DE102016204951A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff mittels Elektrolyse unter Verwendung einer thermochemischen Sauerstoffpumpe - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mittels Hochtemperaturelektrolyse sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mittels Hochtemperaturelektrolyse sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Die Oxidation von Wasserstoff in Brennstoffzellen produziert keine umwelt- und klimaschädlichen Emissionen, sondern nur Wasser als Reaktionsprodukt. Zudem besitzt Wasserstoff eine hohe Energie-Speicherdichte. Zur Herstellung von Wasserstoff existieren verschiedene Verfahren, wovon heute kommerziell hauptsächlich die Dampfreformierung, die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen und (bisher in geringem Umfang) die Elektrolyse Anwendung finden. Die beiden erstgenannten Verfahren haben den Nachteil, dass fossile Energieträger verwendet werden und klimaschädliches Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt anfällt.
• Bei der Elektrolyse wird mit Hilfe von elektrischem Strom die Energie entsprechend der Reaktionsenthalpie ΔH⁰ aufgebracht, um Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen: H₂O → H₂ + 1/2O₂ ΔH⁰ = –285,3 kJ/mol (1.1)
• Dieser elektrische Strom kann auch mit Hilfe regenerativer Energieträger bereitgestellt werden, was eine Wasserstoffherstellung ohne Emission von CO₂ oder anderen klimaschädlichen Gasen ermöglicht. Ein Elektrolysegerät besitzt zwei Elektroden, an denen in der Regel eine Gleichspannung von etwa 1.5 Volt anliegt, so dass Strom durch das Wasser fließt. An der Anode wird durch Oxidation des Wassers Sauerstoff frei, an der Kathode durch Reduktion Wasserstoff. 1 zeigt schematisch eine entsprechende Vorrichtung.
• Da die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser sehr niedrig ist, werden häufig Zusatzstoffe eingesetzt, um diese zu erhöhen. Dazu werden Elektrolyten mit hoher Ionenmobilität verwendet, wie zum Beispiel Kaliumhydroxid (alkalische Elektrolyse). Anode und Kathode werden durch ein Diaphragma beziehungsweise eine Membran getrennt (Separator), welche durchlässig für Ionen ist und so den Stromfluss ermöglicht, aber die Vermischung der beiden Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff verhindert. Da im Rahmen der Alkali-Elektrolyse nur verhältnismäßig geringe Stromdichten und damit Umsatzraten erreicht werden, wurden andere Verfahren, wie zum Beispiel die PEM-Elektrolyse entwickelt (PEM: engl. ,proton exchange membrane', Ionenaustauschmembran), bei welcher ein festes Polymer als Elektrolyt und Separator verwendet wird.
• Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren konnte sich bisher die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse im industriellen Maßstab nicht gegenüber konventionellen Methoden, wie beispielsweise der Dampfreformierung, durchsetzen. Dies ist begründet in den vergleichsweise hohen Kosten des elektrolytisch produzierten Wasserstoffs. Der Preis pro kg Wasserstoff liegt bei der Elektrolyse selbst dann über dem Preis konventionell produzierten Wasserstoffs, wenn für die Stromerzeugung nur nicht regenerative Energieträger verwendet werden. Der Grund dafür ist die verlustreiche Umwandlung von chemischer Energie im Kohle- oder Gaskraftwerk, beziehungsweise von nuklearer Energie in elektrischen Strom und wieder zurück in chemische Energie durch Elektrolyse. Der Preis pro MJ Energie ist daher bei elektrischem Strom derzeit deutlich höher als zum Beispiel bei der Wärmeerzeugung durch Verbrennung von Erdgas. Für die Effizienz und zur Kostenreduktion der Elektrolyse ist es daher empfehlenswert, einen möglichst hohen Anteil der zur Wasserspaltung nötigen Energie durch Wärme bereitzustellen. Wärmeenergie kann beispielsweise mit hoher Effizienz solarthermisch bereitgestellt werden. Hochtemperaturelektrolyseverfahren ermöglichen bereits den Ersatz von elektrischer durch Wärmeenergie, allerdings nur in begrenztem Umfang.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff bereitzustellen, wobei der benötigte Bedarf an elektrischer Energie geringer gegenüber den bekannten Verfahren ist, so dass Wasserstoff kostengünstig bereitgestellt werden kann. Weiterhin wünschenswert ist, Wasserstoff bereitzustellen, ohne dass es zu wesentlichen Emissionen energieschädlicher Gase kommt, um die Umweltfreundlichkeit von Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft hervorzuheben.
• Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es möglich ist Wasserstoff bereitzustellen, wobei die für die Elektrolyse benötigte Strommenge verringert werden kann und durch Wärmeenergie ersetzt werden kann. Wärme ist kostengünstiger und einfacher und meist auch umweltfreundlicher, im Sinne einer geringen Emission klimaschädlicher Gase, zu erhalten. Dies wird einerseits durch die Hochtemperaturelektrolyse ermöglicht. Die benötigte elektrische Energie zur Wasserzerlegung kann hierdurch bereits verringert werden. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Kombination der Hochtemperaturelektrolyse mit einer thermochemischen Sauerstoffpumpe der Energiebedarf deutlich gesenkt werden kann.
• Elektrochemische Sauerstoffpumpen sind beispielsweise in DE 101 56 349 B4 offenbart. Diese würde jedoch erneut elektrische Energie verbrauchen, was wiederrum zur Verringerung der Effizienz der Hochtemperaturelektrolyse diesbezüglich führen würde. Dies kann jedoch mit einer thermochemischen Sauerstoffpumpe vermieden werden.
• Es sind bereits einige Prozesse bekannt, die mit Hilfe chemischer Reaktionen die Nutzung von Wärmeenergie ermöglichen. Diese werden in der Regel in einem Kreislauf mit mehreren Stufen bei verschiedenen Temperaturen und/oder Drücken betrieben und werden deshalb als thermochemische Kreisprozesse bezeichnet. Dabei werden häufig Redoxreaktionen genutzt, wobei bei hohen Temperaturen das entsprechende redoxaktive Material (teilweise) reduziert, und bei niedrigen Temperaturen wieder oxidiert wird. Stand der Technik sind hierbei beispielsweise Verfahren zur Anreicherung von Sauerstoff aus der Luft oder zur Produktion von Kohlenstoffmonoxid als Ausgangsstoff für Kohlenwasserstoffe zur Anwendung in der Chemieindustrie und als Kraftstoffe.
• Durch die bei Redoxprozessen auftretenden Enthalpieunterschiede zwischen Produkt und Edukt ist es zudem möglich, Wärmeenergie zu speichern. Die Reduktion erfolgt unter Zufuhr von Wärmeenergie, während die Oxidation Wärme freisetzt. Derartige Systeme können auch eingesetzt werden, um Wärmeenergie in Solarkraftwerken zu speichern und nachts oder bei Bewölkung wieder freizusetzen, um eine unterbrechungsfreie Stromproduktion zu ermöglichen.
• Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Materialien entsprechender Redoxprozesse auch als thermochemische Sauerstoffpumpe eingesetzt werden können. Bevorzugt umfasst die thermochemische Sauerstoffpumpe daher ein Redoxmaterial. Besonders bevorzugt weist das Redoxmaterial ein Metalloxid und/oder ein Fluid auf. Bevorzugt ist das Redoxmaterial ein Metalloxid oder ein Fluid. Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Gas oder eine Flüssigkeit, vorliegend mit Redoxeigenschaften.
• Redoxmaterialien im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind chemische Verbindungen mit Redoxeigenschaften. Hierbei handelt es sich um solche Verbindungen, die reversibel oxidiert und reduziert werden können. Vorteilhafterweise sind diese ausgewählt aus der Gruppe der Metalloxide, gemischten Metalloxiden und/oder dotierten Metalloxiden sowie der Fluide.
• Besonders bevorzugt ist das Redoxmaterial multivalent. Multivalent im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Redoxmaterial, das mehrere Oxidationsstufen nebeneinander aufweist. Die bevorzugten Oxide sind dabei solche, welche besonders effizient Sauerstoff speichern und wieder abgeben können.
• Bevorzugte Fluide sind gasförmig, insbesondere bevorzugt sind gasförmige Schwefeloxide SO_x, welches als SO₂ beziehungsweise SO₃ vorliegen kann und durch Redoxreaktionen in einer Sauerstoffpumpe eingesetzt werden kann.
• Ist das Redoxmaterial ein Metalloxid, ist es besonders bevorzugt ausgewählt aus Cobaltoxid, Ceroxid, Kupferoxid, Bariumoxid, Ferriten, Zinkoxid, Manganoxid, Lanthanoxid, Oxiden der generellen Formel M_x ²⁺Zn_1-x ²⁺Fe₂O₄, wobei M_x ²⁺ ein zweiwertiges Metallion ausgewählt aus der Gruppe Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Sn, Ba, Cd oder Pb, und x eine Zahl in einem Bereich von 1 bis 5, insbesondere 2 bis 3 ist, und Mischungen dieser Oxide. Besonders bevorzugt sind zudem Mischmetalloxide ausgewählt aus der Gruppe der Perowskite und Brownmillerite mit der chemischen Zusammensetzung A^m+Bⁿ⁺O_x, wobei das Kation A^m+ mit einer Wertigkeit m im Bereich von 1 bis 3, insbesondere 2, aus der Gruppe der Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle ausgewählt ist, das Kation Bⁿ⁺ mit einer Wertigkeit n im Bereich von 1 bis 5, insbesondere 3 bis 4, ausgewählt aus der Gruppe der Übergangsmetalle und Hauptgruppenmetalle ist, und die Sauerstoffstöchiometrie x im Bereich 2 bis 4 liegt, insbesondere im Bereich 2.5 bis 3.
• Das vorliegende Verfahren kombiniert somit die Hochtemperaturelektrolyse mit einer thermochemischen Sauerstoffpumpe. Der bei der Hochtemperaturelektrolyse entstehende Sauerstoff wird mittels der thermochemischen Sauerstoffpumpe aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt. Hierdurch läuft die Elektrolysereaktion effizienter ab. Somit kann erneut Energie eingespart werden. Die thermochemische Sauerstoffpumpe sorgt nun dafür, dass der Sauerstoffpartialdruck der Gasmischung, die bei der Hochtemperaturelektrolyse entsteht abgesenkt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird dabei unter das Niveau des Wasser(dampf)partialdruckes abgesenkt. Jede Reduzierung des Druckniveaus auf der Sauerstoffseite gegenüber der Wasserseite führt zu einer Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs. Bevorzugt erfolgt die Absenkung auf bis zu 10^–20 bar, insbesondere auf bis zu 10^–15 bar, bevorzugt auf bis zu 10^–10 bar, 10^–7 bar, 10^–5 bar oder bis 10^–1 bar. Der Anteil an elektrischer Energie am gesamten Energiebedarf der Elektrolyse wird reduziert, sobald der Sauerstoffpartialdruck p_O2 niedriger ist als der Druck des Wassers oder Wasserdampfes p_H2O, so dass gilt:

  

  Je geringer der
• Sauerstoffpartialdruck, desto besser läuft die gewünschte Reaktion ab und desto niedriger ist der Anteil der elektrischen Energie am gesamten Energiebedarf. Dabei ist der zu erreichende Druck abhängig von dem für die thermochemische Sauerstoffpumpe gewählten Material und den Betriebstemperaturen von Reduktion und Oxidation.
• Der Pumpvorgang von Sauerstoff läuft dabei üblicherweise bei einer gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperatur ab. Die entsprechende Temperatur ist dabei abhängig von dem gewählten Material und kann vom Fachmann entsprechend eingestellt werden. Üblicherweise beträgt die Temperatur 200 °C oder mehr, insbesondere liegt sie im Bereich von 200 °C bis 1.500 °C. In diesem Bereich findet bei fast allen Materialien ein effektiver Sauerstofftransport statt. Die hierfür benötigte thermische Energie wird vorzugsweise mittels Solarenergie bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die benötigte Wärmemenge mittels konventioneller Energieträger, wie beispielsweise durch die Verbrennung von Erdöl, Erdgas, Kohle oder ähnlichem bereitgestellt wird. Zudem ist erfindungsgemäß der Einsatz jeglicher nuklearer Energiequellen zur Wärmebereitstellung möglich. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch, ein energieeffizientes und möglichst auch umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bereitzustellen, so dass die Bereitstellung der benötigten Wärme insbesondere durch regenerative Energien erreicht wird. Regenerative Energien sind dabei solche Energieträger, bei denen bei der Erzeugung kein oder nur wenig klimarelevantes Gas, insbesondere CO₂, erzeugt wird. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um mittels Biogas, Windenergie oder Solarenergie erhaltene Wärme. Solarenergie ist dabei besonders bevorzugt, da hierdurch unmittelbar Wärme erhalten wird, die dann ohne Umwandlung in eine andere Energieform der thermochemischen Sauerstoffpumpe zur Verfügung steht.
• Bei der stattfindenden Elektrolysereaktion handelt es sich um eine Hochtemperaturelektrolyse, bei welcher Wasser bei gegenüber Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur unter Einwirkung von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Je höher die Temperatur, desto geringer ist der für die Spaltung benötigte Strombedarf. Bevorzugt beträgt die Temperatur daher 500 °C bis 1.000 °C, insbesondere von 600 °C bis 900 °C und bevorzugt von 700 °C bis 800 °C. Bei diesen Temperaturen findet eine Elektrolyse effizient statt. Bei höheren Temperaturen würden Vorrichtungen benötigt, die besonderen dann herrschenden Anforderungen standhalten müssten, so dass aus kosteneffizienter Sicht diese Temperaturen bevorzugt sind.
• Zur Erwärmung des Wassers auf die genannten Temperaturen finden erneut vorzugsweise die bereits hinsichtlich der thermochemischen Sauerstoffpumpe weiter oben angeführten regenerativen Energien Anwendung. Besonders bevorzugt wird zur Erwärmung bei der thermochemischen Sauerstoffpumpe nicht mehr benötigte, also überschüssige, Wärme in das Wasser eingeleitet. Die Wärmeenergie kann auch durch Abwärme aus Industrieanlagen bereitgestellt oder über erneuerbare Energiequellen eingebracht werden. Da die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom mit hohen Verlusten behaftet ist, ermöglicht die Zuführung von Wärmeenergie vor der Hochtemperaturelektrolyse sowie für die thermochemische Sauerstoffpumpe eine höhere Energieeffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Da Wasserstoff zur Speicherung und zum Transport im komprimierten Zustand benötigt wird, ist es zudem von Vorteil, die Elektrolysereaktion bei erhöhtem Druck durchzuführen, um weniger Energie zur mechanischen Kompression verwenden zu müssen. Bevorzugt erfolgt die Hochtemperaturelektrolyse daher bei einem Druck im Bereich von 1 bar bis 100 bar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert dabei die Vorteile der Hochtemperaturelektrolyse mit der Reduktion des Sauerstoffpartialdrucks an der Anode bei der Elektrolysereaktion.
• Der Grundgedanke bei der Hochtemperaturelektrolyse ist, dass die Wasserstoffproduktion bei erhöhter Temperatur weniger elektrische Energie benötigt. Somit kann ein Teil der Energie, die zur Spaltung von Wasser benötigt wird, als Wärme bereitgestellt werden. Dies ist energetisch günstiger, da der Umwandlungsschritt von Wärme in Strom zum Teil vermieden werden kann, wie bereits in 1.1 erwähnt.
• Eine weitere Möglichkeit, den Anteil an elektrischem Energiebedarf zu reduzieren, besteht darin, den Sauerstoffpartialdruck an der Anode abzusenken. Die Spannung, die im Elektrolyseur zur Wasserspaltung notwendig ist, ist direkt von der Gibbs-Energie der Wasserspaltung abhängig. Die Abhängigkeit von Temperatur und Sauerstoffdruck ist in Gleichung (1) beschrieben:

  
• Dabei bedeuten:

G_WS:

Freie Enthalpie der Wasserspaltung

n:

Anzahl der Wassermoleküle

A:

Stromspannung

H_WS:

Enthalpieänderung bei der Wasserspaltung (abhängig vom Druck des Wassers)

T_el:

Temperatur im Elektrolyseur

S_WS:

Entropieänderung bei der Wasserspaltung

p_H2O:

Wasserdruck an Kathode

p_O2:

Sauerstoffdruck an Anode.

• Wird der Partialdruck beispielsweise bei einer Temperatur von 700 °C von 1 bar auf 10^–5 bar reduziert, kann der Anteil an Wärmeenergie um 56 % von unter 27,5 % auf fast 42,9 % erhöht werden. Da, wie bereits mehrfach betont, Wärmeenergie kostengünstiger und einfacher zu erhalten ist als Strom, wird hierdurch ein energieeffizientes Verfahren ermöglicht.
• Thermodynamisch betrachtet ändert sich die Energie eines idealen Gases bei einer Druckänderung nicht, so dass die Druckabsenkung des Sauerstoffs mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren äußerst energieeffizient gestaltet werden kann.
• Die thermochemische Sauerstoffpumpe macht sich dabei das Prinzip eines thermochemischen Kreisprozesses zu eigen.
• Bei der Reduktion, einem endothermen Prozessschritt, wird das Redoxmaterial erhitzt (beispielsweise durch Solarwärme) und gibt dabei Sauerstoff ab. Der frei werdende Sauerstoff kann an die Umgebungsluft abgegeben werden. Bei der exothermen Oxidation nimmt das Redoxmaterial Sauerstoff auf. So kann beispielsweise Umgebungsluft in den Oxidationsreaktor geführt werden. Der Luftsauerstoff wird aufgenommen und es bleibt Stickstoff mit Argon und Spurengasen und einem geringen Sauerstoffanteil übrig. Dieses Gasgemisch kann nun auf der Anodenseite eingeleitet werden und somit den Sauerstoffpartialdruck absenken.
• Es ist auch möglich, dass durch den oben beschriebenen thermochemischen Kreisprozess der Gesamtdruck auf der Anodenseite abgesenkt wird, indem das Abgas der Anode (der Sauerstoffstrom) direkt an den Oxidationsreaktor angeschlossen wird. Das Gleichgewicht zwischen Redoxmaterial und Sauerstoff stellt sich dann entsprechend der Temperatur und dem Zustand des Redoxmaterials bei einem niedrigen Sauerstoffdruck ein. Der Kreisprozess fungiert also als thermochemische Sauerstoffpumpe.
• Der theoretische Wirkungsgradvorteil durch die Absenkung des Sauerstoffdrucks ist in 2 dargestellt. Dargestellt ist die Erhöhung des Wirkungsgrades der Umwandlung von solarthermischer Energie in chemisch gespeicherte Energie (,solar to fuel efficiency') in Abhängigkeit des Sauerstoffpartialdrucks (logarithmisch aufgetragen, log(P_O2)) für verschiedene Temperaturen. Hier wurden für den Solarteil ein Konzentrationsverhältnis der Solarstrahlung von 2000 und eine Rückstrahlungstemperatur des Receivers von 1200 K angenommen.
• In 3 ist eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, schematisch gezeigt. Die gezeigte Vorrichtung besteht aus der Kombination einer Hochtemperatur-Elektrolysevorrichtung (3) und einer thermochemischen Sauerstoffpumpe (4). Das Wasser beziehungsweise der Wasserdampf wird in einem Wärmeübertrager/Verdampfer (1) erhitzt, nachdem es gegebenenfalls in einem Kompressor (2) komprimiert wurde. Eine entsprechend erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst daher vorzugsweise wenigstens einen Wärmeübertrager (1) zur Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Wassers, wenigstens einen Wasserspeicher (2) und gegebenenfalls mit Kompressor zum Komprimieren des Wassers, einen Elektrolyseur (3) zur Hochtemperaturelektrolyse, sowie eine thermochemische Sauerstoffpumpe (4).
• In 3 wird als Eingangsstoff Wasser verwendet. Es kann optional schon auf einen gegenüber unter Normalbedingungen herrschenden Umgebungsdruck erhöhten Druck komprimiert werden, damit das Produktgas Wasserstoff auch nicht mehr für mögliche folgende Prozessschritte oder für den Transport komprimiert werden muss. Der gewünschte Enddruck hängt davon ab, wofür der Wasserstoff weiterverwendet wird. Im nächsten Schritt wird das Wasser verdampft und überhitzt. Die hierfür notwendige Wärme kann zumindest zum Teil als Abwärme der thermochemischen Sauerstoffpumpe (4) bereitgestellt werden. Die für die Reduktion benötigte Wärme wird im Oxidationsschritt wieder frei. Die hierbei freiwerdende Wärmemenge hängt vom Redoxmaterial, vom gewünschten Sauerstoffdruck und vom Temperaturniveau der Hochtemperaturelektrolyse ab. Wird ein mehr an Wärme für die Erhitzung des Wassers benötigt, kann dieses beispielsweise durch konzentrierte Solarstrahlung bereitgestellt werden. Das Wasser weist nun die für die Elektrolyse (T_el) benötigte Temperatur und den Druck p_H2O auf.
• Der Wasserstrom wird im Folgenden in den Elektrolyseur (3) geleitet, in welchem die Wasserspaltung stattfindet. Hier wird der Nutzen der hohen Temperatur und des niedrigen Sauerstoffdrucks deutlich, indem die nötige Spannung zur Wasserspaltung niedriger als bei konventioneller Elektrolyse ist. Die benötige elektrische Energie Q_el kann von einem konventionellen Kraftwerk oder bevorzugt von einem Solarkraftwerk bereitgestellt werden. In der bevorzugten Form wird die gesamte Wasserstoffproduktion rein solarthermisch betrieben, was vorliegend besonders bevorzugt ist.
• Der erhaltene Wasserstoff kann aus dem Elektrolyseur (3) abgezogen und gespeichert werden. Der Sauerstoff wird der thermochemischen Sauerstoffpumpe (4) zugeführt und auf Umgebungsdruck p_umg gepumpt. Es ist auch möglich, den Reduktionsreaktor mit Luft zu spülen, sodass der Sauerstoff schon auf dem Niveau des Sauerstoffpartialdrucks in Luft freigegeben werden kann. Die thermochemische Sauerstoffpumpe (4) benötigt die Wärmeenergie Q_th,ein für die Reduktion und gibt dieselbe Wärmemenge bei der Oxidation wieder ab (Q_th,aus).
• Eine vollständige Wärmeintegration kann schematisch nicht dargestellt werden, da diese stark von den verwendeten Betriebs- und Materialparametern abhängt. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff können selbstverständlich auch noch auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, wobei die dabei zur Verfügung gestellte Wärme an anderer Stelle, zum Beispiel zur Vorwärmung des Wassers, genutzt werden kann.
• Ein detaillierteres Ausführungsbeispiel der thermochemischen Sauerstoffpumpe ist in 4 dargestellt. 4 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer thermochemischen Sauerstoffpumpe unter Verwendung von konzentrierter Solarstrahlung. Zu erkennen ist hier, dass die Pumpe nur Wärme in Form von konzentrierter Solarstrahlung benötigt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt das Redoxmaterial in Partikelform vor und wird kontinuierlich zwischen Reduktions- und Oxidationsreaktor im Kreis geführt. Da Reduktion und Oxidation auf verschiedenen Temperaturniveaus stattfinden, ist es angebracht, eine Wärmerückgewinnung in Form eines Partikel-Partikel-Wärmetauschers einzusetzen.
• Die Erfindung ist im industriellen Maßstab anwendbar. Wasserstoff wird als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft gehandelt. Weiterhin wird Wasserstoff als wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie, beispielsweise bei der Ammoniakproduktion, benötigt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10156349 B4 [0009]

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mittels Hochtemperaturelektrolyse, wobei der Sauerstoffpartialdruck bei der Elektrolysereaktion mittels einer thermochemischen Sauerstoffpumpe erniedrigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturelektrolyse bei einer Temperatur im Bereich von 500 °C bis 1000 °C, insbesondere von 600 °C bis 900 °C und bevorzugt von 700 °C bis 800 °C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturelektrolyse bei einem Druck im Bereich von 1 bar bis 100 bar erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Sauerstoffpumpe ein Redoxmaterial aufweist, welches insbesondere ausgewählt ist aus wenigstens einem Metalloxid und/oder wenigstens einem Fluid.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Cobaltoxid, Ceroxid, Kupferoxid, Bariumoxid, Ferriten, Zinkoxid, Manganoxid, Lanthanoxid, Oxiden der generellen Formel M_x ²⁺Zn_1-x ²⁺Fe₂O₄, wobei M_x ²⁺ ein zweiwertiges Metallion ausgewählt aus der Gruppe Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Sn, Ba, Cd oder Pb, und x eine Zahl in einem Bereich von 1 bis 5, insbesondere 2 bis 3 ist, Perowskiten und Brownmilleriten mit der allgemeinen chemischen Zusammensetzung A^m+Bⁿ⁺ O_x, wobei das Kation A^m+ mit einer Wertigkeit m im Bereich von 1 bis 3, inbesondere 2, aus der Gruppe der Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle ausgewählt ist, das Kation Bⁿ⁺ mit einer Wertigkeit n im Bereich von 1 bis 5, inbesondere 3 bis 4, ausgewählt aus der Gruppe der Übergangsmetalle und Hauptgruppenmetalle ist, und die Sauerstoffstöchiometrie x im Bereich 2 bis 4 liegt, insbesondere im Bereich 2.5 bis 3, und Mischungen dieser Oxide, besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxmaterial gasförmig oder flüssig ist und insbesondere SO_x aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffpartialdruck auf bis zu 10^–1 bis 10^–5 bar abgesenkt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Hochtemperaturelektrolyse benötigte Energie und/oder die für die Sauerstoffpumpe benötigte Wärme mittels regenerativer Energien, insbesondere mittels Solarenergie bereitgestellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Sauerstoffpumpe nicht mehr benötigte Wärmemenge zur Erwärmung des Wassers vor der Elektrolyse eingesetzt wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend wenigstens einen Wärmeübertrager (1), wenigstens einen Wasserspeicher (2) zum Erwärmen und gegebenenfalls komprimieren des Wassers, einen Elektrolyseur (3) zur Hochtemperaturelektrolyse und eine thermochemische Sauerstoffpumpe (4).

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