DE102019002536A1

DE102019002536A1 - Verfahren zur Herstellung von Ammoniak

Info

Publication number: DE102019002536A1
Application number: DE102019002536.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-04-06
Filing date: 2019-04-06
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Im Vergleich zum Haber Bosch Verfahren soll Ammoniak mit geringerem Energieverbrauch und umweltfreundlich hergestellt werden. Wasser und flüssige Luft werden energieeffizient mit Hochdruckpumpen 4, 5 in die Anlage gepumpt. Wasser wird mittels Hochdruckelektrolyse zerlegt. Flüssiger Stickstoff wird in einem Wärmetauscher 12 von der Umgebung oder anderen Wärmequellen erwärmt und gelangt zusammen mit dem aus der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff hohen Druckes in den von einer Brennkammer 13 erwärmten Reaktionsdruckbehälter 3 in dem sich ein Katalysator 8 befindet und in dem die Ammoniaksynthese stattfindet. Die anfallende Kälte kann genutzt werden. Die Verlustenergie eines Verbrennungsmotors 15 wird genutzt, wenn sein Motorblock und/oder Zylinderkopf als Reaktionsdruckbehälter 3 zur Ammoniaksynthese ausgebildet wird. Der mit geringem Kraftstoffverbrauch arbeitende Verbrennungsmotor 15 kann einen Generator zur Stromerzeugung oder einen Verdichter zur Herstellung flüssigen Stickstoffs antreiben. Das Restgasgemisch 11 aus Wasserstoff und Stickstoff, der flüssige Stickstoff und der bei der Elektrolyse entstandene Sauerstoff werden energieeffizient verwendet, indem sie an der Verbrennung und/oder Entspannung im Verbrennungszylinder 14 teilnehmen. Flüssiger Stickstoff wird preiswert in Zeiten des Stromüberangebotes im Netz hergestellt und im Behälter 2 als Energiespeicher aufbewahrt. Der Stickstoff wird genutzt, um Arbeit zu verrichten und dabei den Verbrennungsmotor 15 zu kühlen. Dadurch wird weniger Kraftstoff verbraucht. Der Verbrennungsmotor 15 läuft mit Ammoniak, so dass kein CO2 entsteht.

Description

Ammoniak NH3 kann zum umweltfreundlichen Energieträger werden, da bei seiner Verbrennung kein klimaschädliches CO2 entsteht. Es lässt sich als Flüssigkeit bei einem Druck von 8 bar leicht aufbewahren. Großtechnisch wird NH3 heutzutage mit dem Haber Bosch Verfahren hergestellt. Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 werden bei Temperaturen von 400 bis 500 Grad Celsius und Drücken von 150 bis 250 bar über einen Eisenkatalysator geleitet. Der benötigte Stickstoff wird durch kryogene Luftzerlegung gewonnen, wohingegen Wasserstoff durch Dampfreformierung von Methan CH4 erzeugt wird.
Der Nachteil dieses Verfahrens liegt im hohen Energieverbrauch und dass eine große Menge klimaschädliches Kohlenstoffdioxid CO2 freigesetzt wird.
In einem neuartigen Prozess wird Ammoniak mit deutlich geringerem Energieeinsatz in einem elektro-chemischen Membranreaktor synthetisiert. Dieser Prozess befindet sich noch in der Entwicklung. Das Hauptproblem scheint in der nicht langen Haltbarkeit der Membran zu liegen und darin, dass große Mengen Ammoniak mit diesem Verfahren nicht hergestellt werden können.
Es soll hier ein Verfahren vorgeschlagen werden, dass im Vergleich zum Haber-Bosch Verfahren ebenso deutlich weniger Energie verbraucht.
Beschreibung
Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt. Zur Einsparung von Energie wird die Elektrolyse in einem Elektrolysedruckbehälter (1) unter einem Druck von ca. 220 bar durchgeführt. Dazu wird Wasser mit relativ geringem Energieaufwand von einer Hochdruckpumpe (4) in den Elektrolysedruckbehälter (1) gefördert. Der an der Anode (A) entstehende Sauerstoff wird ständig abgeleitet und der an der Kathode (K) entstehende Wasserstoff wird in einen Reaktionsdruckbehälter (3), in dem sich ein Katalysator (8) befindet und in dem eine Temperatur von ca. 400 °C herrscht, geleitet. Eine Hochdruckpumpe (5) fördert gleichzeitig flüssigen Stickstoff aus einem Behälter (2) über einen Wärmetauscher (12) in den Reaktionsdruckbehälter (3). Im Wärmetauscher (12), der in einem Kühlhaus aufgestellt sein kann oder der anderenorts die Umgebungswärme nutzt, wird der flüssige Stickstoff vorgewärmt. Im Reaktionsdruckbehälter (3) entsteht Ammoniak. Das Ammoniak wird zusammen mit dem aus H2 und N2 bestehendem Restgasgemisch (11) in den Auffangdruckbehälter (9) geleitet und hier abgekühlt und separiert. Über ein Reduzierventil (6) gelangt flüssiges Ammoniak in den Druckbehälter (10), in dem es bei einem Duck von 8 bar oder darüber flüssig aufbewahrt wird.
Der Reaktionsdruckbehälter (3) kann auf verschiedene Weise erwärmt werden. Z.B. durch eine Brennkammer (13) in der an der Verbrennung das aus H2 und N2 bestehende Restgasgemisch (11) und der bei der Elektrolyse entstandene Sauerstoff teilnehmen.
Zur Erwärmung des Reaktionsdruckbehälters (3) kann die bei der Herstellung von flüssigem Stickstoff im Verdichter entstehende Luft erster und zweiter Druckstufe verwendet werden.
Der Reaktionsdruckbehälter (3) kann aber auch Teil eines Verbrennungsmotors (15) sein. Vorzugsweise sollte dieser ein zweistufig verdichtender und zweistufig entspannender Verbrennungsmotor nach der Patentschrift DD 228 321 A1 sein. Im Motorblock und/oder im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors (15) wird ein Reaktionsdruckbehälter (3) installiert. In ihm wird der Katalysator (8) untergebracht. Das Restgasgemisch (11) besteht aus nicht zu Ammoniak gewordenem Wasserstoff und Stickstoff hohen Druckes. Es gelangt bei geöffnetem Einlassventil in den Verbrennungszylinder (14) und nimmt an der Verbrennung und nach Schließen des Einlassventils an der Expansion zur Arbeitsgewinnung teil.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak besteht darin, dass Wasser und Stickstoff als Flüssigkeiten mit hohem Druck und relativ niedrigem Energieaufwand in die Anlage gepumpt werden. Die hohe Temperatur im Reaktionsdruckbehälter (3) wird ohne zusätzlichen Energieaufwand gehalten. Wird Ammoniak im Verbrennungsmotor (15) hergestellt, dann wird das Stickstoff-Wasserstoff Gemisch bis auf ca. 400 °C im Motorblock und/oder Zylinderkopf erwärmt und es kühlt diese(n) gleichzeitig ab. Die in Verbrennungsmotoren übliche Verlustenergie, die zwischen 40 und 70% beträgt, wird in diesem Verfahren der Ammoniaksynthese im Verbrennungsmotor (15) genutzt. Der Sauerstoff aus der Hochdruckelektrolyse und das Restgasgemisch (11) haben hohen Druck und nehmen an der Verbrennung und Entspannung im Verbrennungsmotor (15) teil. Damit wird Kraftstoff eingespart. Der flüssige Stickstoff wird in Zeiten des Überangebots von Strom im Netz preiswert hergestellt und hat die Funktion eines Energiespeichers. Der Verbrennungsmotor (15) ist Teil des Energiespeichers. Der auf Hochdruck gepumpte flüssige Stickstoff wird von der Energie der Umgebung im Wärmetauscher (12) vorgewärmt. Die anfallende Kälte kann genutzt werden. Sauerstoff aus der Hochdruckelektrolyse und Stickstoff strömen in den Druckbehälter (16) und von dort während der Öffnungszeit des Einlassventils in den Verbrennungszylinder (14) und nehmen hier an der Verbrennung und/oder an der Entspannung zur Kühlung des Motors teil. Zum Antrieb des Verbrennungsmotors (15) wird deshalb weniger Kraftstoff benötigt. Der Verbrennungsmotor (15) kann mit beliebigen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen angetrieben werden. Wird Ammoniak als Kraftstoff verwendet, so entsteht kein CO2.
Durch die aufgeführten Energieeinsparmöglichkeiten, insbesondere im Verbrennungsmotor (15), kann Ammoniak billiger hergestellt werden und kann dadurch zum Energieträger der Zukunft werden kann.
Bezugszeichenliste

A: Anode
K: Katode
1: Elektrolysedruckbehälter
2: Behälter für flüssigen Stickstoff
3: Reaktionsdruckbehälter
4: Hochdruckpumpe für Wasser
5: Hochdruckpumpe für flüssigen Stickstoff
6: Reduzierventil
7: Gleichspannungsgerät
8: Katalysator
9: Auffangdruckbehälter
10: Druckbehälter für flüssiges Ammoniak
11: Restgasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff
12: Wärmetauscher
13: Brennkammer
14: Verbrennungszylinder
15: Verbrennungsmotor
16: Druckbehälter

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

DD 228321 A1 [0008]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak dadurch gekennzeichnet, dass Wasser von einer Hochdruckpumpe 4 in einen Elektrolysedruckbehälter 1 gepumpt wird, in dem es durch Hochdruckelektrolyse zerlegt wird und dass der entstandene Wasserstoff zusammen mit dem von einer Hochdruckpumpe 5 geförderten und in dem Wärmetauscher 12 erwärmten flüssigen Stickstoff in den von einer Brennkammer 13 erwärmten Reaktionsdruckbehälter 3, in dem sich ein Katalysator 8 befindet, strömt und dass das im Reaktionsdruckbehälter 3 gebildete Ammoniak zusammen mit dem Restgasgemisch 11, das aus Wasserstoff und Stickstoff besteht, zur Abkühlung und Separierung in den Auffangdruckbehälter 9 strömt und dass flüssiges Ammoniak von dort in den Druckbehälter 10 gelangt, wo es als Flüssigkeit aufbewahrt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reaktionsdruckbehälter 3 mit dem Katalysator 8 in einem Motorblock und/oder Zylinderkopf eines einstufig oder zweistufig arbeitenden Verbrennungsmotors 15 befindet.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff aus dem Elektrolysedruckbehälter 1 ständig abgeführt wird und zusammen mit dem aus dem Reaktionsdruckbehälter 3 ausströmenden Restgasgemisch 11, das aus Wasserstoff und Stickstoff besteht, an der Verbrennung und Expansion im Verbrennungszylinder 14 des Verbrennungsmotors 15 teilnimmt.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Stickstoff als Energiespeicher in Zeiten des Überangebots von Strom im Netz hergestellt und im Behälter für flüssigen Stickstoff 2 gesammelt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Stickstoff aus dem Behälter für flüssigen Stickstoff 2 von einer Hochdruckpumpe 5 über einen Wärmetauscher 12, in dem er von der Umgebungswärme erwärmt wird, gepumpt wird, derart, dass Stickstoff hohen Druckes in den Druckbehälter 16 strömt, von wo er bei geöffnetem Einlassventil in den Verbrennungszylinder 14 des Verbrennungsmotors 15 gelangt und nach Schließen des Einlassventils hier entspannt.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass Ammoniak als Kraftstoff für den Verbrennungsmotor 15 verwendet wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff aus dem Elektrolysedruckbehälter 1 und das den Reaktionsdruckbehälter 3 verlassende Restgasgemisch 11, das aus Wasserstoff und Stickstoff besteht, in die Brennkammer 13 strömen und dass hier der Wasserstoff verbrennt.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Herstellung von flüssigem Stickstoff anfallende verdichtete Luft erster und/oder zweiter Druckstufe die flüssige Luft und/oder die an der Ammoniaksynthese beteiligten Gase erwärmt.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ammoniak nach Punkt 2 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die im Verbrennungsmotor 15 verdichtete Luft erster Stufe gekühlt wird, indem sie die flüssige Luft und/oder die an der Ammoniaksynthese beteiligten Gase erwärmt.