DE102016001334A1

DE102016001334A1 - Verfahren und Ofen zur Umsetzung von Wasserstoff mit Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung >95%

Info

Publication number: DE102016001334A1
Application number: DE102016001334.6A
Authority: DE
Inventors: Janet-Susan Schulze; Dieter Schulze; Renate Hamel von der Lieth
Original assignee: Renate Hamel von der Lieth; Dieter Schulze; Janet-Susan Schulze
Current assignee: HAMEL VON DER LIETH, RENATE, DE
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Die Umsetzung von Wasserstoff (H2) mit Luftsauerstoff (O2) sowie die von HHO-Gas, entstanden aus der Elektrolyse von Wasser (H2O), zu Wasser (H2O) ist infolge der Exothermie der Reaktionen mit der Bildung erheblicher Mengen Wärme verbunden. Bisherige Verbrennungsverfahren mit damit verbundenen Wärmegewinnungs-Varianten mit Hilfe von Wärmetauschern erbrachten Wärmeausbeuten von deutlich < 90% und wiesen infolge der hohen Verbrennungstemperaturen Probleme mit der Stabilität der Verbrennungsöfen auf. Durch die Konstruktion des Ofens, die Anwendung der Brenndüsen, die Steuerung der Gasströme – abgestimmt auf eine optimale Wärmegewinnung – und den Einsatz eines mineralischen Katalysators kann die entstandene Verbrennungswärme im Wärmetauscher zu > 95% gewonnen werden bei gleichzeitiger Dauerstabilität des Verbrennungsofens.

Description

(1) Einleitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Ofen zur Umsetzung von Wasserstoff mit Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung > 95%.
Die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff (H₂) hat eine lange Tradition. Wasserstoff (H₂) wurde und wird vor allem in der chemischen und Erdöl-Industrie zur Reduktion von chemischen Verbindungen, zur Hydrierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Gewinnung von hochwertigem Benzin u. a. verwendet.
In neuerer Zeit gewinnt die Herstellung von Wasserstoff (H₂) und dessen Verwendung zusätzlich an Bedeutung im Zusammenhang mit der Nutzung elektrischer Energie aus Windstrom- und Solarstromanlagen.
Wasserstoff (H₂) kann damit ökologisch aus Wasser (H₂O) mittels elektrischer Energie durch Elektrolyse erzeugt werden. Der so gewonnene Wasserstoff (H₂) kann

– einerseits als chemischer Energiespeicher, dessen Energie im Bedarfsfall durch Umsetzung mit Luftsauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) mit angeschlossener Stromgewinnung abgerufen werden kann, benutzt werden oder
– andererseits in Gasleitungen den Verbrauchern zugeführt werden.

Dabei ist die Verbrennung des Wasserstoff (H₂) mit Luftsauerstoff (O₂) sowie die Umsetzung von HHO-Gas aus der Wasser-Elektrolyse insofern mit Problemen behaftet, dass die Reaktionswärme der Wasser-Bildungs-Reaktion aus Wasserstoff (H₂) sowie aus HHO-Gas sehr hoch ist, was zu Materialschäden in den Verbrennungsöfen bzw. bei Absenkung der Verbrennungstemperaturen zur Unterbrechung der Verbrennungsreaktion und zur Absenkung des energetischen Wirkungsgrades führen kann.
(2) Stand der Technik
Während bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen Reaktionstemperaturen von ca. 900 bis 1300°C erreicht werden, die materialtechnisch sowohl das Ofenmaterial selbst als auch die in der Regel im Inneren der Öfen liegenden Wärmetauscher-Rohrbündel aus Stahl belasten, beherrscht werden, ergibt sich bei der Verbrennung von Wasserstoff (H₂) mit Sauerstoff (O₂) als auch bei der Verbrennung von HHO-Gas ein anderes Bild.
So berichtet Lazlo von Kortvelyssy in „Thermoelement-Praxis-Neue theoretische Grundlagen" (1998) über die Verbrennung von Wasserstoff (H₂) in Gegenwart von Aluminiumoxid (Al₂O₃), dass der Platin-Rhodium-Katalysator geschmolzen und die Messtechnik durch nicht mehr kontrollierbare Temperaturführung ausgefallen ist. Gleiches wird bei www.minotech.de berichtet.
Bekannt sind auch die H₂-Verbrennungsöfen der Fa. Xerion Advanced Heating GmbH, die im Reaktorraum Graphitelemente enthalten, die dazu dienen, die Verbrennungsreaktion elektronisch anheizen zu können (www.xerion.de). Diese Öfen dienen der Herstellung von speziellen Stählen und Keramiken sowie zu Forschungszwecken, wobei die Standzeiten der Graphit-Elektroden durch Abbrandreaktionen sehr begrenzt sind.
In DE 20 2013 005 411 U1 ist die H₂-Verbrennung im Wirbelschicht-Verfahren beschrieben, die der Aufwirbelung von metalloxidhaltigen Substanzen bedarf; hierbei wird der Wirkungsgrad der Wärmegewinnung mit > 80% beschrieben.
Bekannt ist auch die Eigenschaft von Wasserstoff (H₂), bei höheren Temperaturen und Drücken durch Stahl zu diffundieren, was die Handhabung von Wasserstoff (H₂) unter solchen Bedingungen erschwert bzw. verhindert.
In DE 10 2006 047 222 A1 wird die Verbrennung von Wasserstoff (H₂), der durch Thermolyse von Wasser (H₂O) gewonnen wird, genannt.
Die beanspruchte Brennervorrichtung wurde genannt – aber nicht beschrieben.
Ein energetischer Wirkungsgrad wird nicht angegeben. Die Thermolyse des Wassers (H₂O) wird durch Einspritzen von Wasser (H₂O) unter Druck auf einen Hohlkörper, der nicht näher beschrieben ist und der durch vorherige chemische Reaktionen, die nicht konkret beschrieben sind, auf ca. 2000–3000°C erhitzt worden ist, erreicht.
In DE 10 2015 004 040.5 wird ein Verbrennungsverfahren von Wasserstoff (H₂) bzw. HHO-Gas bei Unterdrücken von ca. 20–500 mbar in einem Verbrennungsofen mit massiver Bodenplatte aus V2A-Stahl (oder einem höherwertigeren Material) mit einem „Reaktionsträger” aus V2A-Stahl (oder einem höherwertigeren Material) in Gegenwart vorwiegend metalloxidhaltiger Erde-Wasser-Gemische beschrieben, wobei der Reaktionsträger verschiedene Formen aufweisen kann.
Die Steuerung der Verbrennung erfolgt durch Luftzufuhr und Zuführung von Wasser (H₂O) bei Temperaturen von ca. 1800–2100°C.
Die Gewinnung von Wasserstoff (H₂) durch Wasserelektrolyse aus Windkraft von der Thüga-Gruppe (= Power-to-Gas bzw. PtG)) wird mit 80% Wirkungsgrad benannt; und die Energieausbeute bei Wiederverstromung durch Verbrennung des Wasserstoffs (H₂) – offensichtlich bei Kraft-Wärme-Kopplung – wird mit 50% Wirkungsgrad benannt (→ Pilotprojekt 29.12.2015/http://green.wiwo.de/Pilotprojekt-zeigt-power-to-gas-laesst-sich-in-stromnetze-integrieren/), einschließlich der Elektrolyseverluste.
(3) Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, Wasserstoff (H₂) und Luftsauerstoff (O₂) bzw. HHO-Gas ohne Anwendung eines Wirbelschicht-Verfahrens bei atmosphärischem Druck mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung > 95% zu Wasser (H₂O) umzusetzen bei Gewährleistung der Langlebigkeit des Verbrennungsofens.
(4) Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

– dass Wasserstoff (H₂) und Luftsauerstoff (O₂) oder HHO-Gas in einem Ofen aus einem Edelstahl, geeignet gegen Wasserstoff-Versprödung (1.4438 317 L oder andere geeignete Stähle) durch Düsen in den Ofen einströmen und nach Zündung bei Gasdurchsätzen von ca. 1000–5000 l/Std. in Gegenwart von vorwiegend metalloxidhaltigen Erden bei Temperaturen bis ca. 2600°C zu Wasser (H₂O) umgesetzt werden, wobei der Ofen entsprechend dem Stand der Technik mit einem Kühlmantel mit Wärmeträgerflüssigkeit umgeben ist (→ );
– dass die Verbrennungsflamme direkt auf die metalloxidhaltigen Erden gerichtet wird, mit variablem Abstand, wobei die vorwiegend metalloxidhaltigen Erden geschichtet sind in pulverförmiger und grobkörniger Struktur, vorwiegend im Zentrum des Ofens positioniert auf einer massiven Grundplatte des Ofens und im Verhältnis bis zu ca. 33% der Erden-Masse mit Wasser (H₂O) gemischt werden;
– dass die co-Steuerung der Verbrennungstemperatur auf vorzugsweise ca. 1800–2600°C zur Erzielung einer optimalen Wärmegewinnung im Ofen-Kühlmantel erfolgt, durch partielle Rückführung des Reaktionswassers in den Ofen im Bereich bis zu ca. 1,5 l/Std. sowie die begleitende Begasung von Wasserstoff (H₂) und Luftsauerstoff bzw. HHO-Gas mit Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Luft oder von Gemischen derselben (→ );
– dass die Steuerung der Position der Verbrennungsdüsen im Ofen erfolgt durch eine nach außen reichende Mechanik zwecks Optimierung der Wirkungsgrade der Reaktionswärme und der Wärmeübertragung an den Kühlmantel.

(5) Beispiel
Im Wasserstoff-Verbrennungsofen mit einem Wasser-Aluminiumoxid-Gemisch bis zur Sättigung, so das kein freies Wasser (H₂O) vorhanden ist, wird HHO-Gas aus einer Wasser-Elektrolyse-Vorrichtung bei geöffnetem Luft-Einstell-Ventil und geöffnetem Abgas-Ausgang elektrisch gezündet.
Durch die Wasserbildungs-Reaktion steigt die Temperatur im flammennahen Bereich auf ca. 1000–1300°C. Nun werden Luftzugang und Abgasabgang um ca. 50% gedrosselt; die Temperatur steigt auf ca. 1500°C.
Abgegangener Wasserdampf wird auf das Aluminiumoxid zurückgeführt, mess- und regeltechnisch über die Temperatur im Wärmeträger-Material des Ofens gesteuert.
Durch Erhöhung der Luftzufuhr wird die Temperaturerhöhung auf ca. 1800–2600°C erreicht (im heißen Bereich des Ofens und nicht im umgebenden Ofen-Raum), bei der der Dauerbetrieb erfolgt.
Am Katalysator waren edelsteinartige Kristallstrukturen mit einer mohsschen Härte von ca. 9,5 entstanden.
Dabei wird ein Wärme-Gewinnungs-Wirkungsgrad von ca. 98% erreicht – bezogen auf die eingesetzte Energie zur Erzeugung des HHO-Gases.
Die Ofen-Innenwand-Temperatur beträgt am Ofenausgang ca. 500°C.
Die Abgase waren frei von Stickoxiden und frei von Kohlenwasserstoffen.
Die CO- und CO₂-Werte lagen bei jeweils 0,00 ppm.
(6) Vorteile der Erfindung
Die Vorteile der Erfindung sind:

1. Der hohe Wirkungsgrad der Wärmegewinnung im Kühl-Kreislauf von > 95% – bezogen auf die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff (H₂) – bedingt durch die Kombination von Wärme-Leitung und Wärme-Strahlung.
2. Dieser hohe Wirkungsgrad der Wärmegewinnung wird durch ein Verbrennungsverfahren ohne Wirbelschicht-Technologie erreicht;
3. Die Langlebigkeit des Verbrennungsofens – bedingt durch die eng begrenzte Flammen – „Geometrie”, d. h., der heiße Bereich im Ofen begrenzt sich durch das Verfahren auf einen begrenzten Raum im Bereich der metalloxidhaltigen Erden, wodurch die Ofen-Innenwand-Temperaturen auf < 1250°C gehalten werden können, die geeignete Stähle langfristig aushalten, ohne ihre Schmelztemperaturen zu erreichen.
4. Das Verfahren und der Ofen sind apparativ und ökonomisch einfach und günstig zu gestalten.
5. Die Größe des Ofens ist in Abhängigkeit von den Verfahrensparametern variierbar.
6. Das Verfahren zeichnet sich durch sehr geringe Schadstoff-Emissionen gegenüber herkömmlichen Energiegewinnungs-Verfahren auf Basis fossiler Brennstoffe aus.
7. Die anfallende thermische Energie kann entsprechend dem Stand der Technik in verschiedenhohen Niveaus erzeugt werden und direkt als solche spezifisch für Heiz- und/bzw. Kühlprozesse genutzt oder nach klassischen Verfahren über Turbine und Generator in Strom umgewandelt werden. D. h., bei Kraft-Wärme-Kopplung läge der Wirkungsgrad dann bei ca. 90%, ohne Berücksichtigung von Elektrolyseverlusten, die bei der Zerlegung von Wasser (H₂O) zu Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O) auftreten.
8. Das Verfahren ist unabhängig von fossilen Energieträgern und deren Standort.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202013005411 U1 [0009]
DE 102006047222 A1 [0011]
DE 102015004040 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lazlo von Kortvelyssy in „Thermoelement-Praxis-Neue theoretische Grundlagen” (1998) [0007]
Pilotprojekt 29.12.2015/http://green.wiwo.de/Pilotprojekt-zeigt-power-to-gas-laesst-sich-in-stromnetze-integrieren/ [0016]

Claims

Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% gekennzeichnet dadurch, dass Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas in einem Ofen (1) aus Edelstahl, geeignet gegen Wasserstoff-Versprödung, durch Gaszufuhr mit Austrittsdüsen (3) in den Ofen (1) hineinströmen und nach Zündung bei Gas-Durchsätzen von ca. 1000 bis 5000 l/Std. in Gegenwart von vorwiegend metalloxidhaltigen Erden (4) bei Temperaturen bis zu ca. 2600°C zu Wasser umgesetzt werden, wobei der Ofen (1) entsprechend dem Stand der Technik mit einem Kühlmantel (2) mit Wärme-Trägerflüssigkeit umgeben ist.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Verbrennungsflamme direkt auf die metalloxidhaltigen Erden (4) gerichtet ist.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass der Abstand der Gaszufuhr mit Austrittsdüsen (3) zu den metalloxidhaltigen Erden (4) durch eine Mechanik variiert werden kann.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die metalloxidhaltigen Erden (4) pulverförmig und grob-kristallin sind.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass die metalloxidhaltigen Erden (4) im Verhältnis bis zu ca. 33% der Erden-Masse mit Wasser (H₂O) gemischt werden.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass die metalloxidhaltigen Erden (4) vorwiegend im Zentrum des Ofens (1) auf einer massiven Grundplatte (5) positioniert sind.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass das Reaktions-Wasser während der Brenn-Reaktionen bis zu ca. 1,5 l/Std. in den Ofen (1) zurückgeführt wird.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass Wasserstoff und Luftsauerstoff bzw. HHO-Gas begleitend partiell mit gasförmigem Stickstoff oder gasförmigem Kohlendioxid oder gasförmigem Sauerstoff oder Luft vermischt werden.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Ofen (1) vorwiegend kubisch gebaut ist und bei Gasdurchsätzen von ca. 1000–5000 l/Std. die Innenmaße von ca. 200 × 200 × 200 mm aufweist sowie eine massive Grundplatte (5) und die Gaszufuhr mit Austrittsdüsen (3) enthält.
Verfahren und Ofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie von HHO-Gas zu Wasser mit Wirkungsgraden der Wärmegewinnung von > 95% nach Anspruch 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, dass auf der Basis des Al₂O₃-Katalysators Edelsteine der mohsschen Härte von ca. 8–10 entstehen.