DE102006030449A1 - Reversible storage of hydrogen using inorganic as potassium carbonate and/or potassium hydrogen carbonate by supply of the inorganic in aqueous solution in reactor vessel, catalytic treatment of the inorganic and splitting of oxygen - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Wasserstoff unter Verwendung von Kaliumcarbonat und/oder Kaliumhydrogencarbonat.The The invention relates to a method for storing hydrogen under Use of potassium carbonate and / or potassium bicarbonate.
Mit vielfältigen Methoden wird versucht Energie zu gewinnen und in Form von Wasserstoff zu speichern. Bei diesen Verfahren wird der Wasserstoff z.B. über Elektrolyse, Photolyse oder Thermolyse gewonnen. Als Beispiel sei ein Verfahren genannt, mit dem im industriellen Maßstab Zinkoxid (ZnO) in Sonnenkonzentratoren als Reaktor bei über 2000 °C thermolytisch in Zink (Zn) und Sauerstoff (O2) gespalten wird. Das Zink wird im Weiteren dazu benutzt, um Wasser zu spalten und so Wasserstoff freizusetzen. Dabei wird es wieder zu ZnO oxidiert und im Reaktor erneut verwendet. Ein Transport des Zinks zum Ort des Energiebedarfes und Rücktransport des Zinkoxides zum Reaktor ist aus Gewichtsgründen unrentabel. Daher wird zur Verteilung der gewonnenen Energie der Wasserstoff direkt, oder der daraus mit Hilfe von Brennstoffzellen erzeugte Strom verwendet.Various methods are used to recover energy and store it in the form of hydrogen. In these processes, the hydrogen is obtained, for example, via electrolysis, photolysis or thermolysis. By way of example, mention may be made of a method by which zinc oxide (ZnO) in solar concentrators as a reactor is thermolytically split into zinc (Zn) and oxygen (O 2 ) at temperatures above 2000 ° C. on an industrial scale. The zinc is then used to break down water to release hydrogen. It is again oxidized to ZnO and reused in the reactor. Transport of the zinc to the place of energy demand and return of the zinc oxide to the reactor is unprofitable for reasons of weight. Therefore, to distribute the recovered energy, the hydrogen is used directly or the power generated therefrom by means of fuel cells.
Weitere bekannte Verfahren liegen im Bereich der Photolyse, in denen Wasser durch Einstrahlung von Sonnenlicht mit verschiedensten Katalysatoren als Akzeptor in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Der dabei (bisher im Labormaßstab) erreichte Wirkungsgrad der Umsetzung des Lichtes liegt über dem von bekannten Photovoltaik-Sonnenkollektoren.Further known methods are in the field of photolysis, in which water by irradiation of sunlight with various catalysts as an acceptor is split into hydrogen and oxygen. The case (previously on a laboratory scale) achieved conversion efficiency of the light is above the from known photovoltaic solar panels.
Wasserstoff entsteht ebenfalls in größeren Mengen als Abfallprodukt in der Industrie, z. B. bei der Chlorverarbeitung und bei der Raffinierung von Rohölprodukten zu Kraftstoffen und Heizöl.hydrogen also arises in larger quantities as a waste product in the industry, eg. B. in the chlorine processing and in the refining of crude oil products to fuels and fuel oil.
Alle Verfahren der Energiegewinnung aus regenerativen Energien in den Bereichen Solar-, Gezeiten- und Windenergie stellen keine vergleichbar kontinuierlich verfügbare Energiequelle dar, wie es die Fossile Energie oder Atomkraft sind. Erst durch den Einsatz eines Puffers, wie z.B. Wasserstoff, als Energiespeicher wird eine kontinuierliche Verfügbarkeit der gewonnenen Energie erreicht, die als elektrische oder thermische Energie bei Bedarf genutzt werden kann.All Process of energy production from regenerative energies in the Solar, tidal and wind energy sectors do not provide a comparably continuous available Energy source, as it is the fossil energy or nuclear power. Only through the use of a buffer, such as Hydrogen, as energy storage will be a continuous availability the energy obtained reaches as electrical or thermal Energy can be used if necessary.
Der entscheidende Nachteil von gasförmigem Wasserstoff liegt in seiner geringen Dichte. Dies führt bereits bei geringen Mengen zu riesigen Volumen (1 Liter gasförmiger Wasserstoff wiegt 0,089958 bei 0°C). Erhöhte Dichte wird in Drucktanks (weit über 500 bar) oder durch Verflüssigung erreicht. Der dafür notwendige Aufwand an Technik- und Energie führt aber nur zu unbefriedigenden Ergebnissen. Z. B. muss flüssiger Wasserstoff beständig gekühlt und unter Druck gehalten werden, um ein Verdampfen (Siedepunkt –252,8 °C) zu vermeiden. Was wiederum nur mit erhöhtem Aufwand an Energie geleistet werden kann. Dieser Umstand führt bei dem oben genannten Beispiel von Wasserstoff als Abfallprodukt der chemischen Industrie und in Erdölraffinerien aufgrund der schlechten Handhabbarkeit der Speicherung zu ungenutztem, kontrollierten Abfackeln des kostbaren Wasserstoffs.Of the decisive disadvantage of gaseous Hydrogen is in its low density. This already leads at low volumes to huge volumes (1 liter of gaseous hydrogen weighs 0.089958 at 0 ° C). Increased Density is in pressure tanks (far over 500 bar) or by liquefaction reached. The one for it However, the necessary amount of technical and energy leads only to unsatisfactory Results. For example, must be more fluid Hydrogen resistant chilled and under pressure to avoid evaporation (boiling point -252.8 ° C). Which in turn only with increased Expenditure of energy can be made. This circumstance leads to the above example of hydrogen as a waste product of chemical industry and oil refineries due to the poor handling of storage to unused, controlled flaring of precious hydrogen.
Wasserstoff lässt sich in höherer Dichte chemisch binden bzw. speichern, z. B. in Metallhydriden wie z. B. MgH2, AlH2, LiH oder CaH2. Hierzu benötigt man je nach Metallhydrid zum Be- und Entladen wechselweise erhöhte Drücke, Kühlung und hohe Temperaturen über 200 °C. Die Handhabung z.B. in Alanaten (AlH2) ist nur mit kleineren technisch sehr aufwändigen, wasserstoffdichten, druckfesten „Tanks" möglich. Diese müssen mit Vorrichtungen zum Erhitzen und Kühlen sowie kapillaren Ein- und Ausleitungen für das Wasserstoffgas zu den nanometergroßen Al-Aggregaten ausgestattet sein. Hierdurch steigt das „Verpackungsgewicht" enorm und lässt Speicherung und Transport größerer Mengen Wasserstoffs unrentabel werden.Hydrogen can be chemically bound or stored in higher density, eg. B. in metal hydrides such. As MgH 2 , AlH 2 , LiH or CaH 2 . Depending on the metal hydride, this requires alternately increased pressures, cooling and high temperatures above 200 ° C for loading and unloading. Handling eg in alanates (AlH 2 ) is only possible with smaller, technically complex, hydrogen-tight, pressure-resistant "tanks." These must be equipped with devices for heating and cooling as well as capillary inlets and outlets for the hydrogen gas to the nanometer-sized Al aggregates As a result, the "packaging weight" increases enormously and makes the storage and transport of large quantities of hydrogen unprofitable.
Im
Stand der Technik mangelt es nicht an effektiven Technologien zur
Umwandlung der Energie aus Wasserstoff in Strom. Beispielhaft sei
auf die folgenden Patente und Patentanmeldungen verwiesen:
Aus JESSOP, Philip, G., et. al.: Homogeneous Hydrogenation of Carbon Dioxide. In: Chemical Reviews, Vol. 95, No. 2, 1995, S. 259-272; S. 263, Abs. B, ist ein Umwandlungsverfahren von Kohlendioxid (CO2) in Kohlenmonoxyd (CO) unter Verwendung von Katalysatoren der Gruppe 8, nämlich Pd und Ru, in wässriger Lösung bekannt.From JESSOP, Philip, G., et. al .: Homogeneous Hydrogenation of Carbon Dioxide. In: Chemical Reviews, Vol. 95, no. 2, 1995, pp. 259-272; P. 263, para. B, a conversion process of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO) using Group 8 catalysts, namely Pd and Ru, in aqueous solution is known.
Aus KUDO, K., et. al.: Kinetic Study on the Synthesis of Alkali Formate from Carbon Dioxide and Hydrogen Catalyzed by Palladium (II) Chloride in an Aqueous Alkali Solution. In: Nihon Kagaku Kaishi, 1977, No. 3, S. 302-309; S. 307, Gleichungen I bis V, Abst., ist ein Umsetzungsverfahren von Carbondioxid unter Verwendung eines Katalysators aus Palladium (II) Chloride in wässriger Lösung bekannt.Out KUDO, K., et. al .: Kinetic Study on the Synthesis of Alkali Formats from Carbon Dioxide and Hydrogen Catalyzed by Palladium (II) Chlorides in an Aqueous Alkali Solution. In: Nihon Kagaku Kaishi, 1977, no. 3, pp. 302-309; P. 307, Equations I to V, Abst., Is a transposition procedure of carbon dioxide using a catalyst of palladium (II) Chlorides in aqueous solution known.
Aus INOUE, Y., et. al.: Catalytic Fixation of Carbon Dioxide to Formic Acid by Transition-Metal Complexes under mild Conditions. In: Chemistry Letters, 1976, S. 863, 864; ganze Schrift, ist ein Umwandlungsverfahren von CO2 in CO unter Verwendung eines TI-Chloridmagnesiumsystems (TiCl4-Mg) in wässriger Lösung bekannt. Auch hier kommen Katalysatoren der Gruppe 8 zur Anwendung. Keine der drei vorgenannten Aufsätze befassen sich mit der Speicherung von Wasserstoff gemäß der hier vorliegenden Erfindung. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die verwendeten Katalysatoren für Groß serieneinsätze in autarken Reaktoren kostenprägend und umweltbelastend sind.From INOUE, Y., et. al .: Catalytic Fixation of Carbon Dioxide to Formic Acid by Transition-Metal Complex under mild Conditions. In: Chemistry Letters, 1976, p. 863, 864; As a whole, a conversion process of CO 2 to CO using a TI chloride magnesium system (TiCl 4 -Mg) in aqueous solution is known. Again, Group 8 catalysts are used. None of the three aforementioned articles are concerned with the storage of hydrogen according to the present invention ing invention. Furthermore, it has been shown that the catalysts used for large series applications in self-sufficient reactors are cost-intensive and polluting.
Aus
der
Aus der JP 06-0 93 485 A ist ein Reduktionsverfahren für CO2-Gas bekannt, bei dem verschiedene Katalysatoren, wie Pt-Katalysatoren, zur Anwendung kommen.From JP 06-0 93 485 A, a reduction process for CO 2 gas is known in which various catalysts, such as Pt catalysts, are used.
Aus der JP 06-1 58 374 A ist ein Verfahren zur Produktion von Ameisensäure aus CO2 zur Speicherung von Energie unter Verwendung von Licht bekannt.From JP 06-1 58 374 A a method for the production of formic acid from CO 2 for the storage of energy using light is known.
Ein ähnliches Verfahren unter Verwendung von Licht zum Reduzieren von CO2-Dioxiden ist aus der JP 05-3 11 476 A bekannt.A similar method using light to reduce CO 2 dioxides is known from JP 05-311476 A.
Aus
der
Ähnliche
Reduktionsverfahren unter Verwendung einer Lichtquelle sind auch
aus den US-Patentschriften 4 609 451 und 4 523 981 bekannt, wobei diese
auch ein Speicherverfahren für
Wasserstoff angeben. Die reduzierten CO2-Produkte
werden dabei mittels Pumpe in eine Speichereinrichtung gedrückt. Des
Weiteren ist aus der
Auch zur Nutzung der thermischen Energie durch direkte Verbrennung des Wasserstoffs sind Lösungen bekannt. Z. B. wird bei BMW® damit experimentiert, anstelle einer Brennstoffzelle die Einspritzung von Wasserstoff in einen Verbrennungsmotor vorzusehen und für die Zukunft zu favorisieren.Also, to use the thermal energy by direct combustion of hydrogen solutions are known. For example, BMW® is experimenting with the idea of injecting hydrogen into an internal combustion engine instead of a fuel cell and favoring it for the future.
Die vielfältigen vorhandenen Wasserstoff-Technologien zur Energiegewinnung und Energienutzung zeigen den Bedarf für ein sinnvolles Wasserstoff Transport- und Speichermedium. Am Beispiel der Fossilen Energie (hier hauptsächlich Benzol) offenbaren sich die Vorteile flüssiger Kohlenwasserstoffe in Punkto Handhabung und Energiegehalt.The diverse existing hydrogen technologies for energy and energy use show the need for a meaningful hydrogen transport and storage medium. Exemplary Fossil energy (here mainly benzene) is revealed the benefits of liquid Hydrocarbons in terms of handling and energy content.
Im Bereich der niederen Kohlenwasserstoffe, mit möglichst niedrigem Kohlenstoff- und möglichst hohem Wasserstoffanteil, bieten sich in erster Linie Methanol und Ameisensäure an. Jedoch ist nach dem augenblicklichen Stand der Technik zu deren Herstellung aus Wasserstoff und Kohlendioxid, bzw. Kohlenmonoxid bei hohen Drücken (> 50 bar) und hohen Temperaturen (> 280 °C) ebenfalls hoher technischer und energetischer Aufwand notwendig, der nur im großindustriellen Maßstab lohnenswert durchgeführt werden kann. In der DE-PS 28 51 225 wird ein Verfahren mittels elektro-chemischer Erzeugung von Ameisensäure vorgeschlagen. Allerdings bietet dieses Verfahren keine Nutzung zur Speicherung von vorliegendem Wasserstoff an. Ferner nutzt sie als einzubringendes Gas Kohlendioxid. Wobei für dessen Herstellung, Verdichtung und Handhabung zusätzlicher Aufwand betrieben und beachtet werden muss.in the Range of lower hydrocarbons, with the lowest possible carbon and as possible high hydrogen content, are primarily methanol and formic acid at. However, according to the current state of the art to their Production from hydrogen and carbon dioxide, or carbon monoxide at high pressures (> 50 bar) and high Temperatures (> 280 ° C) also high technical and energetic effort necessary only in the large industrial scale worthwhile can be. In DE-PS 28 51 225 a method by means of electro-chemical Production of formic acid proposed. However, this procedure does not offer any use for storing hydrogen present. Further, she uses as the gas to be introduced carbon dioxide. And for its production, compaction and handling additional Expenses must be operated and observed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache und energetisch sparsame Weise Wasserstoff in höherer Dichte gespeichert werden kann, wobei dies auch im kleineren Maßstab realisierbar sein soll. Des Weiteren sollen die Handhabung des flüssigen Speichers bzw. Speicherstoffes und dessen Ausgangsstoffe einfach und umweltverträglich sein.Of the Invention has for its object to provide a method with in a simple and energetically economical way hydrogen in higher density can be stored, and this can also be realized on a smaller scale should be. Furthermore, the handling of the liquid storage or Storage material and its starting materials are easy and environmentally friendly.
Die Aufgabe löst die Erfindung durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff.The Task solves the invention by the in the independent claims 1 and 2 specified methods for storing hydrogen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Verfahren sind in den Unteransprüchen im Detail angegeben.advantageous Further developments of the method are in the dependent claims in Detail specified.
Bei der Realisierung nach Anspruch 1 können verschiedene Bauarten von Katalysatoren bekannter Art zum Einsatz kommen. Es können Schüttkatalysatoren oder auch um fest eingebaute Blockkatalysatoren verwendet werden, die in dem Reaktorbehälter enthalten sind. Der Reaktorbehälter kann auch der Vorratsbehälter selbst sein. Im Falle des Verfahrens nach Anspruch 2 kann der Reaktorbehälter ebenfalls Vorratsbehälter sein. Zweckmäßig ist es jedoch, dann, wenn verbrauchtes Kaliumformiat nach der Rückgewinnung des gespeicherten Wasserstoffes in den Kreislauf wieder zugeführt werden, dass die Lösung aus einem Vorratsbehälter entnommen wird und dem Reaktorbehälter zugeführt wird, um in gewünschter Weise durch das jeweils angewendete Verfahren Wasserstoff zu speichern.at The realization according to claim 1 can be of different types of catalysts of known type are used. It can be bulk catalysts or to be used as built-in block catalysts, in the reactor vessel are included. The reactor vessel can also be the reservoir be yourself. In the case of the method according to claim 2, the reactor vessel may also reservoir be. Is appropriate it, however, when spent potassium formate after recovery the stored hydrogen are returned to the circuit, that the solution from a storage container is removed and the reactor vessel is supplied to the desired Way by the method used to store hydrogen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit den angesprochenen Verfahren 2 Gewichtsprozente Wasserstoff durchaus gespeichert werden können. Durch die hohe Effizienz kann das angegebene Verfahren insbesondere dazu verwendet werden, um Wasserstoff ohne Druckbehälter zu speichern und in einem Rückgewinnungsprozess wieder freizusetzen. Auch eignet sich die unmittelbare Verwendung in einer Brennstoffzelle. Des Weiteren kann auch der entzogene Wasserstoff zum Betreiben von wasserstoffbetriebenen Motoren verwendet werden. Da durch die katalytische Zersetzung und Spaltung des Kaliumformiats in der Brennstoffzelle oder in einem Reaktor wiederum Kaliumhydrogencarbonat oder Kaliumcarbonat als Ausgangsstoffe zurückgewonnen wird, ist eine Wiederverwendung in einem Kreislauf möglich. Die Ausgangsstoffe eignen sich also fortwährend zur Wasserstoffspeicherung. Die damit gegebenen Vorteile liegen auf der Hand.Surprisingly, it has been shown that 2 percent by weight of hydrogen can certainly be stored with the mentioned methods. Due to the high efficiency, the specified method can be used, in particular, to store hydrogen without a pressure vessel and to release it again in a recovery process. Also suitable is the direct use in egg a fuel cell. Furthermore, the extracted hydrogen can also be used for operating hydrogen-powered engines. Since the catalytic decomposition and cleavage of the potassium formate in the fuel cell or in a reactor in turn potassium bicarbonate or potassium carbonate is recovered as starting materials, a reuse in a cycle is possible. The starting materials are therefore continuously used for hydrogen storage. The advantages are obvious.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren ergänzend erläutert.The Invention is described below with reference to the drawings Figures explained in addition.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
Der
erfindungsgemäße Gesamtablauf
wird anhand von
In
einem Reaktionsbehälter
In
einer weiteren Stufe des Verfahrens kann mit Fortführung des
Vorgangs durch weiteres Hydrieren des Formiats Ameisensäure HCOOH
und Methanol H3COH gebildet werden. Dazu
muss der Lösung
Nach
Erreichen der gewünschten
Konzentration an Kohlenwasserstoffen in der Lösung
Im
Falle der Verwendung von Ameisensäure oder Methanol entsteht
im Reaktionsbehälter
Eine
Rückführung der über den
Ablasshahn
Eine
Rückführung der über Ablasshahn
Zur
erneuten Speicherung von Wasserstoff
Zu
Reinigungs- oder Wartungszwecken kann die Lösung
Der
erfindungsgemäße Gesamtablauf
ist nicht zwingend ortsgebunden aneinander gekoppelt, sondern kann,
wie in
Ein
weiterer möglicher
Verfahrensablauf für den
Bereich des Reaktionsbehälters
wird nachfolgend anhand von
In
einem Reaktionsbehälter
In a reaction vessel
Die
Umsetzung von Lösung
Bei
zusätzlicher
Zuführung
von CO2 über
die Zuleitung
In
den
Im
Nachfolgenden werden der Beladevorgang (speichern) anhand der
Beladevorgangloading procedure
Durch
Anlegen einer Spannung von ca. 1,6 V bis 1,9 V an die Ni-Elektroden
Bei diesem Vorgang handelt es sich nicht um die Elektrolyse von Wasser, sondern um die Reduzierung von CO2. Da diese beiden Vorgänge in Konkurrenz zueinander stehen, muss die Spannung unter dem Wert gehalten werden, ab dem die Elektrolyse von H2O beginnt. Der unerwünschte Vorgang der Elektrolyse ist daran zu erkennen, dass sich an der Kathode gasförmiges H2 zu bilden beginnt, welches dann ausperlt.This process is not the electrolysis of water but the reduction of CO 2 . Since these two processes in Konkur If there is a problem with each other, the voltage must be kept below the value at which the electrolysis of H 2 O begins. The undesirable process of electrolysis can be recognized by the fact that gaseous H 2 begins to form at the cathode, which then bubbles out.
Der
Beladevorgang kann auch stattfinden, ohne dass sich in Kammer
Die
Kammer
Entladevorgangunloading
Solange
in der Flüssigkeit
Der
Entladevorgang kann auch stattfinden, ohne dass sich in Kammer
Claims (13)
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Applications Claiming Priority (3)
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DE102005030937 | 2005-06-30 | ||
DE102005030937.2 | 2005-06-30 | ||
DE102006030449A DE102006030449A1 (en) | 2005-06-30 | 2006-06-29 | Reversible storage of hydrogen using inorganic as potassium carbonate and/or potassium hydrogen carbonate by supply of the inorganic in aqueous solution in reactor vessel, catalytic treatment of the inorganic and splitting of oxygen |
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ID=37545268
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2006
- 2006-06-29 DE DE102006030449A patent/DE102006030449A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KINNSTAETTER, KLAUS, DIPL.-PHYS.UNIV., DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130101 |