) eine minimale Temperatur von 5°C, maximal 20°C hat,

In einem Wärmetauscher (9) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (9) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 100°C, maximal 250°C hat,

In einem Wärmetauscher (10) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (10) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 100°C, maximal 1600°C hat,

In einem Wärmetauscher (14) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (14) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 1°C, maximal 50°C hat,

In einer Brennkammer (22) Wasserstoff (17) mit Sauerstoff (23) zu Wasserdampf oxidiert wird,

In einer Brennkammer (22) der Wasserdampf einen Druck von minimal 1bar, maximal 100 bar hat,

In einer Brennkammer (22) der Wasserdampf eine Temperatur von minimal 400°C, maximal 1800°C hat.

In einem Wärmetauscher (24) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (24) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 100°C, maximal 250°C hat,

In einem Wärmetauscher (25) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (25) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 100°C, maximal 2200°C hat,

In einem Wärmetauscher (26) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf einen Druck minimal von 1 bar, maximal von 100 bar hat,

In einem Wärmetauscher (26) das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf eine Temperatur minimal von 1°C, maximal 50°C hat,