DE102020002774A1 - Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und von Grundchemikalien mittels aluminothermischer Reaktion - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und von Grundchemikalien mittels aluminothermischer Reaktion Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und von Grundchemikalien umfassend zumindest die Maßnahmen:a) Erzeugen von Aluminiummetall durch Schmelzflusselektrolyse in einer Schmelzflusselektrolyseanlage,b) Verwendung von Aluminiummetall zur Erzeugung von thermischer Energie und von chemischen Grundstoffen ausgewählt aus der Gruppe Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff, indem Kohlen-stoffdioxid und/oder Wasser mit dem Aluminiummetall in Kontakt gebracht wird und in einer aluminothermischen Reaktion zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff umgesetzt wird,c) Speicherung oder chemische Umsetzung des dabei erzeugten Kohlenstoffmonoxids und/oder Wasserstoffs,d) Speicherung der dabei erzeugten thermischen Energie oder Umformung in andere Energieformen, unde) Rückführung des dabei erhaltenen Aluminiumoxids in die Schmelzflusselektrolyse.Mit dem Verfahren lassen sich Schmelzflusselektrolyseanlagen für die Aluminiumherstellung mit regenerativen Energien zeitlich schwankender Leistung betreiben, ohne dass diese Anlagen abgestellt werden müssen. Das Verfahren gestattet darüber hinaus die Kopplung von Energieerzeugung mit der Bereitstellung von Grundchemikalien, die in einem Kreislaufprozess eingesetzt werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie durch aluminothermische Reduktion von Kohlendioxid und/oder Wasserdampf.
  • Mit dem Verfahren lassen sich gewisse, natürliche sowie anthropogene im Rahmen der Verbrennung bzw. sonstiger Nutzung von organisch oder mineralisch gebundenem Kohlenstoff in die Umwelt entlassener CO2 Überschüsse nutzen und managen. Die Erfindung zielt auf die Kongruenz von Energie und Stoffträger ab, um die häufig Sonnenlicht-, Wind- sowie Gezeiten-abhängige Zyklizität und Variabilität sowohl der Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien bzw. Ressourcen als auch der Stromspeicherung abzufedern. Außerdem sollen Wasserstoff und CO2 durch den Einsatz im Synthesegasstrang der stofflichen, elektrischen und traktorischen Verwendung zugeführt werden.
  • Metallproduktion wird häufig mit unterschiedlichen Methoden der Energiewirtschaft integriert. Stoffliche sowie physikalische Systeme auf der Grundlage von erneuerbaren Energien müssen regional in Zukunft auch die Biomassenproduktion stemmen und damit die Ernährung einer zunehmenden Weltbevölkerung durch Intensivierung bestehender landwirtscher Flächen oder durch die Erhöhung der Produktivität bei der Erzeugung von Nahrungsmitteln unter Erzeugung von Biomasse verbessern.
  • Die stofflichen chemischen Stränge der Weltnahrungsproduktionen sind heute überwiegend faktisch fossiler Natur. Die Kohlenstoffquellen sind aber technisch fast beliebig schaltbar, die biologische Produktion ist Zucker-, Lipid- oder Protein-basiert und damit bereits von energetischem netto Zufluss abhängig, z.B. durch Anwendung des Haber-Bosch-Verfahrens zur Erzeugung von Stickstoffquellen für die biologische Produktion.
  • Die Zukunft einer befriedeten stabilisierten Biosphäre gilt der erneuerbaren Energie bei faktischem Bann der thermischen Vergasung fossiler Energieträger. Andererseits wird die anthropogene CO2 Produktion auf allen Kontinenten durch international wachsenden Energiebedarf in den Bereichen Chemie, Baustoffe (Stahl, Beton, mineralisches Brennen), Wärme- und besonders auch Kälteerzeugung, Transportwesen, Telekommunikation und, fast unbemerkt zunehmend, in Datenverarbeitung und Nahrungsproduktion mit dem entsprechenden irreversiblen Flächenbedarf dafür (Abholzung, Erosion) weiterhin ansteigen. Massive Erschließung bekannter und Neuentdeckung von förderbaren Erdöl- und Erdgasreserven lassen selbst bei westlich geprägten Demokratien kaum Interesse am ganzheitlichen Förderbann erkennen, was aus dem Kostenvorteil einer verschwindenden Materialwirtschaft argumentativ als „Grünes Paradox“ einleuchtet, denn je näher der Bann desto niedriger die Preise bei überbordendem Umsatz.
  • Daraus resultiert reziprok eine Forderung nach hocheffektiver grossindustrieller CO2-Absorption und nach einer Notwendigkeit zur Kompensation im zeitlich nahen Horizont für die unter größtem strategischen Kostendruck stehenden Industrien beispielsweise der Stahl-, Baustoff-, Verkehrs- und Flugindustrie mit z.T. naturgemäss dezentral-global zu gewährleistender Standortsicherheit, trotz derzeitiger statischer Populationsbetrachtung und häufiger regionaler Konflikte vor dem Hintergrund potenzieller, massiver Migrations-Konflikte und -Katastrophen, auch ausgelöst durch Klimawandel und Streben nach natürlichen Ressourcen.
  • Um dieser Forderung zu begegnen sind verschiedene Maßnahmen angedacht:
    • - Einsatz stofflicher Einzelnutzungsstränge der fossilen Verwertung mit Sonderrolle und nachgewiesener Kompensation des daraus resultierenden anthropogenen CO2-Eintrags,
    • - systematische Zyklizität der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen z.B. im Tag-Nachttakt der Photovoltaik, der Solarthermie, der Windenergie und des Erde Mond Zyklus der Gezeitenkraftwerke,
    • - Trennung der Speicherkapazität in Energiespeicher und Transportformen unter Verlagerung der Energie auf Wasserstoff, der durch die direkte Nutzung von Synthesegas mit seinen endothermen Reformierungsreaktionen selbst zum CO2-Eintrag in die Umwelt bzw. die Biosphäre bzw. die Atmosphäre dramatisch beiträgt
    • - Letzteres gilt auch für die Dunkelreaktion der Photosynthese, da die Baum- oder Grünpflanze zwar zur - langsamen - Proliferation sehr gut an die nachhaltige Biosphärensituation angepasst ist, nicht aber als CO2-Speicher optimiert oder optimierbar ist. Sehr schnellwachsende Bäume sind besonders schlecht an neue Klimasituationen und Wetterextreme angepasst; riesige Baumpflanzaktionen sind lokal möglich und als Mikroökonomiekatalysator wünschenswert, doch mit Zunahme von Extremwettern und politischen Instabilitäten mit erheblichem Erfolgs-Risiko behaftet.
  • Somit ergibt sich das gleiche Bild für sowohl für die Synthesegaserzeugung als auch für die technische Biotechnologie. Beide führen zu einer netto CO2-Produktion mit der Ausnahme von wenigen Regionen der Welt, wo Biotechnologie und Pflanzenverwertung zu Traktionsethanol und zur Stromerzeugung realisiert sind.
  • Wasserstoff zeigt in der seiner „Knallgasthermik“ Gas-Gas überraschend geringe Enthalpie und ist außerdem nur schwierig speicherbar. Stoffliche Umsetzungen binden spezifische Anlageninvestitionen. So macht der niedrige Phasen-Tripelpunkt die in der wirtschaftlichen Bilanz zwar denkbaren aber massiven Kühl- und Wärmetauscher-Betriebe notwendig.
  • Aluminium ist als Metall zu erwähnen, das lagerstabil, prozesstechnisch und im Wiederführungskreislauf für eine molare aber auch gewichtsspezifische Energiespeicherung in Frage kommt. Aluminium wird faktisch ausschließlich durch Schmelzelektrolyse erzeugt. Bedeutend ist dabei, dass die industrielle Aluminiumelektrolyse bei „optimalem“ Betrieb selbst durch die bewusste Opferung der Kohlenstoffelektrode durch die Produktion von CO und CO2 zum Emittenten von Treibhausgasen wird.
  • Es ist bekannt, dass bei der Bildung von Aluminiumoxid durch Oxidation von Aluminium eine außerordentlich hohe Reaktionswärme freigesetzt wird. Die Bildungswärme von Aluminiumoxid beträgt -1669.8 kJ/mol, also -835 kJ pro Mol an eingesetztem Aluminium. Aluminium wird aufgrund seines niedrigen Gewichts, seiner unbedenklichen Handhabung und besonders seiner Lagerstabilität und wegen der Häufigkeit seines Auftretens in der Erdkruste als technisches Metall genutzt. Aluminiumoxid eignet sich aufgrund der extremen Gitterenergie als herausragender transportabler Energieträger. Schwerere Metalle wie Ga, As, Sn oder Zn, oder deren Oxide sind weit weniger gut zu transportieren, und sind in bestimmten Aggregaten umwelttechnisch und im industriellen Umgang bedenklich oder sogar flüchtig, sind seltener, oder erzeugen wirtschaftlichen Kriechschaden da sie rosten wie Eisen.
  • Das sogenannte Thermit-Verfahren, bei dem Eisenoxid reduziert und Aluminium oxidiert wird, ist seit über einhundert Jahren als Schweißverfahren im Einsatz.
  • Es ist außerdem bekannt, dass brennendes Aluminium nicht mit Wasser löschbar ist, da sich beim Kontakt des Wassers mit dem Aluminium Wasserstoffgas bildet. Auch der Einsatz von Aluminium zur Erzeugung von Wasserstoff wird beschrieben. Das Metall muss allerdings dazu vorher aktiviert werden, da es im Normalfall von einer Oxidschicht geschützt ist. Ein solches Verfahren wird z.B. in der WO 2010/076802 A9 offenbart.
  • Des Weiteren wurde der Einsatz von Aluminiumoxid als Energiespeicher bereits vorgeschlagen. In einer Medienmitteilung vom 25. September 2018 teilt die Hochschule für Technik in Rapperswil (Schweiz) mit, dass an einem solaren Energiespeicher in Form von Aluminium geforscht wird. Dabei soll Aluminium als Speichermedium für Solarenergie eingesetzt werden. Die zur Herstellung von Aluminium benötigte Energie soll danach wieder frei gesetzt werden, indem die im Aluminium gebundene chemische Energie mithilfe einer Hydrolyse-Reaktion mit einem hohen Wirkungsgrad wieder entzogen wird. Dabei entstehen große Mengen an Wärme und Wasserstoff. Die Wärme kann direkt genutzt werden, während der frei gewordene Wasserstoff z.B. mittels einer Brennstoffzelle für die Produktion von Strom eingesetzt werden kann.
  • Ferner ist aus der WO 2014/173991 A1 ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und Kohlenstoffmonoxid durch aluminothermische Reduktion von Kohlenstoffdioxid bekannt. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich Aluminium in besonderem Maße als Energieträger eignet und darüber hinaus zur Umwandlung von CO2 zu CO eingesetzt werden kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Schmelzflusselektrolyseanlage für die Aluminiumherstellung mit regenerativen Energien zu ermöglichen und dabei gleichzeitig Grundchemikalien zu erzeugen, ohne den inherenten Verlust an Dunkelreaktion (Nacht) und Schmelzabkühlung (Aluminium-Schmelzflusselektrolyse). Die Ausbeuten der potentiellen Dis-Integrationspfade des Kohlendioxids aus der Schmelze und eine technische Anwendbarkeit waren dem Fachmann unbekannt.
  • Ein Nachteil beim Einsatz von regenerativen Energien ist regional in der zeitlichen Schwankung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung zu sehen. Gerade der Betrieb von Großanlagen der Produktion benötigt aber eine Energieversorgung mit gleichmäßiger Leistung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, eine Schmelzflusselektrolyseanlage für die Aluminiumherstellung auch mit regenerativen Energien zu betreiben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt als weitere Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Schmelzflusselektrolyseanlage für die Aluminiumherstellung mit einer hocheffektiven CO2-Absorption zu verknüpfen, um damit natürlich vorkommendes oder anthropogen erzeugtes CO2 zu binden.
  • Außerdem liegt der vorliegenden Erfindung als weitere Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Schmelzflusselektrolyseanlage für die Aluminiumherstellung mit einer Erzeugung von Grundchemikalien für die Produktion von Kohlenwasserstoffen zu verknüpfen.
  • Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und von Grundchemikalien umfassend zumindest die Maßnahmen:
    1. a) Erzeugen von Aluminiummetall durch Schmelzflusselektrolyse in einer Schmelzflusselektrolyseanlage, vorzugsweise durch den Einsatz von Elektrizität gewonnen aus regenerativen Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaik, Solarthermie, Wind oder Gezeiten,
    2. b) Verwendung von Aluminiummetall, vorzugsweise von einem Teils des erzeugten Aluminiummetalls, zur Erzeugung von thermischer Energie und von chemischen Grundstoffen ausgewählt aus der Gruppe Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff, indem Kohlenstoffdioxid und/oder Wasser mit dem Aluminiummetall in Kontakt gebracht wird und in einer aluminothermischen Reaktion zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff umgesetzt wird,
    3. c) Speicherung oder chemische Umsetzung des dabei erzeugten Kohlenstoffmonoxids und/oder Wasserstoffs,
    4. d) Speicherung der dabei erzeugten thermischen Energie oder Umformung in andere Energieformen, und
    5. e) Rückführung des dabei erhaltenen Aluminiumoxids in die Schmelzflusselektrolyse.
  • M.S. Vlaskin et al. beschreiben in J. Power Sources, Vol 196, 20, 2011, p 8828-8835 eine mit Aluminiumpulver und mit Wasser als Oxidationsmittel betriebene Energieerzeugungsanlage. Leider bauen Vlaskin et al. ihre Pilotanlage strikt auf der Aluminiumpulver-Wasser zu Wasserstoff -Brennstoffzellen-Strategie auf.
  • Vladimir Shmelev et al. gehen den Schritt, diese Wasserdampfreaktion an flüssigem Aluminium durchzuführen, und zeigen, dass Zugabe katalytischer Mineralien (KOH) die Sauerstoffaktivität und damit die Ausbeute bis zum quantitativen Optimum erhöht werden kann. Außerdem wird die Durchsatzgrenze weitestgehend durch den Gasblasen-Bruch als dem Erscheinen der Edukt-Phase am Reaktorauslass begrenzt, was durch Geometrien, Parallelisierung, besonders auch Miniaturisierende Parallelisierung (Verrohrung, Verästelung) am Reaktordesign und den kritischen kinetischen Parameter wie Druck und Temperatur einzustellen ist.
  • Dass Kohlendioxid und Kohlenmonoxid eine entscheidende „Fischer-Tropsch“-Halbzellenreaktion an flüssigem Aluminium wäre, war diesen Arbeiten entgangen.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren können Durchfluss- Reaktionsausbeuten und - Selektivitäten geregelt werden und richten sich nach der Taktung und den örtlichen Gegebenheiten. Besonders elegant ist die große Vielfalt, in der in kleinen und parallelen Reaktorabschnitten die Gas/Metall-Reaktanden gezielt zur Reaktion gebracht werden können.
  • Optimal ist die Ausführung der Schritte a) und b) in unmittelbarer räumlicher Nähe, da so dissipatorischer (Wärme)-Energieverlust stark unterdrückt werden kann.
  • Grundsätzlich ändert sich aber an der Kreislaufcharakteristik des Verfahrens wenig, sollten die Schritte b)-d) nach Abkühlen des Aluminiums (heute technisch typischerweise an weiteren Wärmetauschern) und dessen Verbringung an einen anderen Ort durchgeführt werden. Schritt c) kann dann nach Rückführung des entstandenen Aluminiumoxids konventionell als reines Aluminiumoxid der Aluminiumgewinnung wieder zugeführt werden, der Schmelzphasenprozess ist also ein Spezialfall besonders begünstigt am Aluminiumverhüttungsort.
  • Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine industriell entsprechend investierte Region ein teilautarker Teilnehmer im Wirtschaftskreislauf mit hoher Energieproduktion werden und zum polypolistischen Produktions- und Speicherort von Kohlenstoffmonoxid bzw. Wasserstoff und im Weiteren daraus gewonnenen bzw. erzeugten Synthesechemikalien, wie von synthetischen Kraft- und Treibstoffen, werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren führt prozesstechnisch und kapazitätslogistisch durch Optimierung der kalorischen Verluste die bisherige Dilemma-Trennung aus chaotisch-metereologischer und „planetarischer“ Energiepulsation der Stromressource und der Kohlenstoffverwertung mithilfe großtechnisch investierter Branchen zusammen.
  • Inkongruenz der Potentiale der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen („Angebot“) und der gesteuerten Nachfrage führt oft zur Aushebelung der primären Marktkräfte und der darauf basierenden Energie-Marktmodelle für Strom, Erdgas, Erdöl oder Kohle in den jeweiligen politisch und regulatorisch bestimmten Marktumfeldern, die für die Gewinnung und Nutzung von Energie aufgrund deren essentieller Rolle im Funktionieren von vernetztem, industriellen Volkswirtschaften weltweit typisch sind.
  • Politisch oder taktisch gesetzte Regulierung für einen Teil-Energiemarkt, oft bewusst abweichend von tatsächlichem Angebot und Nachfrage, führen auf nationalen und supranationalen Energiemärkten im Ergebnis zu einer von den Investoren und Unternehmen nicht mehr als ausreichend empfundenen, risikoadäquaten Rendite bzw. Verzinsung der eingesetzten Anlagen zur Energiegewinnung und Speicherung.
  • Damit werden wichtige gerade jetzt notwendige wirtschaftliche Auslöser zum Neu- oder Ausbau CO2-effizienter Erzeugungs-/Gewinnungsanlagen nicht gesetzt und gewollte Ausbau- bzw. Einsparungsziele werden in die Zukunft verschoben und damit ihr ökonomischer und ökologischer Wert unwiderruflich verfehlt.
  • Im wesentlichen Umfang sind also dafür die Komplexität der Strang-, Transport- und Steuerungslogik die entscheidende Investitionsbarriere, die also in einer bloßen Binnenökonomie von Skalenökonomien mit nicht ausgleichbaren Energieschwankungen und Speicherpufferunglücken zu kämpfen haben. Nationale Technologiemonster, wie Kraftwerksgroßanlagen versprechen Unabhängigkeit mit überproportionalen bekannten und unbekannten Risiken. Trotzdem sind typischerweise Entkopplungstechnologien, etwa von Zeit, Information oder Energiequelle (Elektrizität/Wasserstoff) und Traktion (synthetischer Diesel, reduktive Gewinnung von Flugbenzin) der offenbar gangbare Weg und von großem regionalen Aufschwungs-, Monopolkartellbefreiungs- und Entflechtungsnutzen.
  • Typische Komponenten einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind also neben Sicherheits-Systemen, Logistik und Reservoirs eine klassisch technische elektrolytische Gasverhüttung, Turbinen zur Elektrizitätserzeugung, beispielsweise Hochdruckwasserdampfturbinen, im Kern aber ein thermisch gekoppeltes Reaktorvolumen zur Behandlung von Aluminium, vorzugsweise von flüssigem Aluminium direkt aus der Elektrolyse, mit CO2 und/oder Wasserdampf oder anderen substanziellen Wasserquellen. Beide Reaktionen sind exotherm, treiben durch die Energiekapazität der Aluminiummasse die stoffliche Produktion der veredelten Reaktionsgase und füllen als „Pumpspeicher“ den nächtlichen Energiebedarf der z.B. weiterbefeuerten Aluminiumelektrolyse selbst.
  • Umwege mit großen Material- und Energieverlusten in dieser beispielsweise lokalen Optimierung über z.B. Zwischenerzeugung von Wasserstoff oder Wasserstoff-Derivaten sind dabei nicht erforderlich.
  • Auch die Verwertung von Aluminiumschrott kann zu einer hocheffizienten Regionalisierung des Verfahrens genutzt werden, z.B. in aluminiumtechnischen grossindustriellen Zentren und „Urban Mining“ Recyclingzentren, die selbst oft mit Verbrennungsanlagen Strom erzeugen. Aluminium ist inert und steht in großen Mengen zur Verfügung. Aluminium wird z.B. in der Luftfahrt und Kraftfahrzeugindustrie verwendet. Aluminiumabfälle können, typisch für Metalle, im Gegensatz zu Kunststoffen, Textilien, Plastik, Mikroplastik und anderen nicht umweltresorbierbaren, nicht biogenen Organisch-Chemischen Verbindungen, besonders gut recycliert werden.
  • Aluminiumschrott kann in Form von Aluminium-Pulver, Aluminium-Granulaten, Aluminium-Bändern, Aluminium-Draht, Aluminium-Barren oder Aluminium-Hohlkörpern, bevorzugt durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Reaktorzuführungen, gegebenenfalls unter Verwendung von Schleusen, eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich wegen Schlackephasentrennung reaktionsfremder Gasanteile (salzartig, mineralisch) durch große Robustheit gegenüber der Reinheit des eingesetzten Gases aus. Dagegen sind andere Verfahren, besonders solche die Wasserstoff nutzen, wie z.B. zur Treibstoffherstellung oder zur Stromgewinnung in Brennstoffzellen in ganz besonderem Maße von der Gasreinheit abhängig.
  • In Kombination mit der stofflichen Verbringung von metallisch gespeicherter, vorwiegend regenerativ gewonnener Energie kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Erzeugung von Wärme durch aluminothermische Reaktion, die gezielte Reduktion von CO2 und/oder Wasserstoff und damit die Erzeugung von Grundchemikalien zur Herstellung einer Vielzahl von Chemikalien bewirken. Die erhaltenen Grundchemikalien können in anderen geographischen Regionen als der ursprünglichen Energiegewinnung weiter umgesetzt werden und durch deren Verfügbarkeit lokale Geschäftsmodelle bis hin zur internationalem Erzeugung von Wertprodukten begründen sowie zur Produktion von Ausgangsstoffen zur Sicherung der lokalen Ernährung eingesetzt werden.
  • Die erzeugte thermische Energie kann bevorzugt einem Nutzverbraucher zugeführt werden. Nutzverbraucher können nahezu alle technischen und chemischen Energiewandler sein. Insbesondere als Nutzverbraucher zu nennen sind Niederdruck- oder Hochdruckdampfturbinen zur Stromerzeugung, Stirlingmotoren und andere Wärmekraftmaschinen oder direkte Stromerzeuger an Temperaturgradienten, Thermolyse-Reaktoren, insbesondere Reaktoren für die Wasserthermolyse zu Wasserstoff.
  • Das entstandene Kohlenstoffmonoxid/der entstandene Wasserstoff wird gespeichert oder einer chemischen Umsetzung zugeführt. Die erzeugte Energie kann zur Energieumwandlung- oder Wärme- bzw. Kälteerzeugung, z.B. zur Heizwärmeerzeugung, abgeführt werden, indem sie gespeichert wird oder direkt oder indirekt verbraucht wird. Die erzeugte thermische Energie kann z.B. einer Niederdruck- oder bevorzugt einer Hochdruckdampfturbine zugeführt werden, um auf diese Weise anforderungs-getaktet Strom zu erzeugen.
  • Die Oxidation des Aluminiums in einer geschlossenen oder durchströmten Apparatur erfolgt besonders bevorzugt in einem Prozess-Reingasgemisch mit überwiegendem Kohlenstoffdioxid- und/oder Wasserdampfstrom. Die Oxidation des Aluminiums erfolgt bevorzugt im Wesentlichen in Abwesenheit von Sauerstoffgas. Im Wesentlichen bedeutet, dass der kontrollierte Zusatz von geringen Mengen Sauerstoffgas zwar nicht optimal, aber im Prinzip noch möglich ist, ohne die beschriebene Reaktion als solche zu beinträchtigen. Bessere Ergebnisse werden jedoch in Abwesenheit von Sauerstoffgas erzielt. Besonders bevorzugt erfolgt die Oxidation des Aluminiums deshalb in Abwesenheit von Sauerstoffgas.
  • Der Rohstoff Aluminium steht als metallischer Rohstoff in industriellem Maßstab zur Verfügung und stellt eine Alternative zu anderen Energieträgern dar. Aluminium ist inert und ungefährlich zu lagern und zu transportieren. Damit weist Aluminium als Energieträger einen wesentlichen Vorteil gegenüber Erdöl, Erdgas oder Kohle auf, die als wesentlich umweltgefährlicher anzusehen sind.
  • Der Rohstoff Kohlenstoffdioxid kann aus dem Atmosphärengas gewonnen werden, aus Verbrennungsvorgängen aller Art oder aus anderen Quellen stammen, und so der Atmosphäre entzogen werden. Das beanspruchte Verfahren hat somit den Vorteil, dass bei der damit verbundenen Energiegewinnung kein Kohlenstoffdioxid entsteht, sondern sogar verbraucht wird. Das entstehende Aluminiumoxid ist innert und führt zu keiner Umweltbelastung.
  • Das entstehende Reaktionsprodukt Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff ist ein gefährliches Gas. Gewinnung, Handhabung und Speicherung von gefährlichen Gasen sind jedoch seit langem und insbesondere nach den heutigen in der chemischen Industrie angewendeten Verfahrenstechniken unter Einhaltung von entsprechenden Sicherheitsstandards ohne weiteres möglich. Das Risikopotential von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff liegt somit auf dem Niveau anderer chemischer Gefahrenstoffe, was zumindest derzeit anders als z.B. die mit der Kernenergie einhergehenden Risiken, wissenschaftlich, gesellschaftlich und politisch weitgehend akzeptiert wird. Die Reaktionsprodukte Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff lassen sich vorteilhaft in vielen industriellen Prozessen verwenden. Diese Reaktionsprodukte können direkt in vielen industriellen Prozessen zur Erzeugung von energiereichen Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt werden, wie z.B. zur Gewinnung von Treibstoffen, wie Kerosin. Die vermehrte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens würde Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff für industrielle Zwecke bereitstellen. Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen aus den Reaktionsprodukten des Kohlenstoffmonoxids und des Wasserstoffs würde wiederum Kohlenstoffdioxid bereitstellen, das erneut dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt werden kann. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht demnach in einer universell, dezentral und schnell anwendbaren Energieerzeugung, ohne dadurch verursachte zusätzliche CO2-Belastung der Umwelt, wobei das Reaktionsprodukt Kohlenstoffmonoxid einem Stoffkreislauf zugeführt werden kann und mit dem ökonomischen Kreislauf-Medium Aluminium/Kohlenstoffdioxid kontrolliert verbunden wird.
  • Eine interessante Komponente des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die mit wachsender Größe des Verbundes wachsende Speicherkapazität. Dieses reduziert den Bedarf an Überkapazität durch Vermeidung der zum technischen Ausgleich von Erzeugungsspitzen erforderlichen Puffer- und Speichermaßnahmen, welche hohe Kosten und hohe Kapitalbindung zur Folge haben. Gleichzeitig können Überangebotsverluste vermieden werden, indem metallisch gespeicherte Energie zur Erzeugung von Grundchemikalien eingesetzt wird, die wiederum zur Erzeugung von Grundgütern, wie Treibstoffen, Biomassen oder Nahrungsmitteln genutzt werden können.
  • Das Verfahren ist netto CO2-negativ und somit an der Quelle wertschöpfend. Außerdem kann das Verfahren durch Einsatz des Metallkreislaufmediums in kleinen Einheiten durchführbar sein und eignet sich dafür z.B. auch für Ansätze des „urban mining“.
  • Das Verfahren kann zusätzliche Energiespeicherkapazität globaler Größenordnung zur Verfügung stellen, ohne dass dabei unbekannte Risiken, die Notwendigkeit des Auf- und Ausbaus einer aufwendigen und sicherheitstechnisch anspruchsvollen Havarieabsicherung oder eine kapitalintensive und geopolitisch sensible Gasspeicherlogistik aufgebaut werden müssen.
  • Der technisch und logistisch bekannte Strang synthetischer Treibstoffe kann für Flugverkehr und Traktion in vielen Bereichen und Regionen nachhaltig bewahrt werden.
  • Darüber hinaus wird auch die Biomassenverwertung für nachhaltige Protein- und Nahrungskettenstoffe intensiviert und die Agrarnabe wird entlastet.
  • Das Verfahren kann mit einem Minimum an Gasreinigungsaufwand durchgeführt werden. Auch Energiekosten zur Komprimierung und Wasservorheizung können auch bei großtechnischer Anwendung minimiert werden.
  • In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Aluminiummetall durch Schmelzflusselektrolyse in einer Schmelzflusselektrolyseanlage erzeugt. Das Verfahren des Schritts a) ist seit langem bekannt.
  • Üblicherweise wird in den Aluminiumhütten nach dem Hall-Heroult-Prozess gearbeitet. Dabei erfolgt die Reduktion von Aluminiumoxid zu reinem Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse. Aluminiumoxid, das eine Schmelztemperatur von 2045 °C hat, wird mit Kryolith vermischt, um die Schmelztemperatur auf ca. 950 °C abzusenken. Das durch Elektrolyse erzeugte Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 650 °C.
  • Bei der Elektrolyse entsteht an der Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff, der mit dem Kohlenstoff der Graphit-Anode zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt wird. Als Kathode wird ebenfalls Graphit verwendet. Das gewonnene flüssige Aluminium sammelt sich am Boden der Elektrolysetröge und wird mit Saugrohren abgeführt. Dieser Prozess benötigt sehr viel elektrische Energie. Daher wird die Aluminiumherstellung vornehmlich an Orten durchgeführt, an denen die Energie ausreichend und zu günstigen Preisen zur Verfügung steht. Aluminiumhütten können nicht abgeschaltet werden, sondern müssen Tag und Nacht betrieben werden, um das Metall nicht erstarren zu lassen. Der Betrieb von herkömmlichen Schmelzelektrolyseanlagen benötigt also eine kontinuierliche Zuführung von elektrischer Leistung in die Anlage.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es ermöglicht, zum Betrieb von Schmelzelektrolyseanlagen für die Herstellung von Aluminium elektrische Energie aus regenerativen Quellen einzusetzen, und die dabei auftretenden Leistungsschwankungen zumindest teilweise zu kompensieren.
  • In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Aluminiummetall zur Erzeugung von thermischer Energie und von Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff eingesetzt. Diese chemischen Grundstoffe werden durch Oxidation von Aluminium erhalten, indem Kohlenstoffdioxid oder Wasser mit dem Aluminiummetall in Kontakt gebracht wird und in einer aluminothermischen Reaktion zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff umgesetzt wird.
  • Schritt b) kann direkt in der Schmelzflusselektrolyseanlage durchgeführt, indem das flüssige Aluminiummetall am Boden der Anlage mit Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf in Kontakt gebracht wird. Neben den Reaktionsprodukten Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff entsteht dabei thermische Energie, welche die Reaktionsprodukte und die Elektrolysezelle aufheizt. Das Erhitzen des Elektrolyten durch die Reaktionswärme führt zu einer Einsparung von elektrischer Energie bei der Elektrolyse, da weniger Strom zum Aufheizen des Elektrolyten eingesetzt werden muss. Außerdem kann die Reaktionswärme dazu eingesetzt werden, bei Stromausfall oder bei Reduktion der für die Elektrolyse zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung den Elektrolyten und das Metall flüssig zu halten, so dass die Anlage nicht abgeschaltet werden muss. Damit lassen sich beispielsweise Ausfallzeiten bei der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen überbrücken. Ein Teil der Reaktionswärme kann aber auch zur Stromerzeugung eingesetzt werden, indem beispielsweise die gasförmigen Reaktionsprodukte durch eine oder mehrere Turbine(n) geleitet werden und anschließend weiter verarbeitet werden. Der erzeugte elektrische Strom kann beliebigen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden oder kann dazu eingesetzt werden, bei Stromausfall oder bei Reduktion der für die Elektrolyse zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung aus externen Quellen die Elektrolyse weiter zu betreiben, so dass die Anlage nicht abgeschaltet werden muss.
  • Alternativ kann Schritt b) in einem separaten Reaktor durchgeführt werden, der sich in der Nähe der Schmelzflusselektrolyseanlage befindet. In dem Reaktor wird Aluminiummetall, das fest oder vorzugsweise flüssig ist, mit Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf in Kontakt gebracht. Bei Verwendung von festem Aluminium muss dieses üblicherweise durch Zuführung von Zündenergie zur Reaktion gebracht werden, wie das z.B. in WO 2014/173991 A1 beschrieben wurde. Festes Aluminium liegt üblicherweise in feinverteilter Form vor, um die gewünschte Reaktion durchführen zu können. Beim bevorzugten Einsatz von flüssigem Aluminium kann eine separate Zündung entfallen, da die Reaktion bereits bei Kontakt der Reaktanten einsetzt. Vorzugsweise wird in Schritt b) flüssiges Aluminiummetall eingesetzt, das aus der Schmelzflusselektrolyseanlage stammt, in der Schritt a) durchgeführt wurde.
  • Auch in der Variante des Schrittes b) mit separatem Reaktor kann die Reaktionswärme dazu eingesetzt werden, bei Stromausfall oder bei Reduktion der für die Elektrolyse zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung den Elektrolyten und das Metall in der Schmelzflusselektrolyseanlage flüssig zu halten, so dass die Anlage nicht abgeschaltet werden muss. Auch bei dieser Variante kann ein Teil der Reaktionswärme zur Stromerzeugung eingesetzt werden, indem beispielsweise die gasförmigen Reaktionsprodukte durch eine oder mehrere Turbine(n) geleitet werden und anschließend weiter verarbeitet werden. Der erzeugte elektrische Strom kann auch hier beliebigen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden oder kann dazu eingesetzt werden, bei Stromausfall oder bei Reduktion der für die Elektrolyse zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung aus externen Quellen die Elektrolyse weiter zu betreiben, so dass die Anlage nicht abgeschaltet werden muss.
  • In Schritt b) kann Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf als Oxidationsmittel für das Aluminium eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf verwendet werden oder es werden Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zwar separat aber in einem Reaktor mit dem Aluminium umgesetzt.
  • In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in Schritt b) erzeugte Kohlenstoffmonoxid und/oder der in Schritt b) erzeugte Wasserstoff gespeichert oder chemisch umgesetzt. Ist eine Speicherung vorgesehen, so wird die in den Reaktionsprodukten Kohlenstoffdioxid oder Wasserstoff enthaltene thermische Energie einer Verwertung zugeführt, beispielsweise der Erzeugung von Wasserdampf durch Wärmeaustausch. Die Speicherung bietet sich an, wenn vor Ort keine geeigneten Reaktionspartner oder Anlagen zur Weiterverarbeitung der chemischen Grundstoffe zur Verfügung stehen.
  • Vorzugsweise wird das in Schritt b) erzeugte Kohlenstoffmonoxid und/oder der in Schritt b) erzeugte Wasserstoff vor Ort chemisch umgesetzt. Dafür steht eine Vielzahl von chemischen Reaktionen zur Verfügung, in denen diese Grundstoffe veredelt werden können. So lässt sich beispielsweise Wasserstoff zur Hydrierung organischer Verbindungen oder in Reduktionsreaktionen, beispielsweise in der Ammoniaksynthese einsetzen. Kohlenstoffmonoxid lässt sich beispielsweise mit Wasser zu Methanol umsetzen. Bevorzugt lassen sich Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff in einer Fischer-Tropsch-Reaktion zu verschiedenen organischen Verbindungen weiter verarbeiten.
  • Bevorzugt ist daher die kombinierte Herstellung von Kohlenstoffmonoxid und von Wasserstoff in Schritt b) und die direkte Weiterverarbeitung beider Grundstoffe in einem Fischer-Tropsch-Reaktor. Die in den Reaktanten enthaltene Wärmeenergie aus Schritt b) kann dabei vorteilhafterweise genutzt werden.
  • Die bei der aluminothermischen Reaktion in Schritt b) erzeugte thermische Energie kann in Schritt d) gespeichert werden oder in andere Energieformen umgeformt werden, beispielsweise in elektrische Energie. Varianten von Schritt d) wurden weiter oben bereits beschrieben. Alternativ kann die erzeugte thermische Energie zu Heiz- bzw. Kühlzwecken genutzt werden.
  • Das durch die aluminothermische Reaktion erhaltene Aluminiumoxid wird in die Schmelzflusselektrolyse zurückgeführt (Schritt e). Es bietet sich an, das Aluminumoxid in die Schmelzflusselektrolyseanlage einzubringen, in der bereits Schritt a) durchgeführt wurde. Es ist aber auch möglich, das in Schritt e) erzeugte Aluminiumoxid in eine andere Schmelzflusselektrolyseanlage einzubringen, als in diejenige, in der Schritt a) durchgeführt wurde.
  • In der Variante, in welcher Schritt b) in der Schmelzflusselektrolyseanlage des Schritts a) durchgeführt wurde, entsteht das Aluminiumoxid direkt in der Anlage, so dass ein automatisches Rückführen erfolgt.
  • Bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion in Schritt b) freigesetzten thermischen Energie zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird.
  • Ebenfalls bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion in Schritt b) freigesetzten thermischen Energie zum Erhitzen des Elektrolyten und/oder des Aluminiums in der Schmelzflusselektrolyseanlage eingesetzt wird.
  • Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die Schmelzflusselektrolyseanlage unter Einsatz von zeitweise schwankender oder von zeitweise ausbleibender elektrischer Energie aus externer Quelle betrieben wird, und bei dem mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion in Schritt b) freigesetzten thermischen Energie dazu verwendet wird, um den Elektrolyten und/oder das Aluminium in der Schmelzflusselektrolyseanlage flüssig zu halten.
  • Ebenfalls besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die Schmelzflusselektrolyseanlage unter Einsatz von zeitweise schwankender oder von zeitweise ausbleibender elektrischer Energie aus externer Quelle betrieben wird, und bei dem mindestens ein Teil der erzeugten elektrischen Energie dazu verwendet wird, um die Schwankung oder das Ausbleiben der aus externen Quellen zugeführten elektrischen Energie zu verringern oder zu kompensieren.
  • Ganz besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem in Schritt b) sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Wasserstoff erzeugt werden, die in Anschluss daran in einer Fischer-Tropsch-Reaktion chemisch miteinander umgesetzt werden.
  • Ebenfalls ganz besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die aluminothermische Reaktion in Schritt b) durch Inkontaktbringen von Kohlenstoffdioxid und/oder Wasserdampf mit flüssigem Aluminiummetall durchgeführt wird.
  • Bei dieser Verfahrensvariante kann das bei Thermit-Verfahren übliche Zünden des Reaktionsgemisches entfallen, da die Reaktionsmischung bereits einen so hohen Energieinhalt aufweist, dass die Reaktion direkt bei Kontakt der Reaktanten einsetzt. Selbstverständlich kann auch bei dieser Verfahrensvariante eine separate Zündung erfolgen.
  • Überraschend wurde gefunden, dass Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserdampf im Kontakt mit flüssigem Aluminiummetall noch weitaus effizienter zum CO- bzw. H2-Wertstoffintermediat reduziert werden können ohne weiter in ihre Bestandteile zu disintegrieren.
  • Vorteil dieser Verfahrensvariante ist besonders in der Nutzung des flüssigen Agregatzustands, einer steuerbaren Dynamik und der Grundaktivierung der Phasengrenze Gas-Flüssig zu sehen.
  • Somit können bestehende Anlagen Online verbunden werden und in sicheren Skalierungen der Reaktionskammern ausgelegt werden. Kaskadenschaltungen zur An- und Abreicherung sind denkbar; auch „numbering“ und Parallelisierung im Sinne von Mini- oder Mikrosystemtechnik machen erschwingliche und fein-steuerbare Anlagen möglich. An- und Abfahren sowie teure Katalysatoren und ihre Aktivierungsprotokolle können nach Trimmung der Anlage entfallen, da die Aluminiumhalbzelle selbst ein hochgeregeltes gepuffertes System darstellt.
  • In einer besonderen Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Kohlenstoffmonoxid erzeugt wird, mit einem Wasserstofferzeugungsverfahren gekoppelt. Dabei kann es sich um beliebige Verfahren handeln, beispielsweise um eine Wasserelektrolyse oder um eine aluminothermische Reaktion von Aluminiummetall mit Wasserdampf. Wiederum zeigt die relative geringe spezifische und molare Enthalpie die deutliche Triebkraft der beschriebenen aluminothermischen Wasserreduktion zur Wasserstoffproduktion.
  • Moderne Industrieanlagen vermeiden Abkühlvorgänge ohne energetische Nutzung. Die Lagerung von Aluminium an sich würde für das erfindungsgemäße Verfahren einen beträchtlichen Energieverlust darstellen, da Aluminium nach Aushärtung aus der Schmelze auch weiter verlustreich abgekühlt wird. Auch die Verwendung von Wasserdampf zur Einspeisung ist also vorteilhafterweise ein Teil der thermischen Systemkopplung. Im Spezialfall kann die Aluminiumphase bei Wasserzulauf und exothermer Reduktion flüssig gehalten werden, d.h. die Verdampfungseinheit würde dann lediglich für den Turbinenkreislauf notwendig sein.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und Kohlenstoffmonoxid durch aluminothermische Reaktion von Kohlenstoffdioxid, bei dem Aluminiummetall und Kohlenstoffdioxid zur Reaktion gebracht werden und zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass gasförmiges Kohlenstoffdioxid und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges und Kohlenstoffmonoxid enthaltendes Reaktionsprodukt, vorzugsweise mit einem Gehalt an Kohlenstoffmonoxid von mindestens 30 Volumenprozent, entstanden ist.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und Wasserstoff durch aluminothermische Reaktion von Wasserdampf, bei dem Aluminiummetall und Wasserdampf zur Reaktion gebracht werden und zu Aluminiumoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Wasserdampf und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges und Wasserstoff enthaltendes Reaktionsprodukt, vorzugsweise mit einem Gehalt an Wasserstoff von mindestens 30 Volumenprozent, entstanden ist.
  • Diese Verfahrensvariante kann bevorzugt in an sich bekannten Flüssigmetallreaktoren durchgeführt werden. Besonders bevorzugt werden für den Gaseintritt und -austritt als Flüssigkontaktboden Korundfritten und Korundbauteile eingesetzt, da dieses Material auch den Reaktanden entspricht (Int. J. Hydrogen Energy Vol 41, Issue 33, 7 2016, p 14562-14572).
  • Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von flüssigem Aluminiummetall zur Erzeugung von thermischer Energie und Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff durch aluminothermische Reaktion von Kohlenstoffdioxid und/oder von Wasserdampf.
  • Ganz bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem flüssiges Aluminium bei einer Temperatur > 660°C mit eindosiertem gasfömigem Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf in Kontakt gebracht wird, um ein Eduktgemisch mit einem CO-Gehalt oder mit einem H2-Gehalt von mehr als 30 Vol.-%, bevorzugt mehr als 50 Vol.-% und besonders bevorzugt mehr als 66 Vol.-% zu erhalten, indem Partialdrücke und Verweilzeit am Aluminiumkontakt durch Kontaktlänge und/oder Kontaktdauer gesteuert wird.
  • Die aluminothermische Reaktion in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Anwesenheit oder bevorzugt in Abwesenheit von Sauerstoffgas erfolgen.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens stammt das eingesetzte Kohlenstoffdioxid aus Verbrennungsprozessen oder wird aus der Atmosphäre oder dem Meerwasser gewonnen.
  • Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne diese dadurch zu begrenzen.
  • Beispiel: Aluminothermische Reduktion von Kohlenstoffdioxid an flüssigem Aluminium
  • Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie soll das reduktive Verhalten von flüssigem Aluminium gegenüber Kohlenstoffdioxid und die dabei entstehenden Reaktionsprodukte untersucht werden. Eine Bedingung für die Durchführung der aluminothermischen Reaktion sollte sein, dass diese in einer geschlossenen Apparatur im Kohlenstoffdioxidstrom erfolgt. Die bei der Reduktion des Kohlenstoffdioxids freiwerdenden Gase werden in einem PTFE-Gasbeutel aufgefangen und gaschromatographisch analysiert.
  • Die Versuchs- bzw. Reaktionsapparatur bestand aus einem Quarzrohr mit Keramikofen. Flüssiges Aluminium wurde mit reinem Kohlendioxid (CO2, GA 370) in einem speziell angefertigten Quarzrohr (Abmessungen: ca. 60 cm Länge 8 cm Durchmesser) unter kontrollierter Heizung in einem Keramikofen oxidiert. Hierzu wurden mg Mengen von Aluminium im Quarzrohr verflüssigt. Nach einer Spülung mit Stickstoff wurde Kohlendioxid mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 100 ml / Minute über die Aluminiumschmelze geleitet, wobei in einer starken exothermen Reaktion eine Selbstentzündung des Aluminiums auftrat, die ca. 15 Sekunden anhielt und erst bei augenscheinlicher Umsetzung des Aluminiums wieder erlosch.
  • Während der Phase der Selbstentzündung wurde ein Aliquot des austretenden Gasstroms in einen PTFE-Gasbeutel (Grace PTFE sampling bag, Art. 8605719) aufgefangen und die qualitative und quantitative Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches anschließend gaschromatographisch analysiert. Vergleichend hierzu wurde ein Aliquot des Gasstromes vor dem Aufheizen des Aluminiums als Blindwert entnommen und die Zusammensetzung ebenfalls gaschromatographisch (GC) analysiert.
    • GC-Messparameter
    • Stationäre Phase : Molekularsieb 5Á
    • Trägergas: Helium 4.6, Messer Griesheim
    • Trägergasregelung: flussgeregelt
    • Säulenfluss [ml/min]: 20
    • Injektortemperatur [°C]: 150
    • Detektortyp: WLD
    • Detektortemperatur [°C]: 150
    • Ofentemperatur [°C]: 80
    • Injektionsvolumen [µL]: 250
  • Ergebnis
  • In dem aufgefangenen Gasgemisch wurden > 33 % Kohlenmonoxid bestimmt.
  • Auch bei Unterschichtung an der analytischen Fritte wurde sofort CO Partialdruck vom Messgerät angezeigt.
  • 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
    • WO 2010/076802 A9 [0013]
    • WO 2014/173991 A1 [0015, 0057]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • Int. J. Hydrogen Energy Vol 41, Issue 33, 7 2016, p 14562-14572 [0080]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und von Grundchemikalien umfassend zumindest die Maßnahmen: a) Erzeugen von Aluminiummetall durch Schmelzflusselektrolyse in einer Schmelzflusselektrolyseanlage, b) Verwendung von Aluminiummetall zur Erzeugung von thermischer Energie und von chemischen Grundstoffen ausgewählt aus der Gruppe Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff, indem Kohlen-stoffdioxid und/oder Wasser mit dem Aluminiummetall in Kontakt gebracht wird und in einer aluminothermischen Reaktion zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff umgesetzt wird, c) Speicherung oder chemische Umsetzung des dabei erzeugten Kohlenstoffmonoxids und/oder Wasserstoffs, d) Speicherung der dabei erzeugten thermischen Energie oder Umformung in andere Energieformen, und e) Rückführung des dabei erhaltenen Aluminiumoxids in die Schmelzflusselektrolyse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt b) eingesetzte Aluminiummetall teilweise in der Schmelzflusselektrolyseanlage erzeugt worden ist, in der Schritt a) durchgeführt wurde.
  3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion freigesetzten thermischen Energie zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion freigesetzten thermischen Energie zum Erhitzen des Elektrolyten und/oder des Aluminiums in der Schmelzflusselektrolyseanlage eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzflusselektrolyseanlage unter Einsatz von zeitweise schwankender oder von zeitweise ausbleibender elektrischer Energie aus externer Quelle betrieben wird, und dass mindestens ein Teil der durch die aluminothermische Reaktion freigesetzten thermischen Energie dazu verwendet wird, um den Elektrolyten und/oder das Aluminium in der Schmelzflusselektrolyseanlage flüssig zu halten.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzflusselektrolyseanlage unter Einsatz von zeitweise schwankender oder von zeitweise ausbleibender elektrischer Energie aus externer Quelle betrieben wird, und dass mindestens ein Teil der erzeugten elektrischen Energie dazu verwendet wird, um die Schwankung oder das Ausbleiben der aus externen Quellen zugeführten elektrischen Energie zu verringern oder zu kompensieren.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Wasserstoff erzeugt werden, die in Anschluss daran in einer Fischer-Tropsch-Reaktion chemisch miteinander umgesetzt werden.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminothermische Reaktion durch Inkontaktbringen von Kohlenstoffdioxid und/oder Wasserdampf mit flüssigem Aluminiummetall durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmiges Kohlenstoffdioxid und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges Reaktionsprodukt mit einem Gehalt an Kohlenstoffmonoxid von mindestens 30 Volumenprozent entstanden ist, oder dass Wasserdampf und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges Reaktionsprodukt mit einem Gehalt an Wasserstoff von mindestens 30 Volumenprozent entstanden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Aluminium bei einer Temperatur > 660°C mit eindosiertem gasfömigem Kohlenstoffdioxid oder Wasserdampf in Kontakt gebracht wird, um ein Eduktgemisch mit einem CO-Gehalt oder mit einem H2-Gehalt von mehr als 30 Vol.-%, bevorzugt mehr als 50 Vol.-% und besonders bevorzugt mehr als 66 Vol.-% zu erhalten, indem Partialdrücke und Verweilzeit am Aluminiumkontakt durch Kontaktlänge und/oder Kontaktdauer gesteuert wird.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminothermische Reaktion in Abwesenheit von Sauerstoffgas erfolgt.
  12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Kohlenstoffdioxid aus Verbrennungsprozessen stammt oder aus der Atmosphäre oder dem Meerwasser gewonnen wird.
  13. Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und Kohlenstoffmonoxid durch aluminothermische Reaktion von Kohlenstoffdioxid, bei dem Aluminiummetall und Kohlenstoffdioxid zur Reaktion gebracht werden und zu Aluminiumoxid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmiges Kohlenstoffdioxid und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges und Kohlenstoffmonoxid enthaltendes Reaktionsprodukt, vorzugsweise mit einem Gehalt an Kohlenstoffmonoxid von mindestens 30 Volumenprozent, entstanden ist.
  14. Verfahren zur Erzeugung von thermischer Energie und Wasserstoff durch aluminothermische Reaktion von Wasserdampf, bei dem Aluminiummetall und Wasserdampf zur Reaktion gebracht werden und zu Aluminiumoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf und flüssiges Aluminiummetall miteinander so lange in Kontakt gebracht werden, bis ein gasförmiges und Wasserstoff enthaltendes Reaktionsprodukt, vorzugsweise mit einem Gehalt an Wasserstoff von mindestens 30 Volumenprozent, entstanden ist.
  15. Verwendung von flüssigem Aluminiummetall zur Erzeugung von thermischer Energie und Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff durch aluminothermische Reaktion von Kohlenstoffdioxid und/oder von Wasserdampf.
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DE102021005550A1 (de) 2021-11-09 2023-05-11 Carsten Dentler lntermediate des metallischen Aluminiums mit Kohlenstoffoxid, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung

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