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Das technische Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von Kohlenwasserstoffen, wie Benzin, Dieselöl, Heizöl oder Kerosin.
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Nach dem Stand der Technik werden Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Dieselöl,
Heizöl oder Kerosin ausschließlich aus fossilen Energieträgern, wie hauptsächlich
Erdöl und teilweise Erdgas und Kohle, hergestellt.
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Erdöl ist damit die unentbehrliche Grundlage des hohen Lebensstandards von ca.
20% der Weltbevölkerung in Nordamerika, Westeuropa, Australien und kleineren
Teilen Asiens und Afrikas mit PKW, LKW, Flugzeug, Schiff, Klimaanlage, Bauwesen
und jeder Art von effektiver industrieller und landwirtschaftlicher Produktion.
Die geschätzten Weltvorräte an Erdöl reichen je nach Schätzung noch 30-100 Jahre.
Die Hauptmengen an Erdölvorräten liegen vorwiegend in Regionen mit niedrigem
Lebensstandard mit aber ca. 80% der Weltbevölkerung.
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Der Streit der Menschen um Erdöl ist damit praktisch vorprogrammiert.
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Langfristig ist deshalb verstärkt mit militärischen und terroristischen
Auseinandersetzungen um Erdöl mit viel menschlichem Leid durch Verletzte und
Tote sowie gewaltigen Kosten zu rechnen.
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Eine Verknappung und Verteuerung von Erdöl ist langfristig ebenfalls zu erwarten.
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Die Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Dieselöl, Heizöl oder Kerosin, werden zur
Energieerzeugung im PKW, LKW, Flugzeug usw. mit dem Sauerstoff der
Erdatmosphäre zu Kohlendioxid und Wasser nach folgender Formel verbrannt:
2 (CH2) + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O.
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Obwohl das dabei in die Erdatmosphäre abgegebene Kohlendioxid zum großen Teil
wieder in Pflanzen, im Wasser und in der Erde gebunden wird, erhöht sich trotzdem
langfristig langsam der Kohlendioxidgehalt der Erdatmosphäre mit den daraus
folgenden, gefürchteten Klimaänderungen.
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Ziel der Erfindung ist es, von Erdölvorkommen unabhängig zu werden, um damit
menschliches Leid und gewaltige Kosten erzeugendes Konfliktpotential abzubauen
und Klimaänderungen vorzubeugen.
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Dieses Ziel wird erreicht, indem aus dem Kohlendioxid der Erdatmosphäre
Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Dieselöl, Heizöl oder Kerosin, hergestellt werden.
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Die so hergestellten Kohlenwasserstoffe werden, wie üblich, zur Energieerzeugung im
PKW, LKW, Flugzeug usw. eingesetzt und das dabei in die Erdatmosphäre
abgegebene Kohlendioxid erneut als Rohstoff zur Herstellung von
Kohlenwasserstoffen genutzt. Die Erfindung schafft damit die Grundlage für einen geschlossenen
Kohlendioxidkreislauf, der die Erhöhung des Kohlendioxidgehaltes der
Erdatmosphäre stoppt und damit Klimaänderungen vorbeugt.
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Die Herstellung der Kohlenwasserstoffe erfolgt in 4 Verfahrensschritten:
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In einem 1. Verfahrensschritt wird Kohlendioxid aus der Luft gewonnen:
2 CO2.
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In einem 2. Verfahrensschritt wird Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und
Sauerstoff gespalten. Der erzeugte Wasserstoff wird weiter verwendet und der
erzeugte Sauerstoff überwiegend in die Erdatmosphäre entlassen:
6 H2O → 6 H2 + 3 O2.
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In einem 3. Verfahrensschritt wird das aus der Luft gewonnene Kohlendioxid mit dem
durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasser umgesetzt:
2 CO2 + 2 H2 → 2 CO + 2 H2O.
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In einem 4. Verfahrenschritt wird das erzeugte Kohlenmonoxid mit weiterem
Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen und Wasser umgesetzt:
2 CO + 4 H2 → 2(CH2) + 2 H2O.
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Alle 4 Verfahrensschritte ergeben in der Summe exakt eine Umkehrung der
Energieerzeugungsreaktion, wie sie in Fahrzeugmotoren, Flugzeugtriebwerken und bei der
Heizung stattfindet:
2 CO2 + 2 H2O → 2(CH2) + 3 O2.
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Der für die 4 Verfahrensschritte nötige Energiebedarf wird von Kernenergie gedeckt,
d. h. ein Kernkraftwerk liefert die für die Wasserelektrolyse und die gesamte
Verfahrenstechnik nötige Elektroenergie.
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Aus 30 g Uran 235 (1 kg typisches Kraftwerksuran mit 3% U235 und 97% U238)
können etwa 360 000 kWh Elektroenergie und daraus mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren etwa 20 000 l Benzin, Dieselöl, Heizöl oder Kerosin hergestellt werden.
Aus dem Uran einer entsorgten, kleineren Atombombe lassen sich ca. 20 000 000 l
Kerosin herstellen, womit man ca. 100 000 Personen von Frankfurt a. M. nach New
York im Großraumflugzeug befördern kann.
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Die Erfindung hat außer dem konfliktverhindernden und dem Klimaveränderung-
verhindernden Element noch folgende, weitere Vorteile:
- 1. Die geschätzten Weltenergievorräte, basierend auf Uran, übertreffen die geschätzten
Weltenergievorräte, basierend auf Erdöl, Erdgas und Kohle um ein Mehrfaches von
den Möglichkeiten der Wiederaufarbeitung, der Brutreaktionen sowie eventuell der
Kernfusion ganz zu schweigen.
- 2. Durch die Bindung des Energieträgers Wasserstoff an den Energieträger Kohlenstoff
unter Ausbildung herkömmlicher Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Dieselöl, Heizöl
oder Kerosin muss der Endverbraucher (PKW, LKW, Schiff, Flugzeug, Ölheizung
usw.) und das Verteilsystem (Pipeline, Tankschiff, Kesselwagen, Straßentankzug,
Tankstelle usw.) nicht umgestellt werden, wie das z. B. bei Wasserstoffnutzung extrem
massiv oder auch bei Methanolnutzung noch sehr stark der Fall wäre. PKW's
benötigen auch weiterhin keinen Druckbehälter als Tank, und Flugzeuge und
Tankstellen brauchen nicht umkonstruiert und neugebaut werden.
- 3. Durch die Umwandlung der Kernenergie in Kohlenwasserstoffe und nicht in Strom
wird die Energie speicherbar. Weiterhin wird die Energieproduktion räumlich beliebig.
Die Anlage muss nicht, wie bei der Stromerzeugung, um Leitungsverluste zu
vermeiden, möglichst nahe an möglichst vielen Verbrauchern stehen, sondern sie
kann sich an beliebigen Plätzen der Erde befinden. Der produzierte
Kohlenwasserstoff wird per Schiff oder Bahn zum Verbraucher transportiert.
- 4. Alle erfindungsgemäß nötigen Verfahrensschritte sind bereits großtechnisch
ausgereifte Verfahren (2. und 4. Verfahrensschritt) bzw. lassen sich mit geringem (3.
Verfahrensschritt) oder mittlerem (1. Verfahrensschritt) Aufwand zur großtechnischen
Reife entwickeln.
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Frankreich betreibt gegenwärtig ca. 60 Kernreaktoren zur Elektroenergieerzeugung,
und die französische Firma "Framatome" baut hochmoderne, auf
Druckwasserreaktoren beruhende Kernkraftwerke zur Elektroenergieerzeugung nach dem Stand
der Technik mit bis 1450 MW elektrischer Leistung pro Reaktor.
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Die in den Jahren 1923-1925 in Deutschland entwickelte Fischer-Tropsch-Synthese
(4. Verfahrensschritt) wurde nach 1950 in den südafrikanischen "Sasol-Werken"
weiterentwickelt. Die Firma "Sasol Synthethic Fuels" produziert gegenwärtig je
Anlage nach dem Stand der Technik ca. 5000 Tonnen Benzin pro Tag. Trotz
gegenwärtig relativ niedriger Erdölpreise stammen immerhin 29% aller in Südafrika
eingesetzten Kraftstoffe aus der Fischer-Tropsch-Synthese. Durch Katalysator- und
Verfahrensbedingungsauswahl und eventuell nachgeschalteter
Isomerisierungskatalysatoren ist es möglich, die Synthese gezielt auf Benzin, Dieselöl/Heizöl oder
Kerosin zu lenken.
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Die alkalische Wasserelektrolyse bei Normaldruck (2. Verfahrensschritt) wird seit ca.
1920 kommerziell angewendet und ist ein ausgereiftes Verfahren. Zwar werden
gegenwärtig nur ca. 0,1% der Wasserstoffweltproduktin durch Elektrolyse
hergestellt; trotzdem sind das immerhin ca. 500 000 000 Kubikmeter Wasserstoffgas
pro Jahr. Die von der norwegischen Firma "Norsk Hydro Electrolysers" angebotenen
Wasserelektrolyse-Leistungseinheiten nach dem Stand der Technik reichen bis
125 MW elektrischer Leistung.
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Die Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und
Wasserdampf (3. Verfahrensschritt) wird zwar theoretisch im
Wassergasgleichgewicht beschrieben (oberer Pfeil); praktisch wird aber bisher nur die umgekehrte
Reaktion von Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff
(unterer Pfeil) genutzt:
2 CO2 + 2 H2 ⇄ 2 CO + 2 H2O.
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Bei dem in den Jahren 1908-1913 in Deutschland entwickelten und im wesentlichen
heute noch so durchgeführten Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese wird
bei der Kohlenmonoxidkonvertierung von Synthesegas Kohlenmonoxid und
Wasserdampf in Gegenwart eines Eisenoxid-Chromoxid-Katalysators zu
Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. Diese Reaktion wird im Weltmaßstab in
einer Menge von mehr als 10 000 000 Tonnen Kohlenmonoxid pro Jahr
durchgeführt.
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Ein erfinderischer Schritt besteht in der technischen Nutzung der
Wassergasgleichgewichtsreaktionen in entgegengesetzter Richtung:
Dazu wird ein Kohlendioxid-Wasserstoff-Gemisch bei ca. 1100°C über obigen
Katalysator geleitet und danach abgeschreckt, womit man ein Kohlenmonoxid-
Wasserdampf-Gemisch erhält.
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Die im 1. Verfahrensschritt beschriebene Kohlendioxidgewinnung aus der Luft ist der
schwierigste Teil des Gesamtverfahrens, von dem entscheidend die Wirtschaftlichkeit
des Gesamtverfahrens abhängt, da Luft im Durchschnitt nur 0,03 Vol% Kohlendioxid
(0,6 g Kohlendioxid pro Kubikmeter Luft) enthält.
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Für die Kohlendioxidgewinnung aus Luft kommen 2 existierende, technische
Verfahren in Frage:
- 1. Die Kohlendioxidextraktion mit Kaliumkarbonatlösung, wie sie ebenfalls bei der
Ammoniaksynthese verwendet wird:
Das bei der Kohlenmonoxidkonvertierung
anfallende Kohlendioxid wird mit Kaliumkarbonatlösung aus dem Synthesegas
absorbiert und die Kaliumkarbonatlösung anschließend durch Erwärmen und
Kohlendioxidabgabe regeneriert. Dieser Prozess ("Benfield-Prozess", "Vetrocoke-
Prozess", "Catacarb-Prozess") wird im Weltmaßstab zwar in einer Menge von mehr
als 10 000 000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr durchgeführt; allerdings hat das
Synthesegas einen Kohlendioxidgehalt von ca. 15 Vol%.
- 2. Die Kohlendioxidextraktion mit Molekularsiebadsorbern, wie sie bereits bei
Luftzerlegeranlagen eingesetzt wird:
Das Kohlendioxid der Luft wird am
Molekularsieb absorbiert und anschließend durch Erwärmung oder Druckminderung
desorbiert. Auch dieser Prozess wird bereits im großen Maßstab durchgeführt;
allerdings wird hier vor der Kohlendioxidadsorption die Luftfeuchtigkeit ausgefroren,
was bei der Behandlung extrem großer Luftmengen nicht möglich ist.
Ausführungsbeispiel
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Auf einem ca. 1 km2 großen Gelände in einer landwirtschaftlich und touristisch nicht
nutzbaren Meeresuferregion befinden sich ein Kernkraftwerk nach dem Stand der
Technik mit einer elektrischen Leistung von 1450 MW, eine Wasserelektrolysefabrik
nach dem Stand der Technik mit 10 Stück 125-MW-Elektrolyseanlagen, eine Fischer-
Tropsch-Anlage nach dem Stand der Technik mit einer Kapazität von 2000 Tonnen
Benzin pro Tag, ein Reaktor für den 3. Verfahrensschritt und ein
Kohlendioxidabsorber für die Behandlung von täglich ca. 10 km3 Luft zur Gewinnung von täglich
ca. 6000 Tonnen Kohlendioxid aus Luft.
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Der Kohlendioxidabsorber ist hierbei ein kühlturmähnliches Gebilde mit einem
Durchmesser von ca. 200 m und einer Höhe von ca. 100 m und arbeitet wie ein
Spray-Reaktor im Gegenstromprinzip: Von oben rieselt Kaliumcarbonatlösung herab,
und von unten wird Frischluft zugeführt. Die gebildete
Kaliumhydrogencarbonatlösung wird entsprechend dem Benfield-Prozess unter Kohlendioxidfreisetzung
regeneriert. Alle Anlagen sind entsprechend untereinander verbunden.
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Die bevorzugte Lage in einer Meeresuferregion hat folgende, technische Gründe:
- - gute Frischluft- und damit Kohlendioxidzufuhr durch genügend starken Wind,
- - guter Sauerstoffgasabtransport durch genügend starken Wind,
- - gute Kühlmöglichkeit für die Stromerzeugung,
- - gute Transportmöglichkeit für den erzeugten Kohlenwasserstoff per Schiff.