DE102020002642A1

DE102020002642A1 - Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser

Info

Publication number: DE102020002642A1
Application number: DE102020002642.7A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-02
Filing date: 2020-05-02
Publication date: 2021-11-04

Abstract

Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Meerwasser-Elektrolyse (1) beliebige Anzahl an parallel und in Reihe angeordneten negativ geladene Kathode-Elektroden (2) und positiv geladene Anode-Elektroden (3) mit jeweils integrierten Elektroden-Heizer (30), wenigsten eine Einleitung (5), Verteiler (22), Regelventile (11,12), Ableitung (6), Förderpumpe (13,14), Elektrolyse-Kreislauf (7), Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4), Gleichspannung (8), Steuergerät (19) und Meerwasser (9) als Elektrolyt aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser.
Meerwasser kann insbesondere zur Gewinnung von Trinkwasser genutzt werden, indem der darin enthaltene Salzgehalt verringert wird. Hierzu gibt es eine Vielzahl an bekannte und etablierte Techniken, mit denen Salze und Mineralien aus dem Wasser entfernt werden, die jedoch mit hohem Aufwand bezüglich Wartung und Energie verbunden sind.
Am häufigsten wird das mehrstufige Entspannungsverdampfung-Verfahren zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. Es handelt sich hierbei um ein thermisches Verfahren, bei dem Meerwasser mit der Abwärme eines Kraftwerks auf hohe Temperatur erwärmt wird. In nachgeschalteten Entspannungsstufen schlägt sich der erstandene Wasserdampf als Kondensat an mit Kühlflüssigkeit gefüllten Rohrleitungen nieder, das als salzfreies Wasser entnommen wird. Entsprechende Großanlagen entsalzen täglich Millionen Kubikmeter Meerwasser, wobei der hierzu benötigte Energieverbrauch beträchtlich ist und weshalb hierzu die Nähe zu Kernkraftwerke erforderlich ist.
Ein weiteres Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser stellt die Umkehrosmose dar, bei der das Meerwasser mit hohem Druck durch eine semipermeable Membrane aus Polyamid mit bis etwa 5 nm kleine Porendurchmesser gepresst wird. Die Membrane wirkt wie ein Filter, wodurch nur bestimmte Ionen und Moleküle durchgelassen werden und trennt diese so von anderen Inhaltstoffe im Meerwasser wie Salze, Bakterien, Viren, Kalk und Gifte wie Schwermetalle. Um das Auskristallisieren des Salzes oder der Mineralien in den Membranen zu verhindern, ist der Einsatz der Umkehrosmose nur bis zu einer gewissen maximalen Salzkonzentration des Rückflusses sinnvoll. Je nach Salzkonzentration ist ein Energieaufwand von bis etwa 4 kWh pro m³-Trinkwasser erforderlich. Zudem bedingen die Membranen einer Umkehrosmose-Anlage ein großer Wartungsaufwand, um den Belag, hervorgerufen durch mineralische Ablagerungen, biologische Stoffe oder Partikel, die die Permaeation der Wassermoleküle durch die Membranen behindern, zu beseitigen. Eine Spülung der Membranen mit chemischen Reinigern ist daher notwendig, die jedoch nicht umweltverträglich ist und deshalb separiert werden.
Beim Gefrierverfahren bilden sich durch Abkühlen von Meerwasser Eiskristalle, die frei von Salzen sind. Die Eiskristalle liegen jedoch in der Mutterlauge und müssen deshalb davon getrennt werden, das technisch aufwändig ist. Die Eiskristalle müssen von der Mutterlauge gewaschen werden, wofür ein erheblicher Bedarf an Süßwasser benötigt wird.
Elektrolyse ist ein Prozess zur Gewinnung von Wasserstoff, Chlor oder Metalle wie Aluminium, bei dem mit Hilfe des elektrischen Stroms eine Redoxreaktion erzwungen wird, wobei die Oxidation an der Anode und die Reduktion an der Kathode ablaufen. Bei den chemischen Reaktionen, die bei der Elektrolyse ablaufen, werden Elektronen übertragen. Hierzu ist eine Gleichspannungsquelle erforderlich, welche die elektrische Energie liefert und die chemischen Umsetzungen vorantreibt. Bei der Wasser-Elektrolyse, bei der die Elektroden in Wasser eingetaucht sind und das Wasser durch die Zugabe von Säure, bevorzugt Schwefelsäure oder Lauge besser leitend gemacht wird, wird Wasserstoff (H₂) durch elektrischen Strom gewonnen. Hierbei wird das Wasser durch den elektrischen Strom in seine beiden Bestandteile Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) zerlegt. An der positiv geladene Elektrode (Anode) werden dem Wasser Elektronen entzogen und nachdem die so oxidierten Wasserteilchen instabil sind, zerfallen diese unter Freisetzung von Sauerstoff (O₂) und Bildung von positiv geladenen Oxonium-Ionen (H₃O⁺). Befinden sich positiv geladene Oxonium-Ionen (H₃O⁺) im Bereich der negativ geladenen Elektrode (Kathode) werden diese durch die negative Ladung der Elektrode angezogen und dort unter Wasserstofffreisetzung entladen. Die hierbei entstehenden Gase, Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂), sammeln sich jeweils im Bereich der beiden Elektrodenrohre an und können mit Hilfe eines Gas-Hahns entnommen werden. Einige Anlagenhersteller bieten Elektrolysegeräte mit einem Wirkungsgrad von über 70 % an. In großtechnische und in wirtschaftliche Anwendungen kommt die Wasser-Elektrolyse jedoch nicht zum Einsatz.
Erfindung
Aufgabe dieser Erfindung ist auf Basis der Elektrolyse ein Verfahren zu schaffen, um Meerwasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu zerlegen und aus der energetischen Nutzung des gewonnenen Wasserstoffes Elektrizität und salzfreies Wasser als Reaktionsprodukte zu gewinnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von den Unteransprüchen.
Gemäß der Autoprotolyse des Wassers befindet sich das Wasser (H₂O) mit Oxonium-Ionen (H₃O⁺) und Hydroxid-Ionen (OH^-) in Gleichgewicht, wobei das Reaktionsgleichgewicht hierbei stark auf der Seite des Wassers (H₂O) (temperaturabhängige Reaktionsgleichung: 2H₂O → H₃O⁺ + OH^-) liegt. Diese Eigenschaft des Wassers und damit das Reaktionsgleichgewicht kann jedoch mit Hilfe von Temperatur und/oder mit elektrischer Energie zur Bildung von Oxonium-Ionen (H₃O⁺) und Hydroxid-Ionen (OH^-) verschoben werden. Die hier vorliegende Erfindung betrifft den Verfahren zu Meerwasser-Elektrolyse (1), der diese Eigenschaften des Wassers nutzt, um mit Hilfe der elektrischen Energie das Meerwasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu zerlegen. Aus der energetischen Nutzung des aus der Meerwasser-Elektrolyse (1) gewonnenen Wasserstoffs (H₂), wird salzfreies Wasser als Reaktionsprodukt gewonnen. Wichtigstes Element zur Nutzung von Wasserstoff stellt die Brennstoffzelle dar, die im Wasserstoff (H₂) enthaltene Energie in Elektrizität umwandelt und salzfreies Wasser als Reaktionsprodukt entsteht, weshalb diese als die Zukunftstechnologien wie im Einsatz in Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb gesehen wird. Darüber hinaus ist der Einsatz der Brennstoffzelle in Großanlagen für Städte und Industrie, als Hausversorgung oder in mobile Anlagen wie Flugzeuge, Schiffe und Eisenbahn ideal, nachdem die Brennstoffzelle völlig geräuschlos und emissionsfrei elektrische Energie liefert. Als Endprodukt entsteht immer Wasser, welches aufbereitet als Trinkwasser oder direkt für Garten, Sanitär oder andere beliebige Verwendungszwecke genutzt werden kann. Im Gegensatz zu Elektrolyse von Süßwasser als Stand der Technik erfolgt bei der vorliegenden Erfindung keine Zugabe von Säuren oder Laugen, um das Meerwasser elektrisch leitfähiger zu machen. Auch sind erfindungsgemäß im Vergleich zu Elektrolyse nach Stand der Technik eine Vielzahl von Elektroden im Meerwasser (9) eingetaucht, die parallel und in Reihe angeordnet und an wenigstens eine Gleichspannung (8) angeschlossen sind. Hierbei sind die negativ geladenen Kathode-Elektroden (2) zu den positiv geladenen Anode-Elektroden (3) parallel angeordneten, wobei diese Elektroden zusätzlich auch in Reihe und abwechselnd angeordnet sind. Sobald die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwassers (9) über die Einleitung (5), Verteiler (22), Regelventile (11,12), regelbare Förderpumpe (13) und Steuergerät (19) befüllt ist und die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2, 3) im Meerwassers (9) eingetauscht sind, an denen wenigsten eine Gleichspannung (8) angelegt ist, beginnt die Elektrolyse des Meerwassers (9), wobei zur Elektrolyse mindestens die stoffspezifische Zersetzungsspannung U_Z angelegt werden muss. An den positiv geladenen Anode-Elektroden (3) werden dem Meerwasser (9) Elektronen entzogen und nachdem die so oxidierten Wasserteilchen instabil sind, zerfallen diese unter Freisetzung von Sauerstoff und Bildung von positiv geladenen Oxonium-Ionen (H₃O⁺). Die positiv geladenen Oxonium-Ionen (H₃O⁺) wandern im elektrischen Feld, der durch die Gleichspannung (8) und damit durch die negativ geladenen Kathoden- und der positiv geladenen Anoden-Elektroden (2,3) erzeugt wird, zu der negativ geladenen Kathode-Elektroden (2), wobei die Oxonium-Ionen (H₃O⁺) hierbei ein Elektron aufnehmen sowie ein Wasserstoff-Atom abgeben. Die abgegebenen Wasserstoffatome verbinden sich dann jeweils mit einem weiteren im Umfeld befindliche Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül. Der so vom Meerwasser (9) abgeschiedene, gasförmige Wasserstoff steigt an den Kathode-Elektroden (2) auf, sammelt sich in den jeweiligen Wasserstoff-Auffangkammern (15) an, die jeweils direkt oberhalb der einzelnen Kathode-Elektroden (2) angeordnet sind, und wird mit Hilfe eines Ventils (17) aus den Wasserstoff-Auffangkammern (15) entnommen.
Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen (OH^-) wiederum wandern, analog zu den Vorgängen im Kathodenraum, im elektrischen Feld zur positiv geladenen Anode-Elektroden (3), an der sich die Hydroxid-Ionen (OH^-) unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff (O₂) umwandeln oder sich mit einem freien Wasserstoffatom zu Wasser neutralisieren. Auch hier steigt der vom Meerwasser (9) abgeschiedene gasförmige Sauerstoff (O₂) an den Anode-Elektroden (3) auf und sammelt sich in den Sauerstoff-Auffangkammern (16) an, die jeweils direkt oberhalb der einzelnen Anode-Elektroden (3) angeordnet sind. Der so gewonnene Sauerstoff (O₂) wird ebenfalls mit Hilfe eines Ventils (18) entnommen.
Gemäß dem ohmschen Gesetz wird der Stromfluss in einer Elektrolysezelle durch den elektrischen Widerstand einer wässrigen Lösung behindert, weshalb es minimiert werden muss, um die eingebrachte Energie nicht in Form von Wärme zu verlieren. Im Allgemeinen hängt der Zellwiderstand R_Z einer Elektrolysezelle vom Elektrodenabstand, von der Größe der Elektrodenfläche sowie von der Leitfähigkeit ab, wonach es gemäß Stand der Technik mit folgender Formel berechnet wird: $R_{Z} = \frac{Elektrodenabstand}{Elektrodenfl \ddot{a} che} * \frac{1}{Leitf \ddot{a} higkeit}$
Die höchste Leitfähigkeit aller Metalle hat Silber, reines Wasser ist hingegen kein guter elektrischer Leiter. Werden jedoch dem Wasser Salze oder Säuren hinzugefügt, die in wässriger Lösung freibewegliche Ionen freisetzen, steigt die Leitfähigkeit an. Und nachdem der elektrische Strom von gelösten Ionen transportiert wird, steigt die Leitfähigkeit des Wassers mit zunehmender lonenkonzentration an. Meerwasser (9) weist ein durchschnittlicher Salzgehalt (29) von etwa 3,5 % Massenanteil auf und hat aufgrund der darin zahlreich gelösten Salze eine typische Leitfähigkeit von etwa 5 S/m. Die im Meerwasser gelösten Salze sind frei bewegliche Ionen und wirken als Ladungsträger, die den elektrischen Strom leiten, weshalb erfindungsgemäßen Meerwasser-Elektrolyse (1) eine Zugabe von Säuren oder Laugen zur Entsalzung von Meerwasser (9) nicht erforderlich ist. Das Salzgehalt (29) im Meerwasser (9) steigt mit zunehmenden Elektrolyse und damit mit der zunehmenden Zerlegung des Meerwassers (9) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂), das in einem höheren Salzgehalt (29) im Meerwasser (9) resultiert, welches im Folgenden als Meerwasser-Konzentrat (10) bezeichnet wird. Diese Eigenschaften des Meerwassers (9) in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen der Meerwasser-Elektrolyse (1) wie regelbarer Elektrolyse-Rücklauf (7) und regelbare Förderpumpe (14) werden genutzt, um das Meerwasser-Konzentrat (10) aus der Ausleitung (6) zurück in der Einleitung (5) einzuleiten, womit das Salzgehalt (29) in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) und damit die Leitfähigkeit des Meerwassers (9) erhöht werden. Damit wird der durchschnittliche Salzgehalt (29) des Meerwassers (9) und somit die Leitfähigkeit des Meerwassers (9) erhöht und in Folge dessen den Zellwiderstand R_Z der Elektrolysezelle reduziert. Infolge des erhöhten Salzgehalts (29) wird auch die lonenkonzentration erhöht, womit die für die Meerwasser-Elektrolyse (1) erforderliche Zellspannung herabgesetzt wird. Die elektrische Gleichspannung (8) zur Erzeugung eines elektrischen Felds kann vor diesem Hintergrund auf ein niedrigeren Wert gesenkt werden, dass in Folge zu Einsparung von elektrische Energie und damit niedrigen Energiekosten führt. Diese erfindungsgemäßen Änderungen erhöhen den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Meerwasser-Elektrolyse (1), indem der Zellwiderstand R_Z reduziert wird.
Neben der Leitfähigkeit des Meerwassers hängt der Zellwiderstand R_Z der Elektrolyse gemäß der oben genannten Formel auch von der Elektrodenfläche ab, wonach je größer die Elektrodenfläche ist, umso kleiner wird der Zellwiderstand R_Z. Hierbei weist die erfindungsgemäße Meerwasser-Elektrolyse (1), im Vergleich Stand der Technik, nicht nur je eine Kathode- und Anode-Elektrode, sondern eine Vielzahl von negativ geladenen Kathoden- und positiv geladenen Anoden-Elektroden (2,3) auf, woraus eine sehr große Elektrodenfläche resultiert. Die Anzahl, Form und Anordnung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) sind hierbei beliebig wählbar, die abwechselnd parallel und in Reihe oder in einem beliebigen Winkeln zueinander im Inneren der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) angeordnet sind. Diese erfindungsgemäßen Merkmale der Meerwasser-Elektrolyse (1) resultieren in einer großen Elektrodenfläche, womit der Zellwiderstand R_Z reduziert wird und in Folge dessen ein höherer Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Meerwasser-Elektrolyse (1) zur Elektrolyse des Meerwassers resultiert.
Neben der Erhöhung der Leitfähigkeit und Elektrodenfläche wird auch der Elektrodenabstand (26) mit der erfindungsgemäßen Geometrie, Form und Anordnung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) minimiert, indem die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) aufgrund der Erfindungsmerkmale mit einem kleinen Elektrodenabstand zueinander angeordnet werden können. Ein kleiner Elektrodenabstand (26) führt zu in einem kleinen Zellwiderstand RZ, das wiederum in einem höheren Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Meerwasserelektrolyse-Vorrichtung (1) resultiert.
Die während der Elektrolyse entstehenden Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) führen gemäß Stand der Technik dicht vor den jeweiligen Elektroden zu Ladungsänderungen, die durch Wanderungsprozesse ausgeglichen werden müssen. Der Ausgleich von Ionen wird hierbei durch Ionenwanderung bewirkt, deren Wanderungsgeschwindigkeit u.a. von der angelegten Zellspannung und damit von dem elektrischen Feld abhängig ist. Der Verlust an Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) vor der Kathode muss deshalb durch die Wanderung von überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) aus dem Anodenraum mit Hilfe der angelegten Zellspannung und damit verbundenen elektrischen Felds kompensiert werden. Dies gilt auch bezüglich des Verlustes an Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) vor der Anode, der durch überschüssigen Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) aus dem Kathodenraum kompensiert werden muss. Dieser bisher durch die angelegte Zellspannung und damit vom elektrischen Feld indizierter Wanderungsprozess wird mit der erfindungsgemäß regelbaren Strömung (27) des Meerwassers (9) und Meerwasser-Konzentrats (10) im Innem der Meerwasser-Elektrolyse (1) in Verbindung mit der alternierenden Anordnung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) unterstützt. Hierbei müssen die positiv geladenen Oxonium-Ionen (H₃O⁺) nicht mehr ausschließlich mit Hilfe des elektrischen Felds durch das Meerwasser (9) als Elektrolyt-Lösung zu der negativ geladenen Kathode-Elektrode (2) diffundieren. Mit Hilfe der Strömung (27) des Meerwassers (9) werden die überschüssigen Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) aus dem Kathodenraum direkt zu dem nachfolgend angeordneten Anodenraum sowie die überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) aus dem Anodenraum direkt zu dem nachfolgend angeordneten Kathodenraum transportiert. Die Strömung (27) des Meerwassers (9) und damit des Meerwasser-Konzentrats (10) wird hierbei über die Einleitung (5), Förderpumpe (13) und Regelventile (11,12) entsprechend dem Bedarf der Meerwasser-Elektrolyse (1) über Steuergerät (19) geregelt. Die damit verbundene Durchströmung der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwassers (9) und Meerwasser-Konzentrats (10) wird mit dem Elektrolyse-Rücklauf (7) und Förderpumpe (14) ergänzt, die viele Einstellmöglichkeiten bezüglich Strömung (27) und Salzgehalt (29) zulässt. Je nachdem wie die Förderpumpe (13,14) und Regelventile (11,12) über das Steuergerät (19) angesteuert sind, ob diese jeweils geöffnet, teilgeöffnet oder geschlossen sind, strömt das Meerwassers (9) und damit das Meerwasser-Konzentrats (10) mit entsprechender Strömungsgeschwindigkeit (28) von der Einleitung (5) durch die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) und über die Ausleitung (6) heraus aus der Meerwasser-Elektrolyse (1). Das Meerwassers (9) und damit das Meerwasser-Konzentrats (10) können erfindungsgemäß auch innerhalb der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) über den Elektrolyse-Rücklauf (7) und Förderpumpe (14) im Kreis mit regelbaren Strömungsgeschwindigkeit (27) gepumpt werden, womit das Salzgehalt (29) des Meerwasser-Konzentrats (10) zum einen je nach Bedarf der Meerwasser-Elektrolyse (1) erhöht wird und zum anderen verbleiben die überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) noch in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4), wo sie noch an den Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) jeweils entladen und woraus Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gewonnen werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäß regelbaren Strömung (27) des Meerwassers (9) in Verbindung mit Anzahl und alternierenden Anordnung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) wird der Wanderungsprozesse der Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) unterstützt, so dass daraus eine höhere Stoffumsetzung und somit ein höherer Wirkungsgrad der Elektrolyse des Meerwassers resultiert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen der Ausführungsbeispiele im Folgenden näher beschrieben.
Die 01 zeigt die erfindungsgemäße Meerwasser-Elektrolyse (1) im Querschnitt A-A gemäß 02 mit wenigsten eine Einleitung (5), Verteiler (22), Regelventile (11,12), Förderpumpe (13,14), Kathoden-Elektroden (2), Anoden-Elektroden (3), Steuergerät (19), Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) sowie wenigsten eine Ausleitung (6). Das Meerwasser (9) fließt hierbei über wenigsten eine geöffnete Einleitung (5), Verteiler (22) und über die beliebig vielen und beliebig angeordneten Regelventile (11) in die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) hinein und befüllen diese so, dass hierbei die Vielzahl der Strömungskanäle (25), die sich durch die in Reihe und parallel mit beliebigem Elektrodenabstand (26) angeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) ergeben, mit Meerwasser (9) gefüllt werden. Hierbei sind die in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) angeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) im Meerwasser (9) eingetaucht, deren Eintauchtiefe über den Füllstand (23) der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) und damit über die Einleitung (5), Ausleitung (6) und Steuergerät (19) regelbar ist. Die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) sind an wenigsten einer Gleichspannung (8) angeschlossen, mit der die Kathoden-Elektroden (2) negativ und die Anoden-Elektroden (3) positiv elektrisch geladen werden. Mit Hilfe des Steuergeräts (19), worin die Gleichspannung (8) mit integriert ist, werden die in Reihe angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) abwechselnd mit positiver oder negativer Spannung beschaltet, wobei es beliebige Ausführungsmöglichkeiten gibt, diese in Reihe anzuordnen und mit positiver oder negativer Spannung zu beschalten. Je nachdem wie die in Reihe angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) mit positiver und negativer Spannung beschaltet sind, müssen die parallel zu diesen in Reihe angeordnet Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) so angeordnet oder beschaltet sein, dass gegenüber einer Kathode-Elektrode (2) immer eine Anode-Elektrode (3) sowie gegenüber einer Anode-Elektrode (3) immer eine Kathode-Elektrode (2) angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) ist zwischen allen parallel angeordneten Elektroden immer eine positive oder negative Spannung und damit ein elektrisches Feld angelegt. Mit Hilfe der regelbaren Strömung (27) des Meerwassers (9) werden die überschüssigen Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) aus dem Kathodenraum direkt zu dem nachfolgend angeordneten Anodenraum sowie die überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) aus dem Anodenraum direkt zu dem nachfolgend angeordneten Kathodenraum über die Strömung (27) des Meerwassers (9) transportiert. Die Strömung (27) des Meerwassers (9) in der Meerwasser-Elektrolyse (1) und damit in die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) wird hierbei über die Einleitung (5), Förderpumpe (13) und Regelventile (11,12) entsprechend dem Bedarf der Meerwasser-Elektrolyse (1) über das Steuergerät (19) geregelt. Die Einleitung (5) und Ausleitung (6) sind zusätzlich über den Elektrolyse-Rücklauf (7) und regelbare Förderpumpe (14) mit einander verbunden, worüber das Meerwasser (9) bzw. Meerwasser-Konzentrat (10) in einem Elektrolyt-Kreislauf gepumpt wird, zum einen, um das Salzgehalt (29) im Meerwasser (9) und damit das Meerwasser-Konzentrat (10) zu erhöhen und/oder zum anderen, um das Meerwasser (9) bzw. Meerwasser-Konzentrat (10) in einer Strömung (27) mit regelbaren Strömungsgeschwindigkeit (28) zu versetzen. Das Salzgehalt (29) im Meerwasser (9) kann vorzugsweise über Salinometer (34) oder über Entnahme und Analyse von Meerwasser-Proben ermittelt und als Regelparameter dem Steuergerät (19) übermittelt werden. Die erfindungsgemäße Strömung (27) des Meerwassers (9) innerhalb der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) in Verbindung mit der Anordnung der Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) ist in Bezug auf Transport der lokal überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) aus dem Anodenraum sowie der der lokal überschüssigen Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) aus dem Kathodenraum hin zu jeweils nachfolgend in Reihe angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) wesentlich, damit diese dort unter Freisetzung von Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) entladen werden.
02 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Längsschnitt, worin die Einleitung (5), Förderpumpe (13), Verteiler (22), Regelventile (11,12), Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) sowie Ausleitung (6) abgebildet sind. In diesem Längsschnitt sind je zwei Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) dargestellt, die an die Gleichspannung (8) und Steuergerät (19) angeschlossen sind, wobei die negativ geladenen Kathode-Elektroden (2) und die positiv geladenen Anode-Elektroden (3) alternierend in Reihe hintereinander angeordnet sind. Über das Steuergerät (19) besteht die Möglichkeit die in Reihe angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) so zu beschalten, dass diese abwechselnd eine, zwei oder beliebig mehrere Elektroden mit positiver oder negativer Spannung beschaltet werden. Die parallel zu diesen in Reihe im Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) angeordneten Kathode- und Anode-Elektrode (2,3) müssen entsprechend so mit Gleichspannung (8) beschaltet werden, dass die jeweils parallel angeordneten Elektroden eine negative oder positive Gleichspannung (8) haben und dass zwischen diesen Elektroden ein elektrisches Feld anliegt. Direkt oberhalb jeder Kathode- und Anode-Elektrode (2,3) ist je eine Wasserstoff-Auffangkammer (15) und Sauerstoff-Auffangkammer (16) mit jeweils ein Ventil (17,18) angeordnet. Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) sind jeweils an den zugehörigen Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) über die jeweiligen Befestigungen (24) befestigt, so dass die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) im Meerwasser (9) so eingetauscht sind, dass jeweils der obere Teil der Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) aus dem Meerwassers (9) über den Füllstand (23) herausragt. Die während der Meerwasser-Elektrolyse (1) abgeschiedenen Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) steigen entlang den jeweiligen Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) hoch und sammeln sich jeweils in der zugehörigen Wasserstoff-Auffangkammer (15) und Sauerstoff-Auffangkammer (16) an, die mit Hilfe der jeweiligen Ventile (17,18) jeweils entnommen werden. Über die Einleitung (5) fliest das Meerwasser (9) mit Hilfe der regelbaren Förderpumpe (13) und Regelventile (11) in die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) hinein und befüllt diese so, dass die negativ und positiv geladene Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) bis zum gewünschten Füllstand (23) in Meerwasser (9) eingetaucht sind. Die Ausleitung (6) ist hierbei über das Regelventil (12) geschlossen, so dass die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwasser (9) stationär befüllt ist. Beim Anlegen der Gleichspannung (8) beginnt die Meerwasser-Elektrolyse (1), bei der das Meerwasser (9) stetig in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zersetzt wird und zugleich das Salzgehalt (29) im Meerwasser (9), im Verhältnis zu dem in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) verbliebenen Meerwasser (9), zunimmt, woraus ein höheren Meerwasser-Konzentrat (10) resultiert. Die erfindungsgemäßen Merkmale dieser Erfindung lassen beliebig viele Möglichkeiten zum Betrieb dieser Meerwasser-Elektrolyse (1) zu, indem zum einen über Förderpumpe (13) und Regelventile (11) Meerwasser (9) nachströmt, um die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) bis zu gewünschten Füllstand (23) wieder zu befüllen. Zum anderen kann das Meerwasser-Konzentrat (10) aus der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) über die Ausleitung (6) und Regelventil (12) entleert werden, um diese dann anschließend mit frischem Meerwasser (9) erneut zu befüllen und die Meerwasser-Elektrolyse (1) neu zu starten. Darüber hinaus kann die Meerwasser-Elektrolyse (1) auch so betrieben werden, dass die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwasser (9) kontinuierlich mit regelbare Strömung (27) und Strömungsgeschwindigkeit (28) durchströmt und die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwasser (9) bis Füllstand (23) konstant befüllt wird. Nachdem dem Meerwasser (9) keine umweltschädlichen Säuren oder Laugen beigemengt werden, kann nach Abschluss der Meerwasser-Elektrolyse (1) das Meerwasser-Konzentrat (10) aus der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) über das Regelventil (12) und Ausleitung (6) direkt zurück ins Meer entleert werden. Zudem weisen die negativ und positiv geladene Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) im Inneren der Elektrode je ein Elektroden-Heizer (30) auf, womit die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) aufgeheizt werden, um in Folge dessen die Temperatur der Elektrolytlösung bzw. des Meerwassers (9) zu erhöhen. Mit Hilfe des Steuergeräts (19) werden die jeweiligen Elektroden-Heizer (30) der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) mit Strom und Spannung so beschaltet, dass sie auf der gewünscht hohen Temperatur, in Bezug auf Erwärmung des Meerwassers (9) und Reinigung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) mit der Reinigungstemperatur (31), gebracht und geregelt werden. Sauerstoff oder Luft (nachdem etwa 21% Sauerstoff enthält) bildet mit Wasserstoff ein explosives Gasgemisch, wenn die Wasserstoffkonzentration hoch ist. Vor diesem Hintergrund weist die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) wenigsten ein Entlüftungsventil (32) mit entsprechenden Entlüftungssystem auf, um das Innere mit Meerwasser (9) nicht befüllte Volumen (33) der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) kontinuierlich zu entlüften, damit die Zündfähigkeit des Gasgemisches unterhalb einer beliebigen oder der 4-Volumenprozent-Grenze bleibt.
Die 03 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Querschnitt B-B gemäß 01, worin die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4), die parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3), Wasserstoff-Auffangkammern (15), Sauerstoff-Auffangkammern (16), Füllstand (23), Salinometer (34) sowie die Ventile (17,18) abgebildet sind. Hierbei sind die parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) im Meerwasser (9) mit dem Füllstand (23) so eingetauscht, dass jeweils der obere Bereich der Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) aus dem Meerwasser (9) herausragen. Die parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) weisen jeweils ein beliebig wählbarer Elektrodenabstand (26) zu einander auf und bilden zugleich die Strömungskanäle (25), wobei die Strömungskanäle (25) von je zwei zueinander parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) erzeugt werden. Desweitere ist hierbei der Elektrolyse-Rücklauf (7) mit abgebildet.
Die 04 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Querschnitt C-C gemäß der 02 mit den in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3). In Strömungsrichtung sind zudem die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) alternierend in Reihe angeordnet, wonach eine Kathode-Elektrode (2) einer Anode-Elektrode (3) und eine Anode-Elektrode (3) einer Kathode-Elektrode (2) jeweils nachgeordnet sind. Das Meerwasser (9) mit den jeweils überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) strömt in den Strömungskanälen (25), die sich aus den parallel angeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) mit dem entsprechenden Elektrodenabstand (26) ergeben, vom Anodenraum direkt zu nachfolgend angeordneten Kathodenraum sowie vom Kathodenraum direkt zu nachfolgend angeordneten Anodenraum. An den Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) werden hierbei die Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) unter Freisetzung von Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) entladen. Die Strömung (27) des Meerwassers (9) und damit des Meerwasser-Konzentrats (10) in den Strömungskanälen (25) ist über die Parametrierung der Einleitung (5), Förderpumpe (13,14), Elektrolyse-Rücklauf (7) und Regelventile (11,12) regelbar. Der während der Meerwasser-Elektrolyse (1) abgeschiedene Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) steigt entlang den jeweiligen Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) hoch und sammeln sich in der jeweils zugehörigen Wasserstoff-Auffangkammer (15) und Sauerstoff-Auffangkammer (16) an.
Die 05 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Längsschnitt die parallel in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3), wobei in Strömungsrichtung jeweils nur Kathode- Elektroden (2) oder Anode-Elektroden (3) in Reihe angeordneten sind, weshalb in dieser Darstellung nur die Kathode-Elektroden (2) zu sehen sind. Das Meerwasser (9) strömt auch hierbei in den Strömungskanälen (25), die sich mit dem Elektrodenabstand (26) parallel angeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) ergeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel, nachdem entweder Kathode-Elektroden (2) oder Anode-Elektroden (3) in Reihe angeordnet sind, müssen die überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) nicht mehr mit Hilfe der Strömung (27) und damit mit der Strömungsgeschwindigkeit (28) des Meerwassers (9) aus ihren derzeitigem Anodenraum und Kathodenraum wegtransportiert werden. Die Entladung der überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) erfolgt hierbei direkt an dem Ort wo sie sich im Augenblick befinden, indem die Gleichspannung (8) mit Hilfe des Steuergeräts (19) umgeschaltet wird, bei der die augenblickliche Spannung der Kathode-Elektroden (2) von negativ auf positiv sowie die Spannung der Anode-Elektroden (3) von positiv auf negativ umgeschaltet werden. Aufgrund dieser Umschaltung der Gleichspannung (8) werden die bisherigen Kathode-Elektroden zu Anode-Elektroden sowie die bisherigen Anode-Elektroden zu Kathode-Elektroden. Diese Umpolung der Gleichspannung (8) an Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) führt dazu, dass die lokal vorhanden überschüssigen Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) Vorort entladen werden. Bevor diese Umpolung der Gleichspannung (8) vorgenommen wird, müssen jedoch die in den Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) enthaltenen Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) entleert werden, um eine explosive GasMischung aus Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) zu vermeiden. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16), einschließlich der jeweils darin befestigten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3), hydraulisch, elektrisch oder mechanisch in die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) so tief eingetauscht werden, dass die innere Volumen der Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) vollständig mit Meerwasser (9) befüllt sind, dass die darin enthaltene Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) vom Meerwasser (9) über die jeweiligen Ventile (17,18) jeweils herausströmen. Erst im Anschluss kann die Umschaltung der Gleichspannung (8) erfolgen und die Meerwasser-Elektrolyse (1) wieder gestartet werden. Dieser erfindungsgemäße Verfahren der zyklischen Umschaltung der Gleichspannung (8) findet beliebig entsprechend dem Bedarf der Meerwasser-Elektrolyse (1) statt, sobald ausreichend Meerwasser (9) elektrolysiert und überschüssige Kationen (Oxonium-Ionen H₃O⁺) und Anionen (Hydroxid-Ionen OH^-) in den Anodenraum und Kathodenraum sich angesammelt haben. Alternatives Ausführungsbespiel zu Eintauchen der Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) ist das vollständig befüllen des Volumen (33) der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwasser (9), womit den in den Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) angesammelten Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) mit Hilfe des Meerwassers (9) über die Ventile (17,18) entleert werden. In Verbindung mit der Umschaltung der Gleichspannung (8) und anschließende Reaktivierung der Meerwasser-Elektrolyse (1) sind die Ventile (17,18) bei diesem Ausführungsbeispiel als umschaltbare Zwei-Weg-Ventile ausgeführt, damit Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) in den jeweils zugehörigen Sauerstoff- oder Wasserstoff-Speicher eingeleitet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass das Elektrodenmaterial sowohl als Kathode als auch als Anode einsatzfähig ist. An den hierzu dargestellten Kathode-Elektroden (2) sind die jeweils im Inneren der Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) angeordneten Elektroden-Heizer (30) mit abgebildet, womit die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) aufgeheizt werden, um in Folge dessen die Temperatur der Elektrolytlösung und damit des Meerwassers (9) zu erhöhen. Über das Steuergerät (19) werden die jeweiligen Elektroden-Heizer (30) der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) mit Strom und Spannung beschaltet und auf den gewünschten Temperaturen, in Bezug auf Erwärmung des Meerwassers (9) und Reinigung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3), aufgeheizt.
Die 06 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Längsschnitt, wonach die Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16), einschließlich der jeweils darin befestigten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3), in das Meerwasser (9) der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) eingetauscht sind. Hierbei wird das innere Volumen der Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) vollständig mit Meerwasser (9) befüllt, um den darin enthaltene Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) mit Hilfe des Meerwassers (9) über die jeweiligen Ventile (17,18), die hierbei als Zwei-Weg-Ventile ausgeführt sind, zu entleeren. Anschließend werden die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) aus dem Meerwasser (9) wieder herausgezogen und in ihre ursprünglichen Positionen gebracht, um die Meerwasser-Elektrolyse (1) mit der an den Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) geänderten Gleichspannung (8) neu zu starten.
Die 07 zeigt die Meerwasser-Elektrolyse (1) im Querschnitt D-D gemäß der 05 mit den in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) parallel angeordneten Kathode- und Anode-Elektroden (2,3). In Strömungsrichtung sind die Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) jeweils in Reihe angeordnet, d.h. in einer Reihe sind entweder Kathode-Elektroden (2) oder Anode-Elektroden (3) hintereinander angeordnet. Die während der Meerwasser-Elektrolyse (1) abgeschiedener Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) steigt jeweils entlang den jeweiligen Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) hoch und sammelt sich in den zugehörigen Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) an.
Die geometrische Form der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) ist erfindungsgemäß beliebig wählbar, die vorzugsweise flach und so dünn wie möglich auszuführen sind, damit möglichst große Anzahl an Elektroden parallel in die Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) sowie mit geringem Elektrodenabstand (26) zueinander angeordnet werden können. Als Elektrodenmaterialien der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) sind Platin, Kupfer, Silber, Gold oder Palladium aus aktuellem Stand der Technik einsetzbar, nachdem diese Materialen inert sind und sich während der Elektrolyse in der Elektrolyt-Lösung nicht auflösen. Daneben sind auch Elektrokatalysatoren jeweils für Kathoden und Anoden nach dem Stand der Technik anwendbar. Um Kosten zu senken müssen die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) nicht aus massiven Elektroden-Material ausgeführt sein, sondern sind erfindungsgemäß als dünne und poröse Schicht vorzugsweise aus Platin auf vorzugsweise Keramikgrundkörper aufgetragen. Über die poröse Struktur der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) wird deren Oberfläche erhöht, womit der Zellwiderstand R_Z reduziert wird.
In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit ist die Meerwasser-Elektrolyse (1) bei möglichst hohen Stromdichten zu betreiben. Dies wird zum einen dadurch erreicht, indem die Leitfähigkeit der Zellwiderstand R_Z durch Erhöhung der Salzkonzentration und damit des Salzgehalts (29) erhöht wird und zum anderen durch Erhöhung der Temperatur des Meerwassers (9) als Elektrolytlösung. Das Salzgehalt (29) wird erfindungsgemäß durch Erhöhung des Meerwasser-Konzentrats (10) mit Hilfe die Einleitung (5), Elektrolyse-Rücklauf (7) und kontinuierliche Meerwasser-Elektrolyse (1) des Meerwassers (9) erhöht. Die Erhöhung der Temperatur des Meerwassers (9) als Elektrolytlösung auf etwa 60 - 90 °C oder beliebig anderer spezifischer Temperaturbereich erfolgt hingegen über die erfindungsgemäß jeweils im Inneren der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) integrierten Elektroden-Heizer (30), die jeweils über das Steuergerät (19) mit Strom und Spannung so beschaltet werden, dass das Meerwasser (9) die gewünschte Temperatur erreicht. Zudem können die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) erfindungsgemäß von Ablagerungen aus Bestandteile des Meerwassers (9) gereinigt werden, indem die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) mit Hilfe der in den Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) integrierten Elektroden-Heizer (30) auf entsprechend hohe Reinigungstemperatur (31) aufgeheizt werden. Reinigungsintervall und Höhe der Reinigungstemperatur (31) der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) hängen unter anderem von der Menge und Beschaffenheit der Ablagerungen ab. Dieser erfindungsgemäße Reinigungsprozess der Meerwasser-Elektrolyse (1) stellt sicher, dass die Oberflächen der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) von Ablagerungen gereinigt werden, wodurch optimale Voraussetzungen zur Zersetzung des Meerwassers (9) geschaffen werden. Hierbei wird der Wartungsaufwand minimiert, nachdem zur Reinigung der Meerwasser-Elektrolyse (1) lediglich die Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) auf die Reinigungstemperatur (31) erhitzt werden. Zuvor wird die Meerwasser-Elektrolyse (1) kurz unterbrochen und das in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) enthaltene Meerwasser (9) über die Ausleitung (6) entleert, damit Energie nur zum Aufheizen der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3), nicht auch zum Aufheizen des Meerwassers (9) aufgewendet wird. Nachdem die Ablagerungen von den Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) getrennt wurden, werden diese durch Spülen der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit frischem Meerwasser (9) über die Einleitung (5) und Ausleitung (6) entsorgt. Nach Wiederbefüllen der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) mit Meerwassers (9), wird die Meerwasser-Elektrolyse (1) neu gestartet. Dieser einfache Reinigungsprozess senkt die Wartungskosten und erhöht damit die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Meerwasser-Elektrolyse (1).
Die vorliegende Erfindung weist bezüglich Entsalzung von Meerwasser im Vergleich zu Stand der Technik folgende erfindungsgemäße Vorteile auf in Bezug Schonung der Umwelt, Wirtschaftlichkeit und Technik:

Nachhaltige Energiegewinnung in Form von Wasserstoff (H₂), aus dessen energetischen Nutzung salzfreies Wasser gewonnen wird.

Nutzung der natürlich und unbegrenzt vorkommenden Energien aus Wind- oder Sonne zur Meerwasser-Elektrolyse (1).
Keine Reinigung des Meerwasser-Konzentrats (10) erforderlich, nachdem keine fremde, gesund- oder umweltschädliche Stoffe wie Säuren oder Laugen dem Meerwasser (9) als Elektrolyt zugeben werden.
Entsorgung des Meerwasser-Konzentrats (10) direkt ins Meer.
Minimaler Wartungsaufwand durch integrierter Reinigungsprozess zur Beseitigung von möglichen Ablagerungen an Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3).
Nutzung der Meerwasser-Elektrolyse (1) als Energiespeicher, um Schwankungen in Wind- oder Sonnenenergie als Wasserstoff (H₂) zu speichern.
Kein Einsatz von Semipermeable Membrane, wie bei der Umkehrosmose. Damit entfällt auch der mit der Umkehrosmose verbundene großen Wartungsaufwand mit chemischen Reinigern zur Beseitigung von Beläge aus mineralische Ablagerungen, biologische Stoffe oder Partikel.
Kein Einsatz von Polymer-Elektrolyt-Membranen wie beim Elektrolyseur.
Nähe zu Kernkraftwerke nicht erforderlich, um Meerwasser wie bei dem mehrstufigen Entspannungsverdampfung-Verfahren zu verdampfen.
Kein Süßwasser Verbrauch, um wie beim Gefrierverfahren die Eiskristalle von der Mutterlauge auszuwaschen.
Einsatz von beliebig hohe Anzahl an Kathode-Elektroden (2) und Anode-Elektroden (3) direkt im Meerwasser (9) als Elektrolyt, die beliebig in Reihe, parallel oder mit beliebige Winkeln zueinander angeordnet werden.
Bedarfsgerechte Beschaltung der Kathode- und Anode-Elektroden mit positiver und negativer Gleichspannung, um die lokal überschüssigen Hydroxid-Ionen (OH^-) und Oxonium-Ionen (H₃O⁺) gleich Vorort zu entladen und diese in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) umzuwandeln.
Transport des Meerwassers (9) mit den überschüssigen Hydroxid-Ionen (OH^-) und Oxonium-Ionen (H₃O⁺) über die regelbare Strömung (27) zu den jeweils in Reihe nachgeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3).
Regelbarer Salzgehalt (29) in der Meerwasser-Elektrolyse (1).
Meerwasser ist unbegrenzt verfügbar, woraus mit Hilfe der vorliegende Erfindung Meerwasser-Elektrolyse (1) Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gewonnen werden. Aus der energetischen Nutzung des gewonnenen Wasserstoffes, vorzugsweise in Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrische Energie für elektrische Fahrzeugantriebe, entsteht salzfreies Wasser als Reaktionsprodukt. Dieses salzfreie Wasser ist beliebig nutzbar, als Trinkwasser, in Haushalte für Gärten und Sanitär, in der Industrie oder Landwirtschaft. Die hierzu erforderliche elektrische Energie wird aus erneuerbaren Energien genutzt, wofür insbesondere Windenergie und Solarenergie in Frage kommen. Vor allem in südlichen Regionen wie Südeuropa oder Afrika ist Solarenergie in ergiebigem Umfang verfügbar. Auch nördliche Regionen wie Deutschland weisen hierbei große Potentiale auf, wonach in der Nordsee gute Vorrausetzungen für die erfindungsgemäße Meerwasser-Elektrolyse (1) vorliegen, nachdem sowohl Windenergie als auch Meerwasser (9), in ergiebigem Umfang verfügbar sind. Zudem kann der gewonnene Wasserstoff (H₂) direkt in das bereits bestehende Erdgasnetz eingespeist werden kann. Die vorliegende Erfindung Meerwasser-Elektrolyse (1) weist Vorteile für eine nachhaltige Wasserstoff- und Süßwassergewinnung aus dem Meerwasser auf, die zur Milderung zu weltweiten Wassemot beiträgt.

Claims

Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Meerwasser-Elektrolyse (1) beliebige Anzahl an parallel und in Reihe angeordneten negativ geladene Kathode-Elektroden (2) und positiv geladene Anode-Elektroden (3) mit jeweils integrierten Elektroden-Heizer (30), wenigsten eine Einleitung (5), Verteiler (22), Regelventile (11,12), Ableitung (6), Förderpumpe (13,14), Elektrolyse-Kreislauf (7), Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4), Gleichspannung (8), Steuergerät (19) und Meerwasser (9) als Elektrolyt aufweist.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Kathode-Elektroden (2) jeweils eine Wasserstoff-Auffangkammer (15) und oberhalb der Anode-Elektroden (3) jeweils eine Sauerstoff-Auffangkammer (16) angeordnet sind, die Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) jeweils wenigsten ein Ventil (17,18) zur Entnahme des in den Wasserstoff-Auffangkammern (15) und Sauerstoff-Auffangkammern (16) angesammelten Sauerstoffs (O₂) und Wasserstoffs (H₂) aufweisen.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Meerwasser (9) innerhalb der Meerwasser-Elektrolyse (1) in eine regelbare Strömung (27) und Strömungsgeschwindigkeit (28) versetzt wird und hierbei das das Meerwasser (9) durch die Vielzahl der Strömungskanäle (25) strömt, die durch die in Reihe und parallel mit beliebigem Elektrodenabstand (26) angeordneten Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) gebildet werden, und hierbei das Meerwasser (9) die negativ geladene Kathode-Elektroden (2) und positiv geladene Anode-Elektroden (3) umströmt.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung (27) und die Strömungsgeschwindigkeit (28) über Einleitung (5), Regelventile (11 ,12), Ableitung (6), Förderpumpen (13,14), Elektrolyse-Kreislauf (7), Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) und Steuergerät (19) regelbare sind.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Meerwassers (9) über das Steuergerät (19) und über der jeweils in den Kathode- und Anode-Elektroden (2,3) integrierter Elektroden-Heizer (30) regelbar ist.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden-Heizer (30) der jeweiligen Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) über das Steuergerät (19) mit Strom und Spannung so beschaltet, dass die Reinigungstemperatur (31) zur Reinigung der Kathoden- und Anoden-Elektroden (2,3) eingestellt und geregelt wird.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Meerwasser-Elektrolyse (1) wenigsten ein Entlüftungsventil (32) mit Entlüftungssystem aufweist, um das Volumen (33) der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) zu entlüften.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Meerwasser-Elektrolyse (1) Meerwassers (9) als Elektrolyt eingesetzt wird, ohne Einsatz von Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen.
Elektrolyse-Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem keine Säuren, Laugen, Semipermeable- oder Polymer-Elektrolyt-Membranen eingesetzt werden nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Salzgehalt (29) in der Meerwasser-Elektrolyse-Vorrichtung (4) über Salinometer (34) erfasst und vom Steuergerät (19) zur Steuerung der Meerwasser-Elektrolyse (1) genutzt wird.