DE102006061188A1 - Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe mittels elektromagnetischer Strahlung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe mittels elektromagnetischer Strahlung.
  • Die Gewinnung von Wasserstoff ohne hohen Energieaufwand ist von großer technischer Bedeutung, da Wasserstoff in vielen großtechnischen Verfahren eingesetzt wird. Des Weiteren bildet die Verfügbarkeit von Wasserstoff die Grundlage für den Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen und stationären Anwendungen. Bisher besteht allerdings noch keine Infrastruktur für den zukünftigen Energieträger Wasserstoff.
  • Deshalb besteht die Notwendigkeit, Wasserstoff aus gut verfügbaren Energieträgern, wie beispielsweise aus Kohlenwasserstoffen, insbesondere aus Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel, zu gewinnen.
  • Die aktuell gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff weisen jedoch zahlreiche Nachteile auf.
  • Bei der Dampfreformierung wird Wasserstoff in Form von Synthesegas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern, wie Leichtbenzin, Methanol oder Biomasse, gewonnen. Bei diesem Verfahren wird heißer Wasserdampf mit dem verdampften Kohlenwasserstoff vermischt und an einem heterogenen Katalysator in der Gasphase umgesetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass dieses bei hohen Temperaturen durchgeführt werden muss und dass als Nebenprodukt Ruß gebildet wird. Des Weiteren kann dieses Verfahren nur in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden.
  • Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen wird ein schwerer Kohlenwasserstoff (Heizöl) in einem exothermen Prozess mit Sauerstoff versetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die extrem hohen Temperaturen und die Rußbildung.
  • Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen ist das Kvaerner-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffe in einem Plasmabrenner bei 1600°C vollständig in Aktivkohle und Wasserstoff getrennt: CnHm + Energie → nC + m/2 H2
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass dieses nur mit hohem Energieaufwand durchgeführt werden kann, und dass als Nebenprodukt Aktivkohle entsteht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff ohne hohen Energieaufwand und ohne die Verwendung von Katalysatoren.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff gelöst, bei dem Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, ein Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Wasserdampf, ein Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Luft oder Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden, wobei die Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung der der Resonanzfrequenz äquivalenten Energie der Element-Wasserstoff-Bindung entsprechen.
  • Bevorzugt wird ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, bei dem Kohlenwasserstoffdampf, ein Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf- Gemisch, ein Kohlenwasserstoffdampf/Luft-Gemisch oder Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden, wobei die Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung der der Resonanzfrequenz äquivalenten Energie der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (C-H-Bindung) entsprechen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Dampf der nicht gasförmigen Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere der Kohlenwasserstoffdampf dadurch erzeugt, dass flüssige Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere flüssige Kohlenwasserstoffe durch Zuführung thermischer Energie verdampft werden. Die Verdampfung kann in einem üblichen Brenner oder Verdampfer durchgeführt werden, wie dieser beispielsweise in DE 102 17 675 A1 oder in DE 103 48 638 A1 beschrieben wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Wasserdampf, insbesondere Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch, dadurch erzeugt, dass Wasserdampf in flüssige Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere in flüssige Kohlenwasserstoffe, eingeleitet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Wasserdampf, insbesondere Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch, dadurch erzeugt, dass Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere Kohlenwasserstoffe, durch Zuführung chemischer Energie verdampft werden und dass anschließend Wasserdampf zugeführt wird. Die Verdampfung der Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere Kohlenwasserstoffe, durch Zuführung thermischer Energie kann in einem üblichen Verdampfer, z. B. in einem der oben genannten Verdampfer, durchgeführt werden. Der zugeführte Wasserdampf wird bevorzugt aus Prozesswärme oder aus Abwärme von Verbrennungsabgasen gewonnen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Rußbildung vermieden werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Wasserdampf, insbesondere Kohlenwasserstoffdampf/Luft-Gemisch, durch Erwärmen und Verdampfen von flüssigen Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-haltiger Flüssigkeit, und Mischen des erzeugten Dampfes mit Luft erzeugt. Bei dieser Ausführungsform kann ebenfalls ein üblicher Verdampfer, insbesondere eine Verdampferanordnung verwendet werden, wie sie in DE 102 17 675 A1 beschrieben ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel durch Druckzerstäubung von flüssigen Kohlenwasserstoffen erzeugt. Die Druckzerstäubung wird nach üblichen Methoden durchgeführt, sodass flüssige Schwebeteilchen erhalten werden. Diese Schwebeteilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden als Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform kann das Aerosol aus flüssigen Kohlenwasserstoff-Schwebeteilchen und Luft bestehen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die freien Tröpfchen der Kohlenwasserstoffe eine größere Oberfläche aufweisen, wodurch die Reaktionszeit signifikant verkürzt werden kann.
  • Als Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe kommen alle bekannten Wasserstoffverbindungen in Frage. Bevorzugt sind Kohlenwasserstoffe, Silane, Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs, insbesondere Ammoniak, und Wasserstoffverbindungen des Sauerstoffs, insbesondere Wasser und Wasserstoffperoxid.
  • Als Kohlenwasserstoffe kommen alle gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffe in Frage. Bevorzugt werden als Kohlenwasserstoffe fossile Brennstoffe eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Kraftstoffe, insbesondere flüssige Kraftstoffe, wie Kerosin bzw. Petroleum, Benzin, Diesel, Alkylatbenzin, Biodiesel, Ethanol, Flüssigerdgas, Flüssiggas (Propan/Butan-Gemisch), Methanol, Pflanzenöl, Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel) oder Schweröl, verwendet. Besonders bevorzugt werden zur Herstellung von Kohlenwasserstoffdampf Kerosin, Benzin oder Diesel verwendet.
  • Ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Wellenlänge der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung der mittleren Bindungsdissoziationsenthalpie, auch Bindungsenthalpie genannt, der entsprechenden Element-H-Bindung, insbesondere der Si-H-, C-H-, N-H- oder O-H-Bindung entsprechen muss.
  • Beispielsweise entspricht die Bindungsdissoziationsenergie einer C-H-Bindung 4,28 eV. Ein Elektronenvolt (eV) entspricht einer Energie von 1,602 × 10–19 J.
  • Die Frequenz des Lichts ist über die Planck'sche Formel E = h × ν
    • ν
    = Frequenz
    h
    = Planck'sches Wirkungsquantum = 6,626 × 10–34 Js
    direkt mit der Energie der Strahlung verknüpft und wird deshalb in der Spektroskopie oft als synonyme Energiebezeichnung genutzt.
  • Die Wellenlänge des Lichts (λ) ist über die Lichtgeschwindigkeit c mit der Frequenz durch λ = c/ν verknüpft. Deshalb ist die Wellenlänge ebenfalls energieäquivalent.
  • Die Frequenz der einzustrahlenden elektromagnetischen Strahlung kann daher wie folgt berechnet werden: ν = E/h ν = 4,28 × 1,6 × 10–19 J/6,626 × 10–34 Js = 1,03 × 1015 1/s = 1,03 × 1015 Hz
  • Daraus ergibt sich die entsprechende Wellenlänge wie folgt: λ = c/ν λ = 3 × 108 m/s/1,03 × 1015 1/s = 2,91 × 10–7 m, d. h. ca. 300 nm.
  • Die bevorzugte Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung liegt daher zwischen 200 und 500 nm, bevorzugt zwischen 250 und 400 nm, besonders bevorzugt bei 300 nm.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass je nach der Zusammensetzung der verwendeten Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, insbesondere der Kohlenwasserstoffe, eine spezielle Absorptionsbande verwendet werden kann und dass somit die Reaktionen selektiv durchgeführt werden können. Zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Mikrowellengenerator oder ein Laser verwendet. Als Laser kommen Gaslaser, Farbstofflaser, Festkörperlaser, Farbzentrenlaser, Halbleiterlaser und Freie-Elektronenlaser (FEL) in Frage.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, bei dem Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe, ein Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Wasserdampf, ein Gemisch aus Dampf von Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Hauptgruppe und Luft oder Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden, wobei die Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung der der Resonanzfrequenz äquivalenten Energie der Element-Wasserstoff-Bindung entsprechen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Herstellung von Kohlenwasserstoffdampf, ein Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch, ein Kohlenwasserstoffdampf/Luft-Gemisch oder Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoffdampf dadurch erzeugt wird, dass flüssige Kohlenwasserstoffe durch Zuführung thermischer Energie verdampft werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch dadurch erzeugt wird, dass Wasserdampf in flüssige Kohlenwasserstoffe eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch dadurch erzeugt wird, dass Kohlenwasserstoffe durch Zuführung thermischer Energie verdampft werden und dass anschließend Wasserdampf zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kohlenwasserstoffdampf/Luft-Gemisch durch Erwärmen und Verdampfen von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-haltiger Flüssigkeit und Mischen des erzeugten Dampfes mit Luft erzeugt.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenwasserstoff-Aerosolpartikel durch Druckzerstäubung von flüssigen Kohlenwasserstoffen erzeugt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenwasserstoffe Kraftstoffe verwendet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoffe ein oder mehrere Kraftstoffe ausgewählt aus Kerosin, Benzin, Diesel, Alkylatbenzin, Biodiesel, Ethanol, Flüssigerdgas, Flüssiggas, Methanol, Pflanzenöl, Emulsionskraftstoff oder Schweröl, verwendet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff Kerosin, Benzin oder Diesel verwendet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der elektromagnetischen Strahlung 4,28 eV entspricht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung ein Mikrowellengenerator oder ein Laser verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser ein Gaslaser, ein Farbstofflaser, ein Festkörperlaser, ein Farbzentrenlaser, ein Halbleiterlaser oder ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) verwendet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung zwischen 200 und 500 nm liegt.
  15. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie mittels eines Verdampfers zugeführt wird.
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