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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff vorzugsweise aus Meerwasser.
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Stand der Technik
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Verfahren und Systeme zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Gemäß der bekannten Verfahren und Systemen wird das verwendete Meerwasser in der Regel zunächst aus dem Meer gepumpt oder angesaugt, bevor es anschießend demineralisiert wird. Bei der Demineralisierung wird das in dem Meerwasser vorhandene Natriumchlorid sowie die weiteren im Meerwasser gelösten Salze mittels Verdampfungsverfahren, Destillationsverfahren oder dergleichen von dem reinen Wasser getrennt. Schließlich findet in einem letzten Schritt durch das Anlegen einer geeigneten Spannung unter Verbrauch elektrischer Energie die elektrolytische Umwandlung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff statt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff gemäß dem Hauptanspruch dient insbesondere einem möglichst flexiblen Einsatz im Hinblick auf den Einsatzort. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, dass für die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff kein direkter Zugang zu lokalen Süßwasserquellen erforderlich ist, sondern auch Meerwasser verwendet werden kann. Ferner zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass hauptsächlich bzw. ausschließlich regenerative Energiequellen genutzt werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur hinsichtlich der Flexibilität betreffend den Einsatzort, sondern auch im Hinblick auf die Umweltfreundlichkeit, die Energieverfügbarkeit und die Wirtschaftlichkeit besonders vorteilhaft ist. Auch ist eine CO2 freie Durchführung des Verfahrens möglich. Diese Vorteile sind bei herkömmlichen Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser nicht vorhanden, da sowohl zur Förderung, als auch zur Demineralisierung in der Regel ein großer energetischer Aufwand, insbesondere mit fossilen Brennstoffen, betrieben werden muss, wodurch große Menge CO2 produziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser kann hierbei vorzugsweise zumindest tlw. im Meer ausgeführt werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine günstige Bereitstellung des Ausgangsstoffes „Meerwasser“ ohne aufwändigen Transport von Vorteil. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt gegenständlich zunächst eine Förderung von Meerwasser, wobei die Förderung zumindest tlw. durch ein Ansaugen des Meerwassers mittels osmotischen Drucks erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Förderung von Meerwasser hierbei zumindest tlw., vorzugsweise vollständig über den Prozess der Vorwärtsosmose.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren und System nicht auf die Verwendung von Meerwasser beschränkt.
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Zur Förderung des Wassers kann hierbei vorteilhafterweise eine Osmose-Einheit, insbesondere eine Vorwärtsosmose-Einheit vorgesehen sein. Eine solche Einheit umfasst vorzugsweise ein Auffangbehältnis für Wasser, das mit einer Vorwärtsosmose-Membran ausgestattet und zumindest tlw. mit einer konzentrierten Salzlösung gefüllt ist. Durch die Anordnung der konzentrierten Salzlösung innerhalb der Osmose-Einheit wird ein Konzentrationsgefälle zwischen dem Meerwasser und der Salzlösung hergestellt. Durch den Konzentrationsunterschied wird ein osmotischer Druck erzeugt, der einen Fluidstrom aus dem Meer in die Osmose-Einheit bewirkt. Die in dem Meerwasser gelösten Bestandteile werden hierbei durch die Osmose-Membran gefiltert und so von dem Wasser getrennt.
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Alternativ zu einer vollständigen Förderung des Meerwassers über osmotischen Druck kann auch vorgesehen sein, dass das Fördern von Meerwasser zumindest tlw. durch aktives Pumpen unterstützt wird. Um das gegenständliche Verfahren möglichst wirtschaftlich und umweltfreundlich zu betreiben, erfolgt hierbei eine Unterstützung durch aktives Pumpen vorteilhafterweise nur in Phasen, in denen ein großer Bedarf an Meerwasser besteht und/oder das Konzentrationsgefälle nicht ausreicht, um einen effizienten Transport von Meerwasser zu gewährleisten. Da die Osmose-Einheit zur Erzeugung des osmotischen Drucks notwendigerweise zumindest tlw. mit einer konzentrierten Salzlösung gefüllt sein muss und das geförderte Wasser mit der Lösung in Kontakt kommt, ist vor einer elektrolytischen Umwandlung eine Demineralisierung des geförderten Wassers erforderlich. Dieser auf den Schritt der Förderung des Meerwassers folgende Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens findet gegenständlich in einem mit der Osmose-Einheit verbundenen ersten Behälter statt, wobei die Demineralisierung zumindest tlw. mittels Einwirkung von Solarenergie erfolgt.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Demineralisierung des Meerwassers mittels direkter Einstrahlung von Sonnenlicht, indem der Wasseranteil des salzhaltigen Wassers durch Verdampfen von den im Wasser gelösten Substanzen getrennt wird. Das Wasser kann anschließend wahlweise als Wasserdampf und/oder nach Kondensation des Wasserdampfs auch im flüssigen Aggregatszustand weiterverarbeitet werden.
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Auf den Schritt der Demineralisierung des geförderten Wassers erfolgt gegenständlich die elektrolytische Umwandlung des von seinen festen Bestandteilen getrennten Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Verfahrensschritt findet erfindungsgemäß in einem entsprechenden mit dem ersten Behälter verbundenen Elektrolyse-Reaktor statt, wobei die elektrolytische Umwandlung von Wasser zumindest tlw. durch Hochtemperaturelektrolyse erfolgt. Als Hochtemperaturelektrolyse wird im Rahmen dieser Erfindung eine Elektrolyse bei einer Temperatur oberhalb von 100 °C, vorzugsweise oberhalb von 300 °C, insbesondere oberhalb von 500 °C verstanden. Um eine besonders reine und komplikationsarme elektrolytische Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu gewährleisten, kann vor dem Prozess der Elektrolyse vorteilhafterweise eine Filterung des Wassers bzw. Wasserdampfs erfolgen.
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Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung zudem vorgesehen sein, dass der Verfahrensschritt des Förderns von Meerwasser zeitlich getrennt von den Verfahrensschritten des Demineralisierens und/oder der elektrolytischen Umwandlung des Wassers, insbesondere bei Nacht erfolgt. Eine zeitliche Trennung der Verfahrensschritte ist insbesondere sinnvoll, wenn der Verfahrensschritt des Demineralisierens über ein Verdampfen des Wassers erfolgt und keine zusätzlichen Elemente zur Trennung der Osmose-Einheit und des Behälters vorgesehen sind. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei einem Verdampfen ein entsprechender Verdampfungsdruck generiert wird, der das in den ersten Behälter geförderte Wasser wieder in die Osmose-Einheit zurücktreiben würde, anstatt es zu verdampfen. Zudem würde auch bei entsprechend vorgesehenen Elementen, wie Einwegeventilen oder dergleichen die niedrige Temperatur des geförderten Meerwassers die Temperatur im ersten Behälter absenken, was einer Verdampfung des Wassers ebenfalls entgegenwirken würde.
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Im Rahmen einer zeitlich getrennten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet es sich insbesondere an, den Schritt der Förderung des Meerwassers bei Nacht durchzuführen, da der Schritt der Demineralisierung des Wassers die Einstrahlung von Sonnenlicht erfordert und somit zumindest bei direkter Verwendung des Lichts bei Tag durchgeführt werden muss. Hinsichtlich einer größtmöglichen Flexibilität kann es ferner sinnvoll sein, dass der erste Verfahrensschritt des Förderns von Meerwasser nicht nur nachts, sondern auch dann durchgeführt wird, wenn das Meerwasser knapp wird und/oder die Sonneneinstrahlung zur Verdampfung des Meerwassers nicht ausreicht bzw. ungünstig ist. Im Rahmen einer zumindest tlw. Durchführung des Verfahrens im Meer bietet es sich hinsichtlich einer kostengünstigen Durchführung des Verfahrens zudem insbesondere an, den ersten Verfahrensschritt der Förderung des Meerwassers im Meer durchzuführen.
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Um eine zeitliche Trennung der einzelnen Verfahrensschritte möglichst präzise und zuverlässig durchführen zu können, kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Verfahrensschritt des Demineralisierens des Meerwassers erst initiiert wird, wenn der erste Verfahrensschritt des Förderns von Meerwasser abgeschlossen ist. Hierbei bietet es sich insbesondere an, die Initiierung durch das Schließen eines Ventils zu steuern, das vorzugsweise zwischen der Osmose-Einheit und dem ersten Behälter angeordnet ist. Auf diese Weise kann der erste Behälter von der Osmose-Einheit separiert werden, sodass der gewünschte Verdampfungsdruck erzeugt werden kann, ohne dass gefördertes Wasser in die Osmose-Einheit zurückfließt. Um alternativ eine Förderung von Meerwasser auch zeitgleich mit dem Prozess der Demineralisierung des Wassers zu ermöglichen, kann ferner ein entsprechend separiertes Zwischenreservoir vorgesehen sein, dass vorzugsweise zwischen der Osmose-Einheit und dem ersten Behälter angeordnet ist.
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Eine besonders einfache und kostengünstige Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich hierbei, wenn der Verfahrensschritt des Demineralisierens des Meerwassers durch die Einstrahlung von Sonnenlicht erfolgt, wobei das Sonnenlicht vor der Einstrahlung vorzugsweise gesammelt und gebündelt wird. Eine Sammlung und Bündelung des Sonnenlichts kann hierbei insbesondere über eine geeignete Anordnung umfassend Parabolspiegel und/oder Sammellinsen und/oder Streulinsen und dergleichen erfolgen. Ziel der Sammlung und Bündelung des Lichts ist es dabei, eine möglichst hohe Energiedichte zu erzeugen, die in der Lage ist, das in dem ersten Behälter gespeicherte Wasser zu verdampfen. Alternativ zu einer direkten Nutzung des Sonnenlichts kann das Sonnenlicht auch dazu verwendet werden, eine an dem ersten Behälter angeordnete Heizquelle oder dergleichen anzutreiben, die für die Verdampfung des gespeicherten Wassers sorgt.
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Um eine besonders effiziente Elektrolyse zur Verfügung zu stellen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das demineralisierte Meerwasser vor der elektrolytischen Umwandlung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff zur Herstellung von überhitztem Wasserdampf erneut mittels Solarenergie behandelt wird, vorzugsweise mit Sonnenlicht bestrahlt wird, wobei das Sonnenlicht vor der Einstrahlung vorzugsweise gesammelt und gebündelt wird. Zur Durchführung dieses Prozesses kann ebenfalls ein in diesem Fall zweiter Behälter vorgesehen sein. Die für diesen Prozess notwendige Sammlung und Bündelung des Sonnenlichts kann derweil wiederum mittels einer geeigneten Anordnung umfassend Parabolspiegel und/oder Sammellinsen und/oder Streulinsen und dergleichen erfolgen. Die erneute Behandlung des geförderten, bereits einmal verdampften Wassers dient der Generierung von überhitztem Wasserdampf der bei der Durchführung einer Hochtemperaturelektrolyse verwendet wird. Die Hochtemperaturelektrolyse besitzt insbesondere hinsichtlich des Reaktionsumsatzes erhebliche Vorteile gegenüber der konventionellen Form der Elektrolyse bei Raumtemperatur. Zur Herstellung von überhitztem Wasserdampf ist es dabei erforderlich, den Wasserdampf unter hohem Druck von mehr als 10 bar, vorzugsweise von mehr als 100 bar, insbesondere von mehr als 200 bar zu erhitzen. Vorteilhafterweise ist der zur Generierung des überhitzten Wasserdampfs vorgesehene zweite Behälter über ein Ventil getrennt mit dem ersten Behälter verbunden. Um einerseits die Zuführung von Wasser bzw. Wasserdampf in den zweiten Behälter zu ermöglichen, aber dennoch die zur Generierung des überhitzten Wasserdampfs erforderlichen hohen Drücke zu gewährleisten, kann das Ventil insbesondere in Form eines Einwegeventils gebildet sein.
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Die elektrolytische Umsetzung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff findet vorteilhafterweise in einem geeigneten Reaktionsreaktor statt, der vorzugsweise ebenfalls durch ein Ventil getrennt an dem zweiten Behälter angeordnet ist. Bezüglich des Reaktionsverlaufs kann derweil erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass bei der elektrolytischen Umwandlung in einem ersten Schritt zunächst Wasserstoff und Sauerstoffanionen gebildet werden, bevor in einem weiteren Schritt die Sauerstoffanionen zu elementarem Sauerstoff oxidiert werden. Hierbei findet die Generierung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs vorteilhafterweise in getrennten Kompartimenten statt. Die zweistufige Reaktion der elektrolytischen Generierung von Wasserstoff und Sauerstoff hat sich nicht nur im Hinblick auf die Reaktionsausbeute, sondern insbesondere auch hinsichtlich der Trennung zwischen den Reaktionsprodukten als vorteilhaft erwiesen, da aufgrund der Ladung der Sauerstoffanionen auch ein ladungsgetriebener Transfer möglich ist.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass das System zumindest eine osmotische Einheit, insbesondere eine vorwärtsosmotische Einheit zur Förderung von Meerwasser umfasst. Zudem weist das erfindungsgemäße System zumindest einen ersten Behälter zur Demineralisierung des geförderten Meerwassers auf. Ferner umfasst das gegenständliche System zumindest einen Reaktionsreaktor zur elektrolytischen Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Wie bereits in den Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert worden ist, ist das gegenständliche System vorzugsweise zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser vorgesehen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt insbesondere darin, dass mittels diesem auf kostengünstige, ressourcenschonende Weise auch ohne Zugang zu größeren Süßwasservorkommen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden kann.
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Die osmotische Einheit des gegenständlichen Systems umfasst vorzugsweise einen Auffangbehälter oder dergleichen zur Aufnahme des Wassers. Des Weiteren weist die osmotische Einheit eine osmotische Membran, insbesondere eine vorwärtsosmotische Membran zur Trennung der im Meerwasser gelösten Salze auf. Der Auffangbehälter der osmotischen Einheit ist vorteilhafterweise mit einer konzentrierten Salzlösung gefüllt, deren Salzkonzentration höher ist, als die des zu fördernden Meerwassers. Auf diese Weise wird zwischen der konzentrierten Salzlösung und dem Meerwasser ein osmotischer Druck erzeugt, der ein Hineinfließen des Meerwassers in den Auffangbehälter der osmotischen Einheit bewirkt. Das Wasser passiert hierbei getrieben von einem Konzentrationsausgleich die osmotische Membran, die dafür sorgt, dass die in dem Meerwasser gelösten Bestandteile gefiltert werden. Die osmotische Einheit ist ferner vorzugsweise über ein Ventil mit (fluidtechnisch) dem zumindest ersten Behälter verbunden, in dem die Demineralisierung des geförderten Meerwassers stattfindet. Das Ventil dient insbesondere zur Verhinderung eines Rückflusses von Wasser aus dem ersten Behälter zurück in die osmotische Einheit. Dies ist insbesondere in dem Fall relevant, in dem die Demineralisierung über ein Verdampfen des Wassers erfolgt, weil hierbei ein hoher Druck erzeugt wird, der ein Zurückfließen des geförderten Wassers in die osmotische Einheit zur Folge hätte.
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Um ein Verdampfen des Meerwassers über den Einsatz von Solarenergie zu gewährleisten, können an dem zur Verdampfung des geförderten Wassers vorgesehen Behälter zur Sammlung und Bündelung des Lichts vorzugsweise geeignete optische Bauelemente, wie Spiegel und/oder Sammel- bzw. Streulinsen vorgesehen sein. Die optischen Bauelemente sind vorzugsweise derart an dem Behälter angeordnet, dass eine größtmögliche Licht bzw. Energiemenge in Form von Wärme aufgenommen bzw. gebündelt und an den Behälter abgegeben werden kann. Vorzugsweise können die optischen Bauelemente hierbei derart angeordnet sein, dass sie in ihrer Position verstellbar sind, sodass sie möglichst optimal zur Lichtquelle ausgerichtet werden können und somit die größtmögliche Lichtmenge aufsammeln und an den Behälter weitergeben können.
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In einer Ausführung, in der die optischen Bauelemente bspw. als Parabolspiegel ausgeführt sind, wird das Licht somit vorzugsweise über den bzw. die Spiegel aufgefangen und auf den Behälter reflektiert. In einer Form als Sammel- bzw. Streulinse kann das Licht alternativ auch die angeordneten optischen Elemente durchdringen und auf den Behälter fokussiert werden. Neben einer Anordnung von Spiegeln oder Linsen kann auch eine Kombination von Spiegeln und Linsen vorgesehen sein, um Licht auf den Behälter zu befördern und das dort gespeicherte Wasser zu verdampfen. Der zur Durchführung der Elektrolysereaktion vorgesehene Reaktionsreaktor weist vorzugsweise ein vor dessen Eingang angeordnetes Sicherheitsventil auf. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der während der Elektrolyse, insbesondere der Hochtemperaturelektrolyse zu erzeugende Druck aufrechterhalten werden kann.
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Ferner kann der Reaktionsreaktor eine erste und eine zweite Kammer sowie eine zwischen den beiden Kammern angeordnete mit Ittrium stabilsierte Zirkoniumschicht aufweisen. Die Kammern können dabei von der Zirkoniumschicht ferner durch jeweils eine poröse Platinelektrode getrennt sein, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. In der ersten Kammer findet vorzugsweise der erste Teil der zweistufigen Reaktion statt, bei dem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffanionen umgewandelt wird. Die Sauerstoffanionen werden anschließend durch die mit Ittrium stabilisierte Zirkoniumschicht transportiert und in der zweiten Kammer zu elementarem Sauerstoff oxidiert. Zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems sind die einzelnen Systemkomponenten, wie Ventile, optischen Bauelemente, Generatoren, Steuereinheiten und dergleichen vorzugsweise miteinander über Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen verbunden. Die Steuer- bzw. Kommunikationsverbindungen können hierbei zumindest tlw. drahtlos und/oder zumindest tlw. drahtgebunden gebildet sein. Vorteilhafterweise können die Steuer- und/oder Kommunikationsverbindungen über ein Daten-BUS-System, wie z. B. WLAN, Ethernet oder dergleichen miteinander verbunden sein.
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Des Weiteren wird im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagen, dass das System zusätzlich zu einem ersten Behälter zur Demineralisierung des geförderten Meerwassers zumindest einen zweiten Behälter zur Generierung von überhitztem Wasserdampf aufweist. Die erneute Behandlung des geförderten, bereits einmal verdampften Wassers dient der Generierung von überhitztem Wasserdampf, der bei der Durchführung einer Hochtemperaturelektrolyse verwendet wird. Die Hochtemperaturelektrolyse besitzt insbesondere hinsichtlich des Reaktionsumsatzes erhebliche Vorteile gegenüber der konventionellen Form der Elektrolyse bei Raumtemperatur.
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Die für die Generierung von überhitztem Wasserdampf erforderliche Energie kann hierbei vorzugsweise erneut zumindest tlw., vorzugsweise vollständig durch Solarenergie zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Generierung von überhitztem Wasserdampf hierbei durch die Einstrahlung von Sonnenlicht. Die für diesen Prozess notwendige Sammlung und Bündelung des Sonnenlichts kann derweil wiederum mittels einer geeigneten Anordnung umfassend Spiegel und/oder Sammellinsen und/oder Streulinsen und dergleichen erfolgen. Da zur Bereitstellung von überhitztem Wasserdampf hohe Drücke generiert werden müssen, weist der für die Generierung von überhitztem Wasserdampf vorgesehene Behälter vorteilhafterweise eine Druckstabilität von mehr als 10 bar, vorzugsweise von mehr als 100 bar, insbesondere von mehr als 200 bar auf. Um einerseits die Zuführung von Wasser bzw. Wasserdampf in den zweiten Behälter zu ermöglichen, aber dennoch die zur Generierung des überhitzten Wasserdampfs erforderlichen hohen Drücke zu gewährleisten, sind der erste und der zweite Behälter ferner vorzugsweise über ein Ventil, insbesondere ein Einwegeventil miteinander verbunden.
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Um einen besonders schnellen und effizienten Transport des Wassers aus dem Meer in den Reaktionsreaktor bzw. des Wassers oder Wasserdampfes innerhalb des Systems zu gewährleisten, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das System zumindest ein Gebläse und/oder zumindest eine Pumpe zum Antrieb des Wassers bzw. des Wasserdampfes aufweist. Das zumindest eine Gebläse und/oder die zumindest eine Pumpe kann wahlweise entweder durch eine externe Energiequelle oder ebenfalls per Solarenergie angetrieben werden. Für eine besonders schnelle und effiziente Förderung des Meerwassers in den ersten Behälter kann eine Pumpe vorteilhafterweise vor und/oder an dem ersten Behälter angeordnet sein. Für eine besonders schnelle und effiziente Förderung des in dem ersten Behälter generierten Wasserdampfes kann ein Gebläse derweil vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter bzw. zwischen dem ersten Behälter und dem Reaktor angeordnet sein.
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Zur Gewährleistung einer sicheren Generierung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass der erste Behälter und/oder der zweite Behälter und/oder der Reaktionsreaktor einen wasserundurchlässigen und druckfesten Rahmen aufweisen, wobei die Rahmen vorzugsweise zumindest tlw. aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sind. Hierbei sollten insbesondere der zweite Behälter und der Reaktionsreaktor druckfest ausgeführt sein, da in diesen Behältern ein besonders hoher Druck erzeugt wird. Für eine effiziente Energieübertragung ist es zudem insbesondere vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Behälter eine hohe Temperaturleitfähigkeit aufweisen. Um eine hohe Druckfestigkeit und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten, können hierzu insbesondere Kunststoffmaterialien verwendet werden, die mit Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium oder Kupfer vermischt werden. Hierbei können die Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit beispielsweise in Form von Drähten oder in Form von Pulver in die Kunststoffmaterialien eingebracht werden. Zur Gewährleistung einer besonders hohen Temperaturleitfähigkeit können hierbei insbesondere spezielle Füllstoffmischungen mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit wärmeleitfähigen mikroskopischen Additiven verwendet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser;
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung der elektrolytischen Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
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In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Meerwasser. Das System umfasst eine osmotische Einheit 2, einen ersten Behälter 14, einen zweiten Behälter 20 sowie einen Reaktionsreaktor 24. Die osmotische Einheit 2 weist seinerseits ebenfalls einen Behälter 2a zur Aufnahme von Wasser auf. An dem Behälter 2a ist eine osmotische Membran 6 angeordnet, die vorzugsweise als vorwärtsomotische Membran gebildet ist. Der Behälter 2a der osmotischen Einheit 2 ist ferner mit einer hier nicht explizit dargestellten konzentrierten Salzlösung gefüllt. Die Konzentration der Salzlösung ist hierbei höher, als die des umliegenden Meerwassers 8, sodass hierdurch ein osmotischer Druck erzeugt wird, der ein Hineinfließen des Meerwassers 8 in die osmotische Einheit 2 verursacht. Hierbei fließt das Meerwasser 8 getrieben von dem Konzentrationsunterschied durch die osmotische Membran 6 in Richtung des ersten Behälters 14. Die im Meerwasser gelösten Salze und dergleichen werden dabei durch die osmotische Membran 6 von dem Meerwasser 8 gefiltert, sodass nur das reine Wasser 4 gefördert wird. Das Wasser 4 wird getrieben von dem Konzentrationsunterschied durch die Überführungsleitung 10 in den ersten Behälter 14 überführt. Da das geförderte Wasser 4 durch den Kontakt mit der konzentrierten Salzlösung erneut zumindest zum Teil mit Salz versetzt wird, ist vor einer elektrolytischen Umwandlung eine Demineralisierung des Wassers 4 erforderlich.
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Die erforderliche Demineralisierung findet in dem ersten Behälter 14 statt und erfolgt vorzugsweise über ein Verdampfen des Wassers 4. Da bei einem Verdampfen des Wassers 4 ein entsprechender Verdampfungsdruck generiert wird, der das in den ersten Behälter 14 geförderte Wasser 4 wieder in die Vorwärtsosmose-Einheit 2 zurücktreiben würde, anstatt es zu verdampfen, ist zwischen der Vorwärtsosmose-Einheit 2 und dem ersten Behälter ein Ventil 12 vorgesehen. Das Ventil 12 könnte zwar auch in Form eines Einwegeventils gebildet sein und somit eine gleichzeitige Verdampfung und eine Förderung des Wassers 4 in den Behälter 14 gewährleisten, jedoch würde die niedrige Temperatur des geförderten Wassers 4 einer Verdampfung entgegenwirken. Aus diesem Grund kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, den Verfahrensschritt der Förderung des Meerwassers 8 und den Schritt der Demineralisierung des Wassers 4 zeitlich und örtlich getrennt voneinander durchzuführen. Zur Demineralisierung des Wassers 4 ist vorliegend ein Parabolspiegel 38a vorgesehen, der Sonnenlicht einfängt und auf den ersten Behälter 14 reflektiert. Der Behälter 14 wird durch das reflektierte Licht erwärmt, wodurch das in dem Behälter 14 gespeicherte Wasser 4 verdampft und in den gasförmigen Zustand umgewandelt wird. Der Wasserdampf 4' wird anschließend entweder in gasförmigem Zustand oder nach Kondensation in flüssiger Form weiterverarbeitet. Die in dem geförderten Wasser 4 gelösten festen Bestandteile setzen sich in dem ersten Behälter 14 als Bodensatz 16 ab.
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Zur Gewährleistung einer effizienten Wärmeübertragung bei der Verdampfung des Wassers 4 ist das Gehäuse 14a des ersten Behälters vorzugsweise nicht nur aus einem druckfesten, sondern auch aus einem möglichst wärmeleitfähigen Material gebildet. Nach der Demineralisierung wird das Wasser 4 in Form von Wasserdampf 4' über die Überführungsleitung 10 in einen zweiten Behälter 20 befördert, der zur Generierung von überhitzten Wasserdampf 4" vorgesehen ist. Auch der zweite Behälter 20 ist mit einem möglichst druckfesten und wärmeleitfähigen Gehäuse 20a versehen.
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Wie auch bei der Demineralisierung des Wassers wird die Energie zur Generierung des überhitzten Wasserdampfes 4" in dem dargestellten Ausführungsbeispiel (überwiegend bis vollständig) aus Solarenergie gewonnen, indem Sonnenlicht über den Parabolspiegel 38b eingefangen und auf den zweiten Behälter 20 fokussiert wird. Der überhitzte Wasserdampf 4" besitzt eine Temperatur von über 100 °C, vorzugsweise von über 300 °C, insbesondere von über 500 °C und dient zur Durchführung einer Hochtemperatur-Elektrolyse. Die Hochtemperatur-Elektrolyse ist insbesondere hinsichtlich der Ausbeute deutlich effizienter als die herkömmliche Art der Elektrolyse bei Raumtemperatur. Der überhitzte Wasserdampf 4" wird dem Elektrolyse-Reaktor 24, in dem die elektrolytische Umwandlung des überhitzten Wasserdampfs 4" in Wasserstoff 34 und Sauerstoff 36 stattfindet, anschließend über das Ventil 22 zugeführt. Die vorzugsweise zweistufige Reaktion wird hierbei in zwei unterschiedlichen Kammern 30 und 26 durchgeführt, die durch eine aus Zirkonium gebildete Schicht 28 voneinander getrennt sind. In der Kammer 30 wird Wasserstoff erzeugt, wohingegen in der Kammer 26 als Reaktionsprodukt Sauerstoff gebildet wird. Der bei der Reaktion gebildete Wasserstoff wird nach der Entstehung nochmals mittels des Filters 32 gefiltert, bevor er abgefüllt wird. Wie auch der erste Behälter 14 und der zweite Behälter 20 ist auch der Reaktionsreaktor mit einem möglichst druckfesten Gehäuse 24a versehen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Reaktors 24 zur Durchführung der elektrolytischen Umwandlung von Wasser in Wasserstoff 34 und Sauerstoff 36 gemäß 1. Der zur Durchführung der Elektrolysereaktion vorgesehene Reaktionsreaktor 24 weist ein vor dessen Eingang angeordnetes Sicherheitsventil 22 auf, über das eine kontrollierte Zuführung des überhitzten Wasserdampfs 4" erfolgt. Durch das Ventil 22 ist zudem gewährleistet, dass der während der Hochtemperaturelektrolyse zu erzeugende Druck aufrechterhalten werden kann. Ferner weist der Reaktionsreaktor 24 eine erste und eine zweite Kammer 30, 26 sowie eine zwischen den beiden Kammern 30, 26 angeordnete mit Ittrium stabilsierte Zirkoniumschicht 28 auf. Die Kammern 30, 26 sind von der Zirkoniumschicht 28 ferner durch jeweils eine poröse Platinelektrode 38a, 38b getrennt, zwischen denen die zur elektrolytischen Trennung notwendige Spannung angelegt wird.
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An der ersten Elektrode 38a findet die Reduktion der in dem Wasser gebundenen Protonen zu elementarem Wasserstoff statt. An der zweiten Elektrode erfolgt schließlich die Oxidation der Sauerstoffanionen zu elementarem Sauerstoff. Die Zirkoniumschicht 28 dient hierbei dem Transport der geladenen Sauerstoffanionen von der ersten Platinelektrode 38a zur zweiten Platinelektrode 38b. Der gebildete Sauerstoff 36 wird schließlich aus der zweiten Kammer 26 abgeführt und gespeichert. Der generierte Wasserstoff 34 wird entsprechend aus der ersten Kammer 30 abgeführt und vor der Speicherung noch mittels eines geeigneten Filters 32 aufgereinigt. Wie auch der erste Behälter 14 und der zweite Behälter 20 ist ferner auch der Reaktionsreaktor 24 mit einem möglichst druckfesten Gehäuse 24a versehen.
