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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerkes mit fossilen Brennstoffen nach Patentanspruch 1 sowie ein Kraftwerk zur Verbrennung fossiler Brennstoffe nach Patentanspruch 6.
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Konventionelle Kraftwerke, wie zum Beispiel Kohlekraftwerke, lassen sich oft nicht hinreichend dynamisch betreiben, was in der heutigen Zeit wegen des Einflusses der sogenannten erneuerbaren Energien jedoch wünschenswert wäre. Beispielsweise sind sehr geringe oder sogar negative Strompreise möglich, wenn zu Zeiten von Energieüberangeboten keine hinreichend große elektrische Last zur Verfügung steht. Mit anderen Worten existiert ein Bedarf an einem umfangreichen Speichermedium für elektrische Energie, die diese Spitzen im Netz aufnehmen kann.
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Bei den derzeit angedachten Lösungen, wie zum Beispiel Energiespeichern oder die Umwandlung von elektrischer Energie in andere Produkte, gibt es oft Limitierung hinsichtlich der Leistung, sodass beispielsweise Batterien oder auch Elektrolyseure für die Wasserstoffherstellung heutzutage noch zu große Investitionskosten hervorrufen, um einen mehrstelligen Megawatt-Bereich an überschüssiger elektrischer Energie abdecken zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem gegenüber des Standes der Technik eine große Menge an elektrischer Energie bei Aufwendung relativ niedriger Investitionskosten gespeichert werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Betreiben eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerkes nach Anspruch 1 sowie in einem Kraftwerk nach Anspruch 6.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerkes nach Anspruch 1 wird elektrische Energie in einen Schmelz-Elektrolyseofen eingeleitet, wobei im Schmelz-Elektrolyseofen Kalziumoxid unter Zugabe einer kohlenstoffhaltigen Substanz zu Kalziumcarbid umgewandelt wird. Anschließend wird das Kalziumcarbid unter Zugabe von Wasser unter Freigabe eines Synthesegases entwickelt, wobei das hierbei entwickelte Synthesegas zur Befeuerung eines Kraftwerks eingesetzt wird.
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Für die Herstellung des Kalziumcarbids wird überschüssige Energie durch Einbringung in den Schmelz-Elektrolyseofen aufgewandt und in Form des Kalziumcarbids gespeichert. Bei Bedarf kann das Kalziumcarbid durch einfache Zugabe von Wasser zu einem Synthesegas, insbesondere Ethin (Acetylen) umgewandelt werden, das wiederum energetisch günstig zur Befeuerung des Kraftwerks eingesetzt werden kann. Es handelt sich somit um ein kostengünstiges Speicherverfahren, bei dem grundsätzlich auf eine bekannte Technologie der Schmelz-Elektrolyse zurückgegriffen werden kann, die gegenüber anderen Speicherverfahren oder Speichervorrichtungen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus, ein sehr geringer Investitionsaufwand nötig ist.
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Unter dem Begriff elektrische Energie gemäß Patentanspruch 1 wird hierbei elektrischer Strom verstanden, der entweder aus dem Stromnetz in den Elektrolyseofen eingespeist werden kann oder der direkt vom Generator des Kraftwerkes stammt, ohne dass diese elektrische Energie vorher ins Netz eingespeist wurde. Unter dem Begriff kohlenstoffhaltige Substanz werden neben reinem Graphit auch andere, kostengünstig erzielbare kohlenstoffhaltige Substanzen wie Teer, Pech, Koks oder Anthrazit verstanden. Diese können insbesondere durch eine sogenannte „Söderberg-Elektrode“ dem Schmelz-Elektrolyseofen zugeführt werden.
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Bei der Umsetzung zwischen Kalziumcarbid mit Wasser wird in der Regel das sogenannte Ethin, das auch als Acetylen bezeichnet wird, frei. Dieser Verfahrensschritt wird in der Fachsprache auch als Entwickeln bezeichnet, wobei eine entsprechende Vorrichtung hierzu als Entwickler bezeichnet wird. Das hieraus entstandene Gas ist zum größten Teil in der Regel das bereits genannte Ethin, es können jedoch auch andere durch Verunreinigung oder durch Beistoffe entstandene Gase dazugemischt sein, weshalb im Weiteren der übergeordnete Begriff Synthesegas für das Ethin verwendet wird. Unter dem Begriff Befeuerung des Kraftwerkes wird jegliche Art der Nutzung von thermischer Energie, die aus einem Verbrennungsprozess des Synthesegases gewonnen wird, verstanden. Hierunter fällt neben dem direkten Einspeisen des Synthesegases in die Verbrennung der fossilen Brennstoffe zum Betreiben der Turbine auch das Warmhalten von Dampferzeugungsvorrichtungen in einem Stand-by-Betrieb oder in einem Niederlastbetrieb des Kraftwerks.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung wird Kohlenmonoxid, das bei der Schmelz-Elektrolyse des Kalziumoxids zum Kalziumchlorid entsteht, zur Warmhaltung von Kraftwerkskomponenten des Kraftwerks im Stand-by-Betrieb verbrannt. Das Kohlenmonoxid eignet sich grundsätzlich auch zur direkten Verbrennung gemeinsam mit den fossilen Brennstoffen, es kann aber in vorteilhafter Weise zum Warmhalten von Dampferzeugungsvorrichtungen im Kraftwerk dienen, wenn dieses im Stand-by-Betrieb oder im Niederlastbetrieb läuft. Insbesondere deshalb, da Kohlenmonoxid während der Schmelzelektrolyse von Kalziumoxid anfällt und diese dann anläuft, wenn Strom im Überfluss vorhanden ist und das Kraftwerk auf Niederlast oder Stand by läuft. Ein Zwischenspeichern des Kohlenmonoxid kann vermieden werden.
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Bei der Entwicklung des Kalziumcarbids entsteht auch ein Kalziumhydroxid, das zur Gewährleistung eines ökonomischen und ökologischen Kreislaufs des wieder zu Kalziumoxid reduziert wird. Hierzu ist es zweckmäßig, Abwärme aus dem Kraftwerk zu nutzen, was sich besonders ökonomisch vorteilhaft auf den Gesamtprozess auswirkt.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist am Schmelz-Elektrolyseofen eine Rührvorrichtung vorgesehen, die während des Elektrolyseprozesses aus einem Schmelzbereich herausgefahren wird und nach dem Schmelz-Elektrolysevorgang in ein entstandenes Folgeprodukt, also in das Kalziumcarbid oder den darauf nach dem Entwickeln folgenden Kalziumhydroxid eingetaucht wird. Hierzu ist die Rührvorrichtung mit einer Dosiervorrichtung versehen, durch die Wasser und/oder ein Trocknungsgas in das Folgeprodukt eingeleitet wird. Konkret bedeutet dies, dass nach dem Schmelz-Elektrolysevorgang zunächst das Folgeprodukt in Form des Kalziumcarbids mit Wasser versehen werden kann, woraus das Synthesegas resultiert und das Kalziumhydroxid. In einem weiteren Prozessschritt kann aus derselben Dosiervorrichtung anstatt Wasser heiße, trockene Luft in das Folgeprodukt Kalziumhydroxid eingebracht werden, wodurch eine Reduktion zu Kalziumoxid und eine Trocknung erfolgen kann. Dies bedeutet, dass sowohl die Schmelz-Elektrolyse, das Entwickeln und das Trocknen beziehungsweise die Reduktion zu Kalziumoxid in einer einzigen Vorrichtung sequenziell erfolgen kann, ohne, dass ein Abstechen des Schmelz-Elektrolyseofens und einer Weiterverarbeitung der Schmelze mit weiteren Vorrichtungen, die weitere Investitionskosten darstellen, nötig ist.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Kraftwerk zur Verbrennung fossiler Brennstoffe nach Patentanspruch 6. Dieses Kraftwerk umfasst einen Schmelz-Elektrolyseofen zur Wandlung von Kalziumoxid unter Zugabe einer kohlenstoffhaltigen Substanz zu Kalziumcarbid. Ferner umfasst das Kraftwerk eine Entwicklungsvorrichtung zur Entwicklung von Synthesegasen aus dem Kalziumcarbid sowie eine Zufuhrvorrichtung zur Zufuhr des Synthesegases zu einer Befeuerungsvorrichtung des Kraftwerks.
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Das beschriebene Kraftwerk nach Patentanspruch 6 weist dieselben Merkmalskombinationen und Vorteile, wie das Verfahren des bereits beschriebenen Patentanspruchs 1 auf.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein beispielhafte Ausgestaltungsformen und Merkmalskombinationen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches bedeuten. Merkmale mit derselben Wirkungsweise und derselben Bezeichnung aber in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen werden dabei mit demselben Bezugszeichen versehen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ausgestaltung eines Kraftwerks mit einem angeschlossenen Speichermodul, in der in Elektrolyseprozessen Kalziumoxid gespeichert werden kann;
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2 eine Schmelz-Elektrolysevorrichtung mit einer integrierten Rühr- und Dosiervorrichtung zur Einbringung von Wasser und heißem Gas in ein Schmelzprodukt.
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In 1 soll in stark schematisierter Form ein Kraftwerk 2 mit einem angeschlossenen Elektrolyseprozess eines Kalziumoxids 17 als Speicherprozess beschrieben werden. Ferner sollen mögliche vorteilhafte Wechselwirkungen zwischen dem Elektrolyseprozess der Bestandteil des Kraftwerks 2 ist, dargestellt werden.
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Der gesamte Speicherprozess umfasst einen Schmelz-Elektrolyseofen 10‘, ausgestaltet beispielsweise in Form eines Lichtbogenofens, eine Entwicklungsvorrichtung 12 sowie einen Trocknungsofen 14. Die einzelnen Kästchen innerhalb dieser drei Vorrichtungen sind in dem Prozess beinhaltete Verfahrensschritte. Zunächst wird der Lichtbogenofen 10‘ im Schritt 15 mit Kalziumoxid befüllt. Gegebenenfalls kann in einem Schritt 16 Kalziumoxid 17 aus einem Startbehälter nachgefüllt werden. Im weiteren Schritt 18 erfolgt eine Schmelz-Elektrolyse des Kalziumoxids zu Kalziumcarbid, wobei Kohlenmonoxid 25 frei wird. Der Prozess, der in Schritt 18 abläuft, entspricht im Wesentlichen der folgenden Reaktionsgleichung CaO + 3C → CaC2 + CO (GL1)
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In einem weiteren Prozessschritt kann ein Abstechen 19 des Schmelz-Elektrolyseofens 10 erfolgen, sodass das Reaktionsprodukt, ein Kalziumcarbid 20 gemäß Gleichung 1, aus dem Schmelz-Elektrolyseofen 10‘ abgeleitet wird. Dieses Kalziumcarbid 20 kann in dem mit 20 bezeichneten Schritt zwischengelagert werden.
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Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte werden dann ausgeführt, wenn überschüssige Energie in Form von elektrischer Energie 26 zur Verfügung steht. Dabei kann die überschüssige Energie direkt aus einem Generator 8 des Kraftwerks 2 als auch aus einem Stromnetz 3 stammen. Die elektrische Energie 26 wird zur Betreibung des Lichtbogens des Schmelz-Elektrolyseofens 10‘ verwendet. Durch die Schmelz-Elektrolyse und der Reduktion des Kalziumoxids zu Kalziumcarbid wird ehemals elektrische Energie in Form von chemischer Energie in dem Kalziumcarbid gespeichert. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, wenn die elektrische Energie 26 direkt vom Generator 8 des Kraftwerks 2 abgezogen wird, ohne dass sie erst in das Stromnetz 3 transformiert wird. Somit herrscht eine optimale Wechselwirkung zwischen dem Betreiben von einem Turbinensatz 6 und dem Generator 8 des Kraftwerks 2 und der Speichervorrichtung. Es sind jedoch auch Situationen denkbar, in denen das Kraftwerk 2 mit ungeminderter Last weiterläuft, im Stromnetz 3 dennoch überschüssige Energie vorhanden ist, die kurzzeitig zwischengespeichert werden muss, worauf es zweckmäßig ist, diese elektrische Energie 26 direkt aus dem Stromnetz zu beziehen und die Schmelz-Elektrolyse 18 damit zu betreiben.
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Wenn die Situation vorherrscht, dass erhöhter Bedarf an elektrischer Energie im Netz 3 vorherrscht, kann das zwischengespeicherte Kalziumcarbid in die Entwicklervorrichtung 12 gegeben werden, wo in dem Prozessschritt 21 Synthesegas 24 in Form von Ethin aus dem Kalziumcarbid 20 entwickelt wird. Dieses Synthesegas 24 wird über eine Zuführvorrichtung 29 in das Kraftwerk geleitet, wobei das Synthesegas 24 entweder zur direkten Befeuerung der Befeuerungsvorrichtung 4 zum Antrieb von Turbinen 6 verwendet wird oder es wird in einem Stand-by-Betrieb in Form des Synthesegases 24‘ zur Warmhaltung einer Dampferzeugungseinheit, wie beispielsweise eines Dampfkessels oder anderer Komponenten, eingesetzt.
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Der Reaktionsschritt 21, folgt im Wesentlichen der folgenden Reaktionsgleichung CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 (GL2)
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Aus der Gleichung 2 ist zu erkennen, dass bei Zugabe von Wasser zu dem Kalziumcarbid neben dem Ethin auch Kalziumhydroxid 27 entsteht. Dieses Kalziumhydroxid 27 wird nach der Gleichung 3 unter Zugabe von Wärme wieder zu Kalziumoxid aufoxidiert, wobei Wasser frei wird: Ca(OH)2 → CaO + H2O (GL3)
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Dies erfolgt in einem Trocknungsofen 14, wobei das Kalziumhydroxid 27 im Schritt 22 gemäß der Gleichung 3 zu Kalziumoxid 17 und Wasser umgesetzt wird. Als Trocknungsofen 14 kann insbesondere ein sogenannter Drehrohrofen zum Einsatz kommen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, dass Abwärme aus dem Kraftwerk 2, beispielsweise in Form von Dampf der aus dem Turbinensatz 6, abgeleitet wird und über Leitungen 28 dem Ofen 24 zugeführt wird.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, dass Kohlenmonoxid 25‘, das bei der Schmelz-Elektrolyse 18 entsteht, dem Prozess 22 im Trocknungsofen 14 zugeführt wird und dort verbrannt wird. Das so gewonnene Kalziumoxid 17 wird als trockenes Kalziumoxid im Schritt 23 zwischengelagert, bevor es wieder gemäß Schritt 15 in den Schmelz-Elektrolyseofen 10‘ eindosiert wird. Der Kreislauf beginnt hiermit von neuem.
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Im Folgenden seien noch Anmerkungen zu den Reaktionen der Gleichungen 1 bis 3 gegeben.
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Die erste Charge an Kalziumoxid 17 kann durch das Brennen von Kalk, also von Kalziumcarbonat, zu Kalziumoxid und Kohlendioxid bereitgestellt werden.
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Der bei der Reaktion gemäß Gleichung 1 verbrauchte Kohlenstoff stammt aus der Elektrode 34 (vgl. 2) des Schmelz-Elektrolyseofens 10 (auch Lichtbogenofen genannt). Diese Elektroden 34 können gemäß des Standes der Technik sogenannte Söderberg-Elektroden sein, die kontinuierlich während des Betriebs des Lichtbogenofens 10 aus Raffinerierückständen, wie Koks, Teer, Pech und/oder Anthrazit erneuert werden. Somit kann die Wertschöpfung des beschriebenen Prozesses unter Veredelung von ansonsten wertlosen Raffinerierückständen mit Hilfe von elektrischer Überschutzenergie erfolgen, wodurch die Wertstoffe Kalziumcarbonat und Ethin entstehen.
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Es ist anzumerken, dass das gewonnene Ethin einen sehr hohen Energieinhalt hat und dass mit Methoden aus dem Stand der Technik eine relativ einfache Nutzung erfolgen kann. Dies kann beispielsweise durch sogenannte Acetylenbrenner erfolgen. Das Kalziumcarbid ist ein gut lagerbarer Feststoff, er lässt sich über längeren Zeitraum kostengünstig zwischenlagern. Der Zeitpunkt der Acetylenerzeugung ist frei wählbar, sodass mit einfachen kostengünstigen Mitteln ein großskaliger Energiespeicher in Form von Kalziumcarbid realisiert wird.
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Das bei der Reaktion gemäß Gleichung 1 anfallende Kohlenmonoxid kann, wie bereits beschrieben, stofflich genutzt werden. In der Literatur findet man jedoch häufig den Hinweis, dass der CO-Gehalt des Abgases in einem Schmelz-Elektrolyseprozess in der Regel zu niedrig für einen solchen Ansatz ist. Diese Erkenntnis liegt aber darin geschuldet, dass herkömmlich kein reines Kalziumoxid für die erste Reaktion eingesetzt wird, da im Stand der Technik nur ein relativ kleiner Teil der Kalziumverbindungen kreisgeführt wird und ein Großteil des in der ersten Reaktion gemäß Gleichung 1 eingesetzten Feststoffes Kalk ist, der noch gebrannt werden muss. Dies führt zur Bildung von Kohlendioxid, was den Wert des Abgases mindert. Bei der Kreislaufführung gemäß den Schritten 17 bis 23 kann man von einem relativ reinen Kohlenmonoxidstrom ausgehen, der bei der Schmelz-Elektrolyse gemäß Schritt 18 entweicht, was die beschriebenen Nutzungsmöglichkeiten bietet. Neben den bereits beschriebenen Verwendungsmöglichkeiten des Kohlenmonoxids 25, die auf die thermische Verbrennung gemäß der Verbrennung im Drehrohrofen 14 beziehungsweise zur Vorwärmung über Feuerungsvorrichtung 4 besteht, gibt es noch weitere alternative Möglichkeiten zur Verwertung des Kohlenmonoxids 25. Hierbei kann das Kohlenmonoxid einer zusätzlichen, hier nicht dargestellten Synthesereaktion zur Herstellung von beispielsweise Methanol, Methan oder sogenannten Fischer-Tropsch-Brennstoffen zugeführt werden. Andererseits kann es zweckmäßig sein, das Kohlenmonoxid 25, das den Schmelz-Elektrolyseofen 10 im Schritt 18 mit relativ hohen Temperaturen verlässt, mit Wasser oder Wasserdampf zu versetzen. Dieses Wasser beziehungsweise dieser Dampf kann ebenfalls aus dem Umfeld des Kraftwerks 2 stammen und es wird dabei ein Kohlenmonoxid-Wassergemisch erzeugt, das in einem sogenannten CO-Shift-Reaktor zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagiert werden kann. Aus dieser Reaktion der sogenannten Wassergas-Shift-Reaktion kann unter den beschriebenen Voraussetzungen als Wertstoff Wasserstoff gewonnen werden, wenn das ebenfalls entstandene Kohlenmonoxid abgetrennt wird.
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Die Reaktion gemäß Gleichung 1 wird immer dann durchgeführt, wenn ein Überangebot an Strom besteht oder ein günstiger Strompreis vorherrscht. Unter diesen Randbedingungen ist es wahrscheinlich, dass das Kraftwerk, beispielsweise eine GUD-Anlage, nicht in Betrieb ist. Allerdings soll das Kraftwerk 2 weiterhin betriebsbereit gehalten werden, um bei einer hohen Stromnachfrage schnell wieder in die Erzeugung von elektrischer Energie zu gehen. Kohlenmonoxid kann daher zur Warmhaltung von Kraftwerkskomponenten wie bereits beschrieben genutzt werden, das heißt, Kohlenmonoxid wird beispielsweise in einem Abhitzedampferzeuger verbrannt, um den Abhitzedampferzeuger und den Dampfturbosatz (Turbinensatz 6) auch dann warm zu halten, wenn die Gasturbine in einem GUD-Kraftwerk nicht in Betrieb ist. Ein weiterer Vorteil der Nutzung der Kraftwerkinfrastruktur bei der Nutzung des anfallenden CO-haltigen Gases zur Warmhaltung ist, dass die Gasbehandlung des Kraftwerks benutzt werden kann.
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Gaskraftwerke können mit lokalen Gasspeichern ausgestattet sein um zeitliche Schwankungen der Gasversorgung auszugleichen und/oder einen Gasversorgungsvertrag mit wenigen erlaubten Unterbrechungen zu akzeptieren. Existiert ein Erdgasspeicher am Kraftwerkstandort, kann Kohlenmonoxid 25 in diesem hier nicht dargestellten Gasspeicher zugemischt werden. Dadurch erhöht sich der Kohlenmonoxidanteil im Erdgas, das der Gasturbine (beispielsweise schematisch dargestellt durch den Turbinensatz 6) zugeführt wird. In einem gewissen Umfang ist es technisch akzeptabel und erlaubt die zeitverzögerte energetische Nutzung des Kohlenmonoxids 25.
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Das Abgas einer Gasturbine besitzt eine Temperatur zwischen 400 °C und 700 °C. Dieses Temperaturniveau ist ausreichen, um die Reaktion gemäß Gleichung 3 durchzuführen. Dabei wird in einfachster Form wenigstens ein Teilstrom des Gasturbinenabgases (in 1 schematisch durch die Linie 28 dargestellt) in direkten Kontakt mit dem Kalziumhydroxid gebracht. Das heiße Abgas 28 wird Wasserdampf aufnehmen und kann weiter zu einem Abhitzekessel geleitet werden.
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Ebenfalls ist es zweckmäßig, Wasserdampf, der bei hohem Druck und bei Temperaturen bis zu 700 °C in einem hier nicht dargestellten Abhitzedampferzeuger im Kraftwerk 2 bereitgestellt wird, ebenfalls als Wärmequelle für die Reaktion gemäß Gleichung 3 zu nutzen. Hierbei ist ein Wärmeübergang im direkten Stoffaustausch denkbar, aber eine indirekte Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher sinnvoller, da so eine Trocknung von Kalziumoxid erzielt werden kann.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines typischen Schmelz-Elektrolyseofens 10 gegeben, wobei dieser Schmelz-Elektrolyseofen 10 durch eine bestimmte Rührvorrichtung 40 gegenüber dem Stand der Technik modifiziert ist. Der Schmelz-Elektrolyseofen 10 besteht zunächst aus einer feuerfest gemauerten Wanne 30, die durch eine Einhausung 46 möglichst gasdicht verschlossen ist. In das so entstehende Volumen kann feste Ausgangssubstanzen, wie das aufzuspaltende Kalziumoxid 17, eingebracht werden. Die Umwandlung des Feststoffes 17 zum Carbid 20 erfolgt mit Hilfe von typischerweise drei Kohlenstoffelektroden 34, von der hier nur eine gezeigt ist. Diese Kohlenstoffelektroden 34 sind in der vorliegenden Ausgestaltungsform höhenverstellbar ausgeführt. Da diese Elektroden 34 während der Carbidbildungsreaktion abbrennen und der Kohlenstoff gemäß der Gleichung 1 verbraucht wird, werden sie kontinuierlich nachgebildet. Hierfür werden Raffinerierückstände wie Koks oder Teer in einen hohlen Metallzylinder gegeben und mit Presslufthämmern verdichtet. Wegen der Hitze, die während der Reaktion gemäß Gleichung 1 vorherrscht, härten die Ausgangssubstanzen dann aus.
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In dieser speziellen Form des Lichtbogenofens 10 (SAF) wird angestrebt, dass die hier nicht dargestellten Lichtbögen zwischen den drei Elektroden 34 auftreten, wobei die Hitze dazu genutzt wird, den Feststoff aufzuschmelzen. Daraufhin werden die Elektroden 34 abgesenkt, sodass die Lichtbögen innerhalb der Schmelze auftreten und so besonders gut die Energie und gleichzeitig den Kohlenstoff übertragen können. Typischerweise werden die drei Phasen einer Wechselspannung an die Elektroden 34 angelegt, während das Reaktionsbehältnis, also die Wanne 30, auf Erdpotential 28 liegt. Das bei der Reaktion entstehende Abgas mit einem hohen Gehalt von Kohlenmonoxid 25 wird über eine Absaugung 48 abgeführt, wobei zweckmäßigerweise hierzu ein Gebläse zur Hilfe genommen wird. Die im herkömmlichen Verfahren entstehende Schmelze wird nach dem Abschluss der Reaktion durch einen hier nicht dargestellten Abstich im unteren Bereich der Wanne 30 aus dem Ofen entfernt, wobei sie daraufhin zum Erstarren gebracht wird.
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Wie bereits dargelegt, ist in dem Schmelz-Elektrolyseofen 10 gemäß 2 kein Abstich für die Schmelze vorgesehen. Dies würde dem konventionellen, ebenfalls zweckmäßigen Verfahren folgen, worauf die erstarrte Schmelze in Form von Kalziumcarbid zwischengelagert und anschließend wieder in einem separaten Entwickler mit Wasser zu Kalziumhydroxid und dem Synthesegas reagiert wird. In der vorliegenden Ausgestaltung gemäß 2 ist eine Modifikation beschrieben, die es erlaubt, die drei Vorrichtungen Schmelz-Elektrolyseofen 10‘, Entwickler 12 und Trocknungsofen 14 in einem einzigen Ofen 10 stattfinden zu lassen. Daher ist in 2 der Pfeil auf den Ofen mit den Bezugszeichen 10, 12 und 14 versehen.
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Die hier beschriebene Ausgestaltung ist in manchen Aspekten einfacher, da im Wesentlichen keine Beschickung und kein Abstechen nötig ist, da die Kalziumhaltige Substanz, ganz allgemein gesehen, stets im Ofen verbleibt. Lediglich zur ersten Beschickung und zum Ausgleich von möglicherweise auftretenden Verlusten und zur Abführung einer geringen Menge um der Akkumulation von Verunreinigungen entgegenzuwirken, ist ein Nachführen der Grundsubstanz Kalziumoxid notwendig. Allerdings bleibt anzumerken, dass die drei Reaktionen gemäß Gleichung 1 bis 3 unterschiedliche Anforderungen an einen Reaktor stellen. Somit gibt es zusätzliche technische Vorrichtungen, die sich in 2 in einer Rührvorrichtung 40 äußert, die zudem eine Dosiervorrichtung 44 für Wasser und Heißgas (vgl. Zuführung 42 und 42‘) aufweist. Dabei ist es zweckmäßig, dass bei der Verwendung von drei Elektroden ein Rührwerk mit drei Flügeln verwendet wird, sodass die Rührvorrichtung 40 zwischen den Elektroden 34 nach oben gefahren werden kann. Um Überschläge zwischen den Elektroden 34 und der Rührvorrichtung 40 zu vermeiden, ist es zweckmäßig, Ausbuchtungen für den hochgefahrenen Rührer vorzusehen.
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Da die Reaktion gemäß Gleichung 1, also die Bildung des Carbids, unter sehr hohen Temperaturen, typischerweise liegen ca. 2.200 °C vor, unter Bildung einer Schmelze abläuft, müssen metallische Vorrichtungen, wie die Rührvorrichtung 40 in einem hinreichenden Abstand zur Schmelze innerhalb des Reaktors angebracht sein. Die für die nachfolgenden Reaktionen benötigte Rührvorrichtung mit einer Dosiervorrichtung 44 muss aus diesem Grund höhenverstellbar ausgeführt sein, sodass sie lediglich zu der Zeit, in der sie verwendet wird, heruntergefahren wird.
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Eine besondere Herausforderung an die Wärmeentwicklung besteht beim Ablauf der Reaktion gemäß Gleichung 2, dem sogenannten Entwickeln des Kalziumcarbids. Es gilt es dabei zu vermeiden, dass die Reaktion unkontrolliert abläuft, weshalb die Dosierung von Wasser 42 über die Dosiervorrichtung 44 sehr vorsichtig erfolgen muss. Es wird dabei ausgenutzt, dass die Wärmeentwicklung beim Verarmen des Wassers 42 stoppt. Für eine gleichmäßige Verteilung des Wassers 42 können die Öffnungen der Dosiervorrichtung 44 entsprechend eingestellt werden. Ist ein hinreichend großer Umsatz erzielt, können durch einen Wasserüberschuss unter Zuhilfenahme der Rührvorrichtung 40 ein hoher Umsatz erzielt werden. Es ist an dieser Stelle erwähnenswert, dass an die Sauberkeit des Wassers keine allzu hohen Ansprüche gestellt werden müssen. Kalkrückstände haben im Allgemeinen keinen negativen Einfluss und führen eher dazu, dass eventuell auftretende Verluste an Kalziumverbindungen ausgeglichen werden. Weiterhin kann ein Teil der Reaktionswärme gerade am Ende der Reaktion dafür genutzt werden, dass Wasser verdampft und somit destillativ gereinigt wird. Dieses gereinigte Wasser kann dann an anderer Stelle genutzt werden.
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Bei der Reaktion gemäß Gleichung 3, also der Trocknung und dem anschließenden Brennen, kann zunächst das relativ trockene Rauchgas des Kraftwerks, zum Beispiel das Abgas einer Gasturbine, genutzt werden, indem dieses durch die Öffnungen der Dosiervorrichtungen 44 geleitet wird. Um eine bessere und vor allem schnellere Trocknung zu erzielen, kann es aber auch sinnvoll sein, einen Gasstrom, der mit Abhitze des Kraftwerkes 2 aufgeheizt ist, vorzusehen. Beispielsweise kann zu diesem Zweck Dampf aus der Infrastruktur des Kraftwerks 2 genutzt werden, da dieser zu Zeiten von Energieüberschuss zur Verfügung steht. Die für das Brennen nötigen höheren Temperaturen können durch die zugeführten Wärmeströme, durch zusätzliche Brenner, durch elektrische Heizung oder durch andere Möglichkeiten zur Heizung aus dem Stand der Technik erfolgen. Ferner können auch die Elektroden 34 genutzt werden, was zwar nicht die energieeffizienteste Möglichkeit zum Heizen darstellt, wohl aber eine Lösung mit sehr geringen Investitionskosten bedeutet.
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Ferner ist anzumerken, dass es zweckmäßig ist, wenn mehrere der gezeigten Schmelz-Elektrolyseöfen 10 mit einem Kraftwerk 2 kombiniert werden, sodass dynamisch auf die jeweils anliegenden Anforderungen reagiert werden kann.
