DE102021134596A1

DE102021134596A1 - Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von Feststoffen und Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102021134596A1
Application number: DE102021134596.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Hanke; Sascha Knist
Original assignee: Graforce GmbH
Current assignee: Graforce GmbH
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29
Also published as: WO2023117752A1

Abstract

Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt. Die Plasmalysevorrichtung enthält einen Reaktionsraum, eine Gaszuleitung für ein Plasmagas in den Reaktionsraum, genau eine Plasmaelektrode zum Erzeugen von Koronaentladungen im Reaktionsraum mittels einer hochfrequenten Wechselspannung und ein in einem vorbestimmten Abstand zur Plasmaelektrode angeordnetes Reservoir für mindestens einen Ausgangsstoff umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder mindestens eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit in den Reaktionsraum sowie eine Gasableitung für den molekularen Wasserstoff aus dem Reaktionsraum. Dabei ist der Reaktionsraum von einer Wand umschlossen, die ausgebildet ist, die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren. Darüber hinaus ist die Plasmaelektrode mit einem Hochfrequenzgenerator zum Erzeugen der hochfrequenten Wechselspannung verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt bzw. Nebenprodukt, sowie ein Plasmalysesystem mit wenigstens zwei solcher Plasmalysevorrichtungen und ein Verfahren zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt bzw. zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt.
Es ist bekannt Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan, Erdgas, Biogas oder Schweröl, mittels des Kvaerner-Verfahrens in einem Plasmabrenner bei etwa 1600 °C in Aktivkohle und Wasserstoff zu trennen. Ferner ist grundsätzlich auch die Plasmavergasung fester oder flüssiger organischer Ausgangsstoffe bekannt. Bekannte Anlagen nutzen hierzu in der Regel Lichtbogen-Plasmen, wie beispielsweise in US 5,319,176 beschrieben. Diese Verfahren sind sehr energieaufwendig und oft instabil.
Hier setzt die Erfindung an, die eine verbesserte Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltenden Feststoffen und/oder Flüssigkeiten in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt bereitstellt.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt. Die Plasmalysevorrichtung enthält einen Reaktionsraum, eine Gaszuleitung für ein Plasmagas in den Reaktionsraum, genau eine Plasmaelektrode zum Erzeugen von Koronaentladungen im Reaktionsraum mittels einer hochfrequenten Wechselspannung und ein in einem vorbestimmten Abstand zur Plasmaelektrode angeordnetes Reservoir für mindestens einen Ausgangsstoff umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder mindestens eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit in den Reaktionsraum sowie eine Gasableitung für den molekularen Wasserstoff aus dem Reaktionsraum. Dabei ist der Reaktionsraum von einer Wand umschlossen, die ausgebildet ist, die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren. Darüber hinaus ist die Plasmaelektrode mit einem Hochfrequenzgenerator zum Erzeugen der hochfrequenten Wechselspannung verbunden.
Die Erfindung nutzt eine sogenannte Koronaentladung, insbesondere auf einem flachen Ende der Plasmaelektrode oder auf der Spitze der Plasmaelektrode, beispielsweise auf einer Gas-Düsenspitze der Plasmaelektrode. Bei der Koronaentladung wird bevorzugt ein nicht-thermisches Plasma erzeugt. Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass somit über die Nutzung einer Koronaentladung der Energieverbrauch beim Spalten von wasserstoffenthaltenden Stoffen reduziert werden kann, da weniger Energie in nicht effizient weiterverwendbare thermische Energie umgewandelt wird. Somit können die Kosten für die Herstellung von molekularem Wasserstoff und der Vorrichtung oder Anlage zum Herstellen des molekularen Wasserstoffs reduziert werden.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass eine Koronaentladung vorteilhaft mit genau einer Plasmaelektrode erzeugt werden kann. Hierbei wird keine Gegenelektrode vorgesehen. Die Gegenelektrode kann spontan von Teilen der Innenseite der Wand des Reaktionsraums gebildet werden, so dass ein starkes elektrisches Feld im Reaktionsraum zwischen der Plasmaelektrode und Teilen der Innenseite der Wand des Reaktionsraums, an der Plasmaelektrode erzeugt wird. Das elektrische Feld kann jedoch auch ohne eine spontan gebildete Gegenelektrode eine Koronaentladung erzeugen. Da nur eine Plasmaelektrode verwendet wird, kann eine Verunreinigung und ein mögliches Zusetzen der Plasmaelektrode mit festem Beiprodukt bzw. Nebenprodukt reduziert werden. Ferner kann, da nur eine Plasmaelektrode verwendet wird ein Elektrodenmaterialabtrag verringert werden.
Eine Koronaentladung kann in einem elektrischen Feld entstehen, das stark genug ist, um freie Elektronen und Ionen nach einer lonisation eines Atoms in einem Gas räumlich zu trennen, so dass diese nicht sofort rekombinieren. Dies kann auch genutzt werden, um verschiedene Atome in Molekülen voneinander zu trennen, indem die Bindungen zwischen diesen aufgebrochen werden. Diese Atome können dann miteinander zu neu bzw. anders zusammengesetzten Molekülen rekombinieren.
Eine Koronaentladung kann wie folgt ablaufen. Ein erstes freies Elektron kann durch Feldionisation erzeugt werden, wobei das freie Elektron und ein positives Ion entstehen. Hierbei wird durch ein starkes elektrisches Feld, zum Beispiel in der Nähe einer Elektrodenspitze, der Potentialverlauf für ein in einem Atom gebundenes Elektron so verändert, dass es die Potentialbarriere überwinden oder durchtunneln kann. Alternativ kann ein erstes freies Elektron auch erzeugt werden, wenn ein hochenergetisches Photon auf ein Atom trifft und mittels des photoelektrischen Effekts das Atom ionisiert, so dass das freie Elektron und ein positives Ion entstehen. Das hochenergetische Photon kann beispielsweise von einer Strahlungsquelle, z.B. einer UV-Strahlungsquelle, oder durch ein natürliches Ereignis, wie beispielsweise ein durch kosmische Strahlung erzeugtes Photon, bereitgestellt werden.
Das starke elektrische Feld beschleunigt die unterschiedlich geladenen Teilchen, d.h. das negativ geladene freie Elektron und das positiv geladene Ion, in unterschiedliche Richtungen und trennt sie somit räumlich voneinander. Das positiv geladene Ion kann Teil eines Moleküls mit mehreren Atomen sein, so dass das positiv geladene Molekül beschleunigt werden kann. Aufgrund der gleichen Ladungsmenge, jedoch einer geringeren Masse des Elektrons, wird dieses viel stärker als das positiv geladene Ion beschleunigt und kann, wenn es mit einem anderen Atom zusammenstößt, dieses ionisieren und ein weiteres freies Elektron erzeugen. Es können auch mehrere freie Elektronen mehrere Atome des Moleküls treffen, so dass das Molekül in seine Atome aufgespalten werden kann. Da jedes neue freie Elektron weitere freie Elektronen erzeugen kann, kann eine Elektronenlawine entstehen.
Ein Teil der freien Elektronen rekombiniert mit den positiv geladenen Ionen und erzeugt neutrale Atome unter Erzeugung eines hochenergetischen Photons, das wiederum weitere Atome ionisieren kann. Die Photonen sind als typisches Koronaleuchten erkennbar.
Die elektrische Feldstärke lässt in einer gewissen Entfernung zur Plasmaelektrode so stark nach, dass die Elektronen nicht mehr genug Energie haben, um weitere freie Elektronen und positiv geladene Ionen zu erzeugen. Dies begrenzt die Koronaentladung und stellt deren Außengrenze dar. Die positiv geladenen Ionen können mit Elektronen der Elektrode rekombinieren oder mit freien Elektronen. Ferner können Atome miteinander zu neu zusammengesetzten Molekülen rekombinieren.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zu Grund, dass über die Verwendung hochfrequenter Wechselspannung mit nur einer Plasmaelektrode, Plasmen von Koronaentladungen bei Atmosphärendruck gezündet und betrieben werden können. Ein Betrieb bei Atmosphärendruck kann die Kosten für Anlagen und Betrieb verringern. Zudem kann im Gegensatz zu einer Vorrichtung mit einer Gegenelektrode ein Plasmadurchbruch am Ende der Plasmaelektrode erzeugt werden. Im Gegensatz zu den Mikrowellenplasmaverfahren und Lichtbogenverfahren, ist es daher für das Herstellen des molekularen Wasserstoffs mit der erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung nicht erforderlich unter reduziertem Druck zu arbeiten.
Ferner kann ein höherer Wirkungsgrad als beim Verwenden von Mikrowellenplasmaverfahren oder Lichtbogenverfahren erreicht werden, die mit einem Wirkungsgrad von ca. 60 Prozent arbeiten. Es kann beispielsweise mit der Plasmalysevorrichtung ein Wirkungsgrad von 85 % erreicht werden. Hierbei ist der Wirkungsgrad gemeint, der sich auf die benötigte elektrische Leistung zum Erzeugen von molekularem Wasserstoff bezieht. Beispielsweise kann 1 kg molekularer Wasserstoff mit der Plasmalysevorrichtung unter Einsatz von 10 kWh hergestellt werden. Das Kvaerner-Verfahren benötigt hierfür beispielsweise 13,75 kWh bzw. 1,25 kWh/m³ molekularem Wasserstoff.
Um die Plasmaelektrode gegenüber der Außenseite der Wand des Reaktionsraums elektrisch zu isolieren, ist die Wand so ausgebildet, dass der elektrische Fluss durch die Oberfläche der Wand von außen zur Plasmaelektrode Null ist. Hierfür hat eine Innenseite der Wand gegenüber der Plasmaelektrode ein Floating-Potential. Dies ermöglicht es ein stärkeres elektrisches Feld direkt an der Plasmaelektrode auszubilden. Dadurch kann der wasserstoffenthaltende Feststoff oder die Flüssigkeit besser gespalten werden. Die Wand kann beispielsweise eine nicht-geerdete, nicht-metallische Wand sein. Alternativ kann die Wand auch eine metallische Wand mit einer nicht-metallischen Isolierung auf deren Innenseite gegenüber der Plasmaelektrode sein, z.B., mit einer nicht-metallischen Isolationsbeschichtung.
Mit der erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung können daher effizient größere Mengen an Ausgangsstoff umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder mindestens eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit bei geringeren Kosten in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt gespalten werden. Dies ermöglicht es also molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt aus einem solchen Ausgangsstoff herzustellen.
Als Ausgangsstoff kommen insbesondere Abfälle in Frage, aus denen so kostengünstig Wasserstoff und nutzbare Beiprodukte gewonnen werden können und zusätzlich die Last an zu deponierendem Abfall deutlich gesenkt oder sogar ganz eliminiert werden kann. Insbesondere Klärschlamm, Biomasse, wie Speisereste, Mist, Haushaltsabfälle, Medikamentenabfälle, Autoreifen, Kunststoffabfälle, Verpackungsmüll, Industrieabfälle, RESH (brennbare, geschredderte Abfälle aus der Automobilindustrie RESH besteht aus folgenden Materialgruppen, wobei die genaue Zusammensetzung variieren kann: Kunststoffe 62 % (darunter 29 % Elastomere), Autoglas, Sand 16 % , Lackstaub, Rost etc. 11 % Textilien, Leder 6 %, Holzfaser, Pappe 4 %, Metalle 1 %), Abfallprodukte umfassend glasfaserverstärkte Kohlenstoffe wie Glasfaserkabel oder Rotorblätter, beispielsweise von Windenergieanlagen sind in erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung nutzbar. Auch kommunale oder industrielle Abwasser, Holzgaskondensatwasser, Fettwasser, Zellulosewasser, Brüdenwasser, Zentratwasser, Presswasser, Prozesswasser aus einer Klärschlammbehandlung, Deponiesickerwasser, Waschwasser beispielsweise aus der Rauchgasreinigung, veröltes Wasser, Bergbauabwasser, Abwasser aus der Ölgewinnung (beispielsweise aus Fracking, von Bohrplattformen), Ammoniakwasser, Gülle (beispielsweise Schweine-, Rinder- oder Geflügelgülle), flüssigen Gärreste oder aus diesen gewonnene Prozesswasser kommen als Ausgangsstoff in Frage. Statt Abfallprodukten oder Abfällen können auch nachwachsende Rohstoffe, beispielweise Biomasse aus zum Beispiel Pflanzen oder Pflanzenteile als Ausgangstoffe genutzt werden oder wasserstoffenthaltende Flüssigkeiten wie zum Beispiel Cyclohexan, Heptan, Toluol, Benzin, JP-8 oder Diesel.
Besonders bevorzugt sind Ausgangsstoffe, die als wasserstoffenthaltende Feststoffe und/oder Flüssigkeiten solche umfassen, die Kohlenwasserstoffverbindungen aufweisen. Dann entsteht bei der Plasmalyse fester Kohlenstoff, (C(s)), wobei C (s) verschiedene feste Kohlenstoffstrukturen enthalten kann, z.B. eine oder mehrere Kohlenstoffstrukturen. Kohlenstoffstrukturen können beispielsweise elementare Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Kohlenstoffnanokegel oder andere Kohlenstoffstrukturen sein. Die elementaren Kohlenstoffpartikel können beispielsweise eine Größe zwischen 50 µm und 180 µm haben. Es können sich auch Kohlenstoffschichten ausbilden. Dies ermöglicht ein effizientes Erzeugen von molekularem Wasserstoff und elementarem Kohlenstoff aus den Ausgangsstoffen. Insbesondere wird dadurch eine kosten- und energieeffiziente Möglichkeit geschaffen, aus Abfallprodukten hochwertigen Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff zu erzeugen.
Weitere Beiprodukte sind sowohl als gasförmige, flüssige aber auch feste Beiprodukte möglich. Die Zusammensetzung der Beiprodukte ist insbesondere von der Zusammensetzung des Ausgangsstoffs abhängig, aber auch von der Verfahrensführung. Bei der Nutzung von Ausgangsstoff mit Kohlenwasserstoffen ist insbesondere die Erzeugung niederkettigerer Kohlenwasserstoffe beispielsweise als gasförmige Beiprodukte möglich.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie sind in der Beschreibung ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.
Als Plasmagas wird bevorzugt Stickstoff und/oder Wasserstoff eingesetzt. Auch die Verwendungen weiterer Gase oder Gasgemische, die Wasserstoff enthalten, etwa Kohlenwasserstoff wie Methan oder Erdgas ist möglich und bevorzugt. Die Nutzung von Kohlenwasserstoffen unterstützt die Bildung von Kohlenstoff als Beiprodukt.
Der vorbestimmte Abstand liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 4500 mm. Der Abstand ist insbesondere abhängig von der Leistung des Plasmas sowie von einer Zusammensetzung des Ausgangsstoffs. Bevorzugt ist daher die Plasmaelektrode und/oder das Reservoir derart in der Plasmalysevorrichtung angeordnet und ausgebildet, dass der vorbestimmte Abstand variiert werden kann. Somit kann ein und dieselbe Anlage für verschiedene Ausgangsstoffe oder Zusammensetzungen eines Ausgangsstoffes verwendet werden.
Der Reaktionsraum kann gasdicht ausgebildet sein. Dies insbesondere um Kontaminationen durch eindringende Gase zu vermeiden, insbesondere ein Einströmen von Sauerstoff oder Luft ist zu vermeiden und damit die Bildung von CO₂. Hierzu kann der Reaktionsraum insbesondere als verschließbare Kammer ausgebildet sein. Diese kann insbesondere mindestens eine gasdicht verschließbare Öffnung zur Einbringung und/oder Abfuhr von Feststoffen oder Flüssigkeiten beinhalten. Ein Einströmen von Luft/Sauerstoff kann aber auch durch entsprechende Druckverhältnisse, Verfahrensführung oder Umgebungsatmosphären verhindert werden.
Die Plasmalysevorrichtung kann ein Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann den Reaktionsraum, die Gaszuleitung, die Plasmaelektrode und die Gasableitung aufweisen. Der Reaktionsraum kann vom Gehäuse gebildet werden, so dass die Wand des Reaktionsraums eine Außenwand des Gehäuses ist. Alternativ, kann der Reaktionsraum auch innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, so dass die Wand des Reaktionsraums und die Außenwand des Gehäuses nicht identisch sind.
Der Hochfrequenzgenerator kann Teil der Plasmalysevorrichtung sein oder als separates Gerät mit der Plasmalysevorrichtung verbunden werden. Der Hochfrequenzgenerator kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Bevorzugt ist der Hochfrequenzgenerator außerhalb des Gehäuses angeordnet. In diesem Fall kann eine elektrische Kontaktierung von außen, d.h. außerhalb des Gehäuses erfolgen.
Der Hochfrequenzgenerator kann eine vorbestimmte Ausgangsimpedanz haben und mit der Plasmaelektrode über ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung einer Impedanz eines an der Plasmaelektrode durch die Koronaentladungen entstehenden Plasmas und der Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators verbunden sein. Das Anpassungsnetzwerk kann Teil der Plasmalysevorrichtung sein oder Teil des separaten Geräts, das den Hochfrequenzgenerator enthält.
Vorteilhaft wird ein sogenanntes Anpassungsnetzwerk (auch Matching Network oder Matchbox) als Bindeglied zwischen Hochfrequenzgenerator und einem bei der Koronaentladung erzeugten Plasma eingesetzt, das die ohmschen und kapazitiven Anteile des Plasmas mit einer vom Hochfrequenzgenerator vorgegebenen Ausgangsimpedanz in Übereinstimmung bringt. Die Impedanz des Plasmas ist insbesondere abhängig von einem Abstand der Plasmaelektrode zur Koronaentladung, einer Zusammensetzung des Plasmagases, einer Beschaffenheit des Reaktionsraums, sowie eines den Reaktionsraum umschließenden Gehäuses, der Temperatur im Reaktionsraum, sowie der Atmosphäre im Reaktionsraum.
Der Hochfrequenzgenerator kann eine Messeinrichtung zum Messen einer Intensität und einer Leistung einer hin- und einer rücklaufenden Welle aufweisen. Die Messeinrichtung kann einen Richtkoppler und zwei Detektoren aufweisen.
Bevorzugt beträgt die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators 50 Ohm und/oder eine Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators zwischen 30 W und 50 kW. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei dieser Ausgangsimpedanz besonders zuverlässig ein Plasma bei gleichzeitig guter Wasserstoffausbeute ausgebildet wird.
Bevorzugt ist der Hochfrequenzgenerator dazu ausgebildet eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 40 MHz, insbesondere im Bereich von 10 MHz bis 20 MHz, zum Beispiel mit einer Frequenz von 13,56 MHz bereitzustellen.
Vorteilhaft umfasst das Anpassungsnetzwerk mindestens einen motorgesteuerten Kondensator und mindestens eine variable Spule, beispielsweise zwei Spulen. Diese bilden zusammen einen elektrischen Schwingkreis, über den die Impedanzanpassung kontinuierlich auch auf schwankende Lasten durch das Plasma reagieren kann. Die Abstimmung der Kondensatoren und Spulen erfolgt in einer weiteren Ausführungsform automatisch über eine Reflexion- und Stehwellenregelkreismethode.
Der Hochfrequenzgenerator kann ausgebildet sein, die Wechselspannung in Form von Sinuswellen bereitzustellen. Dies kann es ermöglichen, eine höhere Energieeffizienz für das bei der Koronaentladung erzeugte Plasma zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann der Hochfrequenzgenerator auch ausgebildet sein die Wechselspannung in einer komplexen Wellenform, einer rechteckigen Wellenform oder einer anderen Wellenform bereitzustellen.
Die Gaszuleitung kann derart angeordnet sein, dass das Plasmagas entlang einer Oberfläche der Plasmaelektrode in Richtung der Koronaentladung strömt. Die Gaszuleitung kann derart angeordnet sein, dass das wasserstoffenthaltende Gas entlang einer Innenoberfläche der Plasmaelektrode oder einer Außenoberfläche der Plasmaelektrode in Richtung der Koronaentladung strömt. Die Richtung der Koronaentladung entspricht der Strömungsrichtung des Plasmagases von der Gaszuleitung in Richtung der Gasableitung. Die Gaszuleitung kann beispielsweise derart angeordnet sein, dass das Plasmagas parallel zur Plasmaelektrode entlang deren Oberfläche in Richtung der Koronaentladung strömt. Dies ermöglicht es, Verschmutzungen, die sich an der Oberfläche der Plasmaelektrode absetzen, zu entfernen. Zudem kann die Position und Form des Plasmas hierdurch beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Plasma von der Gaszuleitung weg in Richtung der Gasableitung verschoben werden. Ferner kann dies eine gesicherte Plasmaentladung an einem Ende der Plasmaelektrode sicherstellen.
Die Plasmaelektrode kann ein flaches Ende zum Erzeugen der Koronaentladungen im Reaktionsraum aufweisen. Dies ermöglicht es, das von der Plasmaelektrode erzeugte Plasmavolumen zu erhöhen. Ein flaches Ende ermöglicht auch eine zentrierte Koronaentladung. Dies hat den Vorteil, dass ein unerwünschtes Anwachsen von Beiprodukten wie beispielsweise Kohlenstoff an der Elektrode vermieden werden kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Anpassungsnetzwerk derart eingestellt ist, dass eine Reflexion der Leistung nahezu vollständig unterdrückt wird.
Die Plasmaelektrode kann auch eine gewölbte oder kegelförmige Elektrodenform zum Erzeugen der Koronaentladungen im Reaktionsraum haben.
Die Plasmaelektrode kann sich über den Reaktionsraum hinaus außerhalb des Gehäuses erstrecken. Dies vereinfacht ein Verbinden mit dem Hochfrequenzgenerator.
Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Plasmaelektrode derart ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Position eines Endes der Plasmaelektrode im Reaktionsraum einstellbar ist, so dass auch die Position der Koronaentladung innerhalb des Reaktionsraums eingestellt werden kann.
Die Plasmaelektrode kann eine Öffnung aufweisen. Die Öffnung der Plasmaelektrode kann mit der Gaszuleitung verbunden sein. Die Plasmaelektrode kann derart angeordnet sein, dass das Plasmagas durch die Öffnung der Plasmaelektrode hindurch in den Reaktionsraum eingeführt wird. Dies ermöglicht einen direkten Kontakt der Plasmaelektrode mit dem Plasma der Koronaentladung. Die Plasmaelektrode kann auch mehrere Öffnungen aufweisen, die mit der Gaszuleitung verbunden sind. Dies ermöglicht es das Plasmagas über mehrere Öffnungen der Elektrode hindurch in den Reaktionsraum einzuführen. Die eine oder mehrere der Öffnungen können öffenbar und schließbar ausgebildet sein. Hierfür können beispielsweise Klappen in den Öffnungen oder ein Schiebeelement vorgesehen sein, das vor die jeweiligen zu schließenden Öffnungen geschoben werden kann. Dies ermöglicht eine verbesserte Steuerung der Koronaentladung. Alternativ oder zusätzlich kann die Koronaentladung auch zum Beispiel über die bereitgestellte Menge des Plasmagases über die Gaszuleitung gesteuert werden.
Die Öffnung der Plasmaelektrode kann als Düse zum Einführen des Plasmagases in den Reaktionsraum ausgebildet sein. Vorteilhaft bildet sich dadurch das nicht-thermische Plasma, das durch die Koronaentladung erzeugt wird, auf der Spitze der Plasmaelektrode bzw. der Düse aus. Das Einführen des Plasmagases durch die Düse hindurch kann ein Kühlen der Plasmaelektrode, insbesondere deren Spitze, ermöglichen. Hierdurch kann eine Materialbelastung reduziert werden. Die Düse kann in direktem Kontakt mit dem Plasma der Koronaentladung stehen. Die Öffnung der Plasmaelektrode kann einen sich zwischen einer mit der Zuleitung verbundenen Plasmaelektrodenseite und einer mit der Reaktionsraum verbundenen Plasmaelektrodenseite veränderlichen Querschnitt haben. Insbesondere kann sich die Düse über einen Teilabschnitt verjüngen und/oder über einen Teilabschnitt erweitern. Die Düse kann beispielsweise eine Venturidüse oder eine Lavaldüse sein. Die Düsenform und der Durchmesser der Öffnung der Düse entscheiden über eine Dauer der Koronaentladung.
Die Plasmaelektrode kann beispielsweise Edelstahl, Messing, Kohlenstoff, und/oder Aluminium enthalten. Alternativ kann die Plasmaelektrode auch aus Edelstahl, Messing, Kohlenstoff, Aluminium oder einer Kombination von diesen bestehen. Insbesondere kann die Plasmaelektrode auch eine Graphitelektrode sein. Aluminium hat zum Beispiel eine gute Leitfähigkeit bei relativ geringen Kosten. Die Plasmaelektrode kann beispielsweise auch verschiedene Abschnitte, beispielsweise einen Abschnitt aus Edelstahl und einen Abschnitt aus Messing, Kohlenstoff, oder Aluminium aufweisen. Die Plasmaelektrode kann von einem temperaturbeständigen Material gebildet sein, dass zum Beispiel bis zu 800°C temperaturbeständig ist. Die Plasmaelektrode kann einen Katalysator aufweisen, zum Beispiel Eisen, Kobalt und/oder Nickel.
Zusätzlich oder alternativ kann die Plasmaelektrode eine Beschichtung, beispielsweise eine katalytische Beschichtung, wie zum Beispiel eine Nickelbeschichtung, eine Eisenbeschichtung, eine Kobaltbeschichtung oder eine Platinbeschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann einen katalytischen Effekt ermöglichen. Die Beschichtung kann alternativ auch beispielsweise einen keramischer Werkstoff enthalten, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Nickeloxid, und/oder Titandioxid. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Schichtdicke von 200 µm bis 1000 µm haben.
Die Plasmaelektrode kann beispielsweise einen Außendurchmesser zwischen 4 mm und 200 mm, zum Beispiel von 8 oder 16 mm haben. Die Öffnung der Plasmaelektrode kann einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 10 mm haben, zum Beispiel von 5 mm haben. Für den Fall, dass die Plasmaelektrode mehrere Öffnungen hat, können diese zum Beispiel zusammen einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 1 mm haben. Der Durchmesser der Öffnung der Plasmaelektrode kann entlang ihrer Längsachse zwischen dem mit der Gaszuleitung verbundenen Ende zum mit dem Reaktionsraum verbundenen Ende unterschiedlich sein. Die Plasmaelektrode kann beispielsweise eine Länge zwischen 50 mm und 500 mm, z.B. 150 mm haben.
Die Öffnung der Plasmaelektrode kann ein Gewinde aufweisen. Beispielsweise kann ein Aluminiumdrehteil in der Öffnung vorgesehen sein. In der Öffnung der Plasmaelektrode kann eine Düse angeordnet sein. Die Düse kann beispielsweise in die Öffnung eingeschraubt sein und eine verkleinerte Öffnung der Plasmaelektrode bilden. Hierfür kann die Düse beispielsweise ein Außengewinde aufweisen. Die Düse kann aus einem oder mehreren Materialien bestehen, beispielsweise Messing und Edelstahl. Die Düse kann eine FDM-Düse sein, wie sie beispielsweise für Schmelzschichtung (engl. fused deposition modeling) verwendet wird. Das Material oder die Materialien der Düse sind vorteilhaft temperaturbeständig sein, beispielsweise bis zu einer Temperatur von 800°C. Das Material der Düse kann einen Katalysator enthalten. Die Düse kann auch eine Beschichtung, beispielsweise eine katalytische Beschichtung aufweisen.
Die Plasmaelektrode kann elektrisch leitend über einen Rohrstopfen verbunden sein.
Die Plasmaelektrode kann ausgebildet sein, beispielsweise mit einer Leistung im Bereich zwischen 30 W und 50kW beaufschlagt zu werden.
Die Plasmalysevorrichtung kann ausgebildet sein, stoßförmige Gaspulse aus der Öffnung der Plasmaelektrode abzugeben, um sich im Reaktionsraum bildendes festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu entfernen. Dies kann ein Zusetzen der Plasmaelektrode, der Öffnung der Plasmaelektrode und/oder des Reaktionsraums mit sich in der Koronaentladung bildendem festen Beiprodukt verhindern. Die Gaspulse können mit dem Plasmagas oder einem anderen Gas, beispielsweise einem Inertgas ausgeführt werden. Hierfür kann über die Gaszuleitung das Plasmagas oder das Inertgas zugeführt werden. Die Plasmalysevorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass während der stoßförmigen Gaspulse keine Koronaentladung stattfindet. Hierfür kann beispielsweise, zusätzlich zum Gaspuls die Versorgung der Plasmaelektrode mit der hochfrequenten Spannung während des Abgeben eines stoßförmigen Gaspulses kurzzeitig unterbrochen werden, so dass keine Koronaentladung erzeugt wird. Alternativ, kann die Plasmalysevorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Koronaentladung während der stoßförmigen Gaspulse aufrechterhalten wird. Dies ermöglicht ein kontinuierliches Spalten des wasserstoffenthaltenden Feststoffs oder wasserstoffenthaltenden Flüssigkeit oder kontinuierliches Herstellen des molekularen Wasserstoffs.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen oder mit einer Steuereinheit verbunden sein. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein das Abgeben der stoßförmigen Gaspulse zu steuern. Die Plasmalysevorrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein zeitlich gesteuert, beispielsweise in regelmäßigen Zeitintervallen, stoßförmige Gaspulse aus der Öffnung der Plasmaelektrode abzugeben. Alternativ kann die Plasmalysevorrichtung ausgebildet sein in Abhängigkeit eines Ereignisses stoßförmige Gaspulse aus der Öffnung der Plasmaelektrode abzugeben. Das Ereignis kann beispielsweise von einem Leistungseintrag in die Plasmalysevorrichtung abhängen. Insbesondere kann das Ereignis sein, dass ein Schwellenwert des Leistungseintrags in die Plasmalysevorrichtung unterschritten wird. Die Steuereinheit kann in diesem Fall den Leistungseintrag erfassen und die Plasmalysevorrichtung so steuern, dass ein stoßförmiger Gaspuls aus der Öffnung der Plasmaelektrode abgegeben wird, sobald der Schwellenwert des Leistungseintrags unterschritten wird. Dies kann einen effizienteren Betrieb der Plasmalysevorrichtung ermöglichen. Ferner kann dies ein Zusetzen der Plasmaelektrode und/oder des Reaktionsraums mit festem Beiprodukt verhindern.
Alternativ oder zusätzlich können stoßförmige Gaspulse auch aus weiteren Öffnungen und/oder Düsen abgegeben werden, um festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu entfernen. Dies ermöglicht es festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu entfernen und so den Reaktionsraum zu reinigen.
Die Plasmalysevorrichtung kann einen Isolator aufweisen, der die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch isoliert. Der Isolator kann beispielsweise um die Plasmaelektrode herum an einem Übergang vom Reaktionsraum zu einer äußeren Umgebung des Reaktionsraums angeordnet sein. Der Isolator kann beispielsweise ein Keramikisolator sein. Der Isolator kann zum Beispiel von einer oder mehreren Keramiken, beispielsweise, von einer Hochtemperaturkeramik wie zum Beispiel einer technischen Keramik, gebildet sein. Die Hochtemperaturkeramik kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthalten. Dies ermöglicht es die Plasmaelektrode von der Wand des Reaktionsraums elektrisch zu isolieren.
Bevorzugt kann die Plasmaelektrode in diesem Fall eine Graphitelektrode sein. Die Plasmaelektrode, in Form der Graphitelektrode, benötigt keine Kühlung. Während des Betriebs der Plasmalysevorrichtung kann die Graphitelektrode Kohlenstoffatome abgeben, beispielsweise, 1 bis 2 g an Kohlenstoff pro kWh. Die Graphitelektrode kann derart in der Plasmalysevorrichtung angeordnet sein, dass sie in den Reaktionsraum nachgeschoben werden kann, wenn sie einen Teil der Kohlenstoffatome abgegeben hat. Die Graphitelektrode kann beispielsweise kontinuierlich nachgeschoben werden oder diskontinuierlich, zum Beispiel, wenn eine bestimmte Menge an Kohlenstoffatomen abgegeben wurde. Ein kontinuierliches Nachschieben der Graphitelektrode kann einen kontinuierlichen Herstellungsprozess von molekularem Wasserstoff und dem wenigstens einen Beiprodukt ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann die Wand des Reaktionsraums Graphit aufweisen oder von Graphit gebildet sein.
Die Plasmaelektrode kann massiv ausgebildet sein.
Bevorzugt weist die Plasmalysevorrichtung zusätzlich eine Trägergaszuleitung auf, über die mindestens ein Trägergas in den Reaktionsraum geleitet werden kann. Die Nutzung eines Trägergases im Reaktionsraum kann insbesondere der Vermeidung von explosiven Atmosphären im Reaktionsraum dienen, insbesondere bei der Nutzung von Wasserstoff als Plasmagas. Als Trägergase kommen beispielsweise Stickstoff, Edelgase, insbesondere Argon oder Helium, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in Frage. Die Kombination von Plasmagas/en und Trägergasen kann für verschiedene Ausgangsstoffe variieren.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere weitere Gaszuleitungen in den Reaktionsraum aufweisen. Über diese weiteren Gaszuleitungen kann beispielsweise ein weiteres Trägergas oder auch molekularer Wasserstoff in den Reaktionsraum zugeführt werden. Es können auch mehrere verschiedene Trägergase, zum Beispiel Stickstoff oder Edelgase zugeführt werden. Die zugeführten Gase können zur Synthetisierung eines synthetischen Gases bzw. Syngases verwendet werden. Die zugeführten Gase können auch zusätzlich oder alternativ zur Reinigung des Reaktionsraums verwendet werden, beispielsweise, wenn sich festes Beiprodukt im Reaktionsraum, insbesondere an dessen Wand, abgesetzt hat.
Die weiteren Gaszuleitungen können im Reaktionsraum derart angeordnet sein, dass sie eine Verwirbelung des Gasstroms erzeugen, der dadurch aus der Gasableitung aus dem Reaktionsraum besser abgeführt werden kann. Es können auch zusätzliche Verwirbelungseinrichtungen wie Düsen oder ähnliches vorhanden sein.
Eine oder mehrere der weiteren Gaszuleitungen können, zum Beispiel, an einer Stelle in oder in Strömungsrichtung des Gasstroms hinter der Erweiterung angeordnet sein. Dies ermöglicht es die Düsenströmung zu verwenden, um die weiteren Gase mit dem Gasstrom zu vermischen und aus dem Reaktionsraum abzuführen.
Die Wand des Reaktionsraums kann beispielsweise eine Keramik enthalten oder von einer Keramik gebildet sein. Als Keramik kann beispielsweise Macor verwendet werden, zum Beispiel mit einer chemischen Zusammensetzung von 46 % SiO₂ 17 % MgO, 16 % Al₂O₃, 10 % K₂O, 7 % B₂O₃, 4 % F, bei der Glimmer in eine Borosilikatglas-Matrix eingebaut ist. Die Wand kann zum Beispiel auch aus Quarzglas sein oder Quarzglas enthalten.
Die Wand des Reaktionsraums kann auch eine metallische Außenseite und eine nicht-metallische, elektrisch-isolierende Innenseite aufweisen. Die nicht-metallische, elektrisch-isolierende Innenseite kann zum Beispiel von Teflon gebildet sein.
Die Wand kann beispielsweise eine Wanddicke von mindestens 4 mm haben.
Ein Querschnitt des Reaktionsraums kann sich in Richtung vom Reservoir zur Gasableitung vergrößern. Dies kann ein Anhaften von festem Beiprodukt an der Innenseite der Wand reduzieren. Ferner kann dies Verwirbelungen im Reaktionsraum reduzieren und ein besseres Abführen von molekularem Wasserstoff und Beiprodukt ermöglichen. Der Reaktionsraum kann beispielsweise trichterförmig sein. Die Öffnung der Plasmaelektrode kann beispielsweise auf einer mittleren Höhe des Reaktionsraums angeordnet sein.
Der Reaktionsraum kann zwischen dem Reservoir und der Gasableitung eine Verjüngung aufweisen. Zusätzlich kann der Reaktionsraum zwischen dem Reservoir und der Gasableitung eine Erweiterung aufweisen. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit um festes Beiprodukt, beispielsweise in Form kleiner Partikel, aus dem Reaktionsraum über die Gasableitung abzuführen. Oder anders ausgedrückt, kann hierdurch eine Düsenströmung erzeugt werden. Ferner kann ein Eintrag von festem Beiprodukt in einen Raum, der sich in Strömungsrichtung des Plasmagasstroms vor der Verjüngung befindet, weitgehend vermieden werden. Dies kann es ermöglichen den Reaktionsraum, insbesondere um die Plasmaelektrode, frei von festem Beiprodukt zu halten und so den Reinigungsaufwand zu reduzieren. Die Strömungsgeschwindigkeit kann im Reaktionsraum beispielsweise zwischen 5 und 20 m/s, bevorzugt zwischen 12 und 14 m/s betragen.
Eine Verjüngung entspricht einer Stelle des Reaktionsraums mit verringertem Querschnitt gegenüber einer in Strömungsrichtung des Gasstroms vorhergehenden axial benachbarten Stelle. In anderen Worten, bei einer Verjüngung ist ein Querschnitt des Reaktionsraums entlang der Längsachse an der Position der Verjüngung geringer als vor der Verjüngung. Eine Erweiterung entspricht einer Stelle des Reaktionsraums mit vergrößertem Querschnitt gegenüber einer in Strömungsrichtung des Gasstroms vorhergehenden axial benachbarten Stelle. In anderen Worten, bei einer Erweiterung ist ein Querschnitt des Reaktionsraums entlang der Längsachse an der Position der Erweiterung größer als vor der Erweiterung. Die Verjüngung und die Erweiterung können hintereinander angeordnet sein und die Form einer Lavaldüse haben.
Die Verjüngung und die Erweiterung können relativ zur Plasmaelektrode derart angeordnet sein, dass das von der Koronaentladung erzeugte Plasma an einer Stelle mit einem engsten Querschnitt des Reaktionsraums oder in dessen unmittelbarer Nähe endet. Ferner kann somit eine heißeste Stelle des Plasmas an dieser Stelle angeordnet werden.
Die Plasmalysevorrichtung umfasst bevorzugt eine Rückführeinrichtung zur Rückführung von erzeugtem molekularem Wasserstoff. Bevorzugt ist die Rückführeinrichtung mit der Gaszuleitung verbunden. Somit kann zumindest ein Teil des erzeugten molekularen Wasserstoff direkt wieder genutzt werden, um das Plasma zu erzeugen/aufrecht zu erhalten. Wird ein Trägergas eingesetzt kann auch dieses über die Rückführeinrichtung rückgeführt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Gasableitung eine Gasseparierungseinrichtung, beispielsweise in Form mindestens einer Membran, aufweist und die Rückführeinrichtung fluidisch nach dieser angeordnet ist.
Die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff kann beispielsweise quer zur Strömungsrichtung des Plasmagases angeordnet sein. Die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff kann auch ausgebildet sein, gasförmige Beiprodukte aus dem Reaktionsraum abzuführen. Die Gasableitung kann ferner dazu ausgebildet sein festes Beiprodukt, beispielsweise in Form von Partikeln, das mit dem Gasstrom mitgeführt wird aus dem Reaktionsraum abzuführen.
Bevorzugt ist die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff oberhalb der Plasmaelektrode angeordnet.. Die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff kann also weiter vom Massenschwerpunkt der Erde entfernt angeordnet sein, als die Plasmaelektrode und somit auch weiter vom Massenschwerpunkt der Erde entfernt sein als der Ort der Koronaentladung. Dies ermöglicht eine einfachere Trennung von gasförmigen und festen Bestandteilen, die bei der Koronaentladung erzeugt werden.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere Membranen und/oder einen oder mehrere Adsorber aufweisen, um gasförmiges Beiprodukt aus einem Gasstrom der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff herauszufiltern. Diese können beispielsweise innerhalb der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff oder an einem Ende der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff angeordnet sein. Es können zum Beispiel Polymermembranen zur Trennung von molekularem Wasserstoff und gasförmigen Beiprodukt, eingesetzt werden. Als Adsorber können beispielsweise keramische Werkstoffe mit großer Oberfläche und hoher Adsorptionskapazität für ein entsprechendes gasförmiges Beiprodukt verwendet werden, insbesondere sogenannte Molekularsiebe. Neben Zeolithen, also kristallinen Alumosilikaten können dies auch Kohlenstoffmolekularsiebe sein. Es können zum Beispiel Kieselgel (Silica-Gel) oder aktiviertes Aluminiumoxid als Adsorber eingesetzt werden. Als Adsorber kann auch beispielsweise Zeolite Socony Mobil-5 (ZSM-5), ein synthetischer high-silica Alumosilicat-Zeolith eingesetzt werden. Dies ermöglicht es gasförmiges Beiprodukt vom molekularen Wasserstoff abzutrennen. Des Weiteren kann das gasförmige Beiprodukt wieder über die Zuleitung in den Reaktionsraum zugeführt werden. Dies kann die Ausbeute an molekularen Wasserstoff erhöhen.
Ferner kann die Membran oder der selektive Adsorber auch selektiv in die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff eingeführt werden, um eine Zusammensetzung des die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff durchströmenden Gasstroms einzustellen. Beispielsweise kann entsprechend den Anforderungen an einen Methan-Wasserstoff-Treibstoff gezielt im Gasstrom verbleibendes Methan in einem vorbestimmten Verhältnis mit dem molekularen Wasserstoff gemischt werden. Dies kann es ermöglichen einen synthetischen Treibstoff, insbesondere ein synthetisches Gas bereitzustellen.
Bevorzugt umfasst die Plasmalysevorrichtung zusätzlich eine Zuführeinrichtung zur Zuführung des mindestens einen Ausgangsstoffs ins Reservoir. Hierüber kann entweder kontinuierlich oder batch-weise Ausgangsstoff ins Reservoir geleitet werden. Die Zuführeinrichtung umfasst bevorzugt ein Transportband oder eine Leitung. Auch das Vorsehen einer Klappe, durch die der Ausgangsstoff eingebracht werden kann ist möglich. Diese Ausführungsformen sind besonders bei einer kontinuierlichen Verfahrungsführung vorteilhaft, da hierüber der Ausgangsstoff kontinuierlich zugeführt werden kann, beispielsweise auch in einer an Verweilzeiten im Reaktionsraum angepasste Geschwindigkeit. Ein kontinuierlicher Betrieb hat den Vorteil, dass ein einmal gezündetes Plasma aufrechterhalten werden kann und nicht neu gezündet werden muss, wie beim batch-weisen Vorgehen. Dies ist auch energieeffizienter.
Bevorzugt umfasst das Reservoir eine Umwälzvorrichtung. Mit Hilfe der Umwälzvorrichtung kann der Ausgangsstoff im Reservoir umgewälzt werden, um diesen gleichmäßiger dem Plasma auszusetzen. Dies fördert einen gleichmäßigen Verbrauch des Ausgangsstoffs und eine effektive Erzeugung von Wasserstoff und Beiprodukten. Bevorzugt ist die Umwälzvorrichtung derart ausgebildet, dass eine Umwälzung des im Reservoir vorhandenen Ausgangsstoffs (Feststoffs oder der Flüssigkeit) in festgelegten Zeitintervallen erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass der Ausgangsstoff innerhalb einer definierten Verweilzeit dem Plasma ausgesetzt sind. Die Verweilzeit kann je nach Ausgangsstoff und dessen Eigenschaften angepasst werden, beispielsweise um zuvor festgelegte Anteile des Ausgangsstoffs oder bestimmte enthaltende Feststoff- oder der Flüssigkeitsanteile je Verweilzeit behandeln zu können. Alternativ ist es auch eine kontinuierliche, vergleichsweise langsamen Umwälzung des Ausgangsstoffs im Prozess möglich. Dies hat den Vorteil, Eintragungsspitzen ins Material zu vermeiden und damit eine gleichmäßigere Behandlung des Materials zu ermöglichen.
Die Plasmalysevorrichtung kann zusätzlich mindestens eine Ableitung für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum aufweisen.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine Ableitung für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum aufweisen. Feste Beiprodukte können beispielsweise in Pulverform vorliegen. Das Abführen der festen Beiprodukte aus dem Reaktionsraum kann die Prozesseffizienz verbessern, da diese den Spaltungsprozess nicht mehr stören können. Feste Beiprodukte können beispielsweise für den Fall, dass der Ausgangsstoff Kohlenwasserstoffverbindungen enthält, pulverförmiger Kohlenstoff und für den Fall, dass Schwefelwasserstoffe enthalten sind, pulverförmiger Schwefel sein. In der Ableitung kann ein Zyklonabscheider oder ein Staubfilter angeordnet sein.
Insbesondere feste Beiprodukte mit geringen Partikelgrößen, wie beispielsweise elementarer Kohlenstoff, können auch zunächst über die Gasableitung abgeführt werden und anschließend abgetrennt werden.
Neben derartigen pulverförmigen festen Beiprodukten können auch feste oder fest-flüssige Schlacken oder Reste entstehen, für die neben der Ableitung auch eine zusätzliche Restableitung vorgesehen sein kann. Die Schlacken oder Reste können aber als Beiprodukte auch über die eine gemeinsame Ableitung mit weiteren Beiprodukten geführt werden und dann erst in einer weiteren Vorrichtung aufgetrennt werden.
Der Reaktionsraum kann eine Hauptkammer und eine Nebenkammer aufweisen. Die Plasmaelektrode kann relativ zur Hauptkammer derart angeordnet sein, dass die Koronaentladung in der Hauptkammer zündet. Die Nebenkammer kann unterhalb der Hauptkammer angeordnet sein, so dass festes Beiprodukt in die Nebenkammer strömen kann. Hierbei kann das feste Beiprodukt beispielsweise durch Siebe oder ähnliche Einrichtungen in die Nebenkammer herabfallen.
Die Nebenkammer kann im Betrieb der Plasmalysevorrichtung weiter entfernt oder dichter am Massenschwerpunkt der Erde als die Plasmaelektrode sein. Somit kann die Nebenkammer weiter entfernt oder dichter am Massenschwerpunkt der Erde als der Ort der Koronaentladung angeordnet sein. Festes Beiprodukt, das bei der Koronaentladung entsteht, kann durch die Erdanziehung unterstützt nach unten in die Nebenkammer fallen, wenn die Nebenkammer im Betrieb der Plasmalysevorrichtung dichter am Massenschwerpunkt der Erde als die Plasmaelektrode ist. Wenn die Nebenkammer im Betrieb der Plasmalysevorrichtung weiter entfernt vom Massenschwerpunkt der Erde als die Plasmaelektrode ist, ist bevorzugt die Gasableitung oberhalb des Reservoirs und der Plasmaelektrode angeordnet, so dass festes Beiprodukt, das in der Koronaentladung entsteht mit einem Gasstrom des entstehenden Wasserstoffs in die Gasableitung aus dem Reaktionsraum abgeführt wird. Dies ermöglicht es festes Beiprodukt einfach aus der Hauptkammer zu entfernen, so dass dieses die Koronaentladung nicht stören kann.
Die Nebenkammer kann mit der Ableitung für das wenigstens eine feste Beiprodukt verbunden sein, um das feste Beiprodukt aus dem Reaktionsraum abzuführen. Dies ermöglicht es das feste Beiprodukt von der Nebenkammer aufzunehmen und aus dieser mittels der Ableitung abzuführen. Falls das feste Beiprodukt zum Beispiel Kohlenstoff ist, kann die Nebenkammer als Kohlenstoffbunker dienen.
Insbesondere die Nebenkammer, die Gasableitung, und/oder die Ableitung können mindestens eine Abführeinrichtung zum Abführen von Beiprodukt und/oder Resten aufweisen. Die Abführeinrichtung kann beispielsweise eine Klappe, einen Exzenter, eine Schnecke, eine Zellradschleuse oder eine andere Abführeinrichtung aufweisen. Die Abführeinrichtung kann ausgebildet sein, festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum derart abzuführen, dass kein Gas über diese in den Reaktionsraum eindringen kann. In der Abführeinrichtung kann ein Überdruck erzeugt werden, der ein Eindringen von Gas in die Abführeinrichtung verhindert. Hierfür kann eine Pumpe vorgesehen sein. Dies kann es ermöglichen das feste Beiprodukt aus der Plasmalysevorrichtung abzuführen ohne Gas von außen in den Reaktionsraum eindringen zu lassen.
In einer Ausführungsform, in dem die Abführeinrichtung eine Klappe ist, kann diese an einer Gabelung der Gasableitung angeordnet und ausgebildet den Gasstrom aus dem Reaktionsraum entweder in die eine der sich an die Gabelung anschließenden Leitungen oder in die andere abzuführen. Hierfür verschließt die Klappe eine der Leitungen. Die Klappe kann beispielsweise an einem steuerbaren Gelenk angeordnet sein. so dass die Klappe abhängig davon, ob ein stoßförmiger Gaspuls aus der Öffnung der Plasmaelektrode abgegeben wird, die eine oder die andere Leitung verschließt. Dies kann es ermöglichen festes Beiprodukt, dass aus dem Reaktionsraum durch einen stoßförmigen Gaspuls abgeführt wird von dem in der Koronaentladung entstehenden molekularen Wasserstoff zu trennen.
Die Abführeinrichtung kann aber auch seitlich am Reservoir oder in einem Boden des Reservoirs angeordnet sein. Es können auch mehrere Abführeinrichtungen beispielsweise für unterschiedliche Beiprodukte oder getrennte Abführeinrichtungen für Beiprodukte und Reste/Schlacken vorhanden sein.
Die Abführeinrichtung kann auch einen oder mehrere druckgesteuerte Partikelfilter aufweisen, die ausgebildet sind festes Beiprodukt aufzunehmen und bei einer abrupten Druckänderung abzugeben. Die abrupte Druckänderung kann beispielsweise durch einen stoßförmigen Gaspuls erzeugt werden. Dies kann es ermöglichen festes Beiprodukt besser vom molekularen Wasserstoff zu trennen.
Die Hauptkammer und die Nebenkammer können von unterschiedlichen Reaktionsraumteilen umschlossen sein. Der die Hauptkammer umschließende Reaktionsraumteil kann beispielsweise von entsprechen hitzebeständigem Glas gebildet sein. Der Reaktionsraumteil kann ein Gehäuseteil sein. Dies kann ein Beobachten der in dem Reaktionsraum stattfindenden Reaktion ermöglichen. Der die Hauptkammer umschließende Reaktionsraumteil kann beispielsweise eine Wanddicke von mindestens 4 mm haben.
Die Innenseite der Wand der Nebenkammer kann ein höheres elektrostatisches Potential als die Innenseite der Wand der Hauptkammer aufweisen. Dies ermöglicht es, feste Beiprodukte aus der Hauptkammer in eine Richtung der Nebenkammer anzuziehen.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine Gasführungseinrichtung zur Zuführung von Trägergas oder Plasmagas zur Gaszuleitung oder zur Trägergaszuleitung oder zu einer der weiteren Gaszuleitungen umfassen, die thermisch an die Wand des Reaktionsraums gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine Vorwärmung des Träger- oder Plasmagases und zugleich die Nutzung der Abwärme des Plasmaprozesses und die Kühlung der Anlage nach außen. Insbesondere ist die Gasführungseinrichtung dabei bevorzugt als Mantel um die Wand ausgebildet. Damit wird eine möglichst große Oberfläche zur thermischen Kopplung genutzt.
Die Plasmalysevorrichtung kann weitere eine Vorbehandlungsstufe umfassen für Ausgangsstoffe umfassend mindestens einen Feststoff, wobei die Vorbehandlungsstufe ein Vorstufen-Reservoir für Ausgangsstoffe umfasst, das thermisch mit einer Vorheizung gekoppelt ist, wobei die Vorheizung insbesondere eine Heizgasleitung umfasst. Die Vorheizung ist dabei so ausgebildet und ans Vorstufen-Reservoir gekoppelt, dass der mindestens eine Feststoff verflüssigt werden kann.
Die Heizgasleitung ist vorteilhaft mit der Gasableitung verbunden und ausgebildet, abgeleitetes Trägergas oder molekularen Wasserstoff zum Vorstufen-Reservoir zu leiten und so eine Wärmenutzung des Trägergases oder molekularen Wasserstoffs zur Verflüssigung von Feststoffen in der Vorbehandlungsstufe zu ermöglichen. In Ausführungsformen kann die Vorheizung zusätzlich eine aktive Heizeinrichtung umfassen.
Vorteilhaft ist die Vorbehandlungsstufe weiter mit der Zuführeinrichtung verbunden. Damit kann der verflüssigte Ausgangsstoff aus der Vorbehandlungsstufe direkt ins Reservoir zugeführt werden.
Ein Abstand der Wand des Reaktionsraums zur Plasmaelektrode kann beispielsweise mindestens 40 mm, bevorzugt mehr als 80 mm betragen. Je größer die Leistung der Plasmavorrichtung ist, desto größer ist ein bevorzugter Abstand von Wand und Plasmaelektrode. Beispielsweise sind bei 40 kW Leistung mindestens 400 mm sinnvoll. Der Abstand der Wand des Reaktionsraums zur Plasmaelektrode ist hier die geringste Entfernung zwischen einer Innenseite der Wand des Reaktionsraums zu einem Außendurchmesser der Plasmaelektrode. Alternativ oder zusätzlich, kann der Abstand der Wand des Reaktionsraums zur Spitze der Plasmaelektrode mindestens 40 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich, kann ein Abstand der Gasableitung zur Plasmaelektrode mindestens 60 mm betragen. Dies ermöglicht es eine elektrische Isolierung bereitzustellen, so dass Überschläge zwischen der Plasmaelektrode und anderen Potentialen, wie zum Beispiel der Wand des Reaktionsraums oder dem Gehäuse verhindert werden können. Ferner kann dies ermöglichen eine Ansammlung von festem Beiprodukt im Reaktionsraum zu verringern, da ausreichend Platz vorhanden ist, um festes Beiprodukt zu sammeln und abzuführen.
Der Reaktionsraum kann ein Reinigungselement zum Entfernen von festem Beiprodukt aufweisen. Das Reinigungselement ermöglicht es, festes Beiprodukt, das sich während eines Betriebs der Plasmalysevorrichtung im Reaktionsraum anlagern kann, zu entfernen. Dies ermöglicht es, einen störenden Einfluss des festen Beiprodukts auf die Koronaentladung zu verhindern oder zumindest zu verringern. Im Betrieb der Plasmalysevorrichtung können beispielsweise aus dem festen Beiprodukt, insbesondere aus Kohlenstoff baumartige Strukturen oder lange Stifte, beispielsweise Graphitstifte, wachsen und sich festes Beiprodukt an der Innenseite der Wand des Reaktionsraums anlagern. Die baumartigen Strukturen oder langen Stifte können beispielsweise an einer Spitze der Plasmaelektrode wachsen. Durch das Reinigungselement können auch solche störenden festen Beiprodukte mechanisch entfernt werden, die durch eine höhere Durchflussrate durch die Gaszuleitung nicht entfernt werden können.
Der Reaktionsraum kann auch mehrere Reinigungselemente aufweisen. Beispielsweise ein Reinigungselement zum Entfernen von festem Beiprodukt von der Innenseite der Wand des Reaktionsraums und ein Reinigungselement zum Entfernen von festem Beiprodukt von der Plasmaelektrode. Dies kann ein verbessertes Entfernen von festem Beiprodukt aus dem Reaktionsraum ermöglichen. Zudem kann ein Reinigungselement zum Entfernen von festem Beiprodukt von der Plasmaelektrode einen kontinuierlichen Herstellungsprozess von molekularem Wasserstoff ermöglichen, da zum Entfernen des Beiprodukts keine stoßförmigen Gaspulse erforderlich sind, die den Herstellungsprozess temporär unterbrechen könnten. Das Reinigungselement kann zum Beispiel durch die Koronaentladung bzw. das Plasma bewegt werden.
Das Reinigungselement kann an einer Innenseite der Wand des Reaktionsraums angeordnet sein, um das wenigstens eine feste Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu Entfernen. Beispielsweise kann das Reinigungselement entlang der Innenseite der Wand des Reaktionsraums bewegbar, zum Beispiel verfahrbar, sein. Dies kann es ermöglichen, feste Beiprodukte, die sich im Reaktionsraum durch die Koronaentladung bilden und an der Innenseite der Wand des Reaktionsraums anlagern, mechanisch zu entfernen. Das Reinigungselement kann eine Aussparung oder eine Öffnung in seiner Mitte aufweisen, die einen grö-ßeren Durchmesser hat als der Außendurchmesser der Plasmaelektrode. Dies kann es ermöglichen, dass das Reinigungselement über die gesamte Länge bzw. Höhe des Reaktionsraums verfahrbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das Reinigungselement auch ein Rotationselement aufweisen, um die Plasmaelektrode relativ zur Wand des Reaktionsraums um eine gemeinsame Längsachse zu drehen. Hierfür können Gleitdichtungsringe zwischen den Wänden des Reaktionsraums und der Plasmaelektrode vorgesehen sein. Durch das Reinigungselement können die Strukturen aus festem Beiprodukt, die sich von der Plasmaelektrode bis zur Innenseite der Wand des Reaktionsraums erstrecken können, durch Drehen aufgebrochen werden. Durch relatives Drehen der Plasmaelektrode zur Wand des Reaktionsraums während der Koronaentladung kann auch verhindert werden, das solche Strukturen überhaupt erst entstehen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Reinigungselement auch an der Plasmaelektrode angeordnet sein und relativ zur Plasmaelektrode um deren Längsachse herum verfahrbar sein. Dies kann ein Entfernen von festem Beiprodukt von der Plasmaelektrode ermöglichen. Das Reinigungselement kann selber verfahrbar sein und/oder die Plasmaelektrode kann um ihre Längsachse herum drehbar sein, so dass das Reinigungselement relativ zur Plasmaelektrode verfahrbar ist. Das Reinigungselement kann auch an seiner Position fixiert sein, wenn die Plasmaelektrode um ihre Längsachse herum drehbar ist. Das Reinigungselement kann einen Schaber oder eine Kante zum mechanischen Entfernen von festem Beiprodukt aufweisen. Dies kann ein einfacheres mechanisches Entfernen von festem Beiprodukt ermöglichen.
Das Reinigungselement kann auch eine oder mehrere Düsen zum Ausblasen des Reaktionsraums aufweisen. Der Reaktionsraum kann beispielsweise mit einem stoßförmigen Gaspuls ausgeblasen werden. Hierfür kann die Düse oder können die Düsen mit Trägergas oder einem anderen Gas, beispielsweise Inertgas versorgt werden. Die Düsen können beispielsweise in der Wand des Reaktionsraums, insbesondere an dessen Innenseite angeordnet sein. Dies kann ein Entfernen von Beiprodukt, insbesondere von festem Beiprodukt, aus dem Reaktionsraum verbessern. Das Reinigungselement kann auch eine Ultraschallreinigungsvorrichtung enthalten, die ausgebildet ist das Gas in der Nähe von im Reaktionsraum angelagerten festem Beiprodukt in Schwingung zu versetzen, um dieses aus dem Reaktionsraum zu entfernen.
Die Steuereinheit der Plasmalysevorrichtung oder die mit der Plasmalysevorrichtung verbundene Steuereinheit kann ausgebildet sein, Parameter der Plasmalysevorrichtung, wie zum Beispiel eine Durchflussrate des Plasmagases, eine Temperatur des Plasmagases, eine Temperatur im Reaktionsraum, eine Temperatur der Plasmaelektrode, einen Druck im Reaktionsraum, eine Spannungshöhe der Wechselspannung, eine Frequenz der Wechselspannung, eine Stromstärke, eine Gasabkühlungsgeschwindigkeit des Plasmagases, eine Gasabkühlungsgeschwindigkeit des durch die Koronaentladung erzeugten Gasgemischs, eine Frequenz der Koronaentladungen, eine Verweilzeit von Ausgangsstoff im Reservoir, eine Umwälzgeschwindigkeit oder eine Zuführgeschwindigkeit des Ausgangsstoffs, eine Rückführmenge von Trägergas und/oder molekularem Wasserstoff oder andere Parameter der Plasmalysevorrichtung, zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein die Parameter der Plasmalysevorrichtung in Abhängigkeit einer Zusammensetzung des Ausgangsstoffes zu steuern. Weiter kann die Steuereinheit ausgebildet sein, auch die Vorbehandlungsstufe zu steuern, insbesondere eine Heizleistung der Vorheizung.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere Analysevorrichtungen zur Analyse des Ausgangsstoffs, des molekularen Wasserstoffs, des wenigstens einen Beiprodukts und/oder der Schlacke oder des Rests enthalten. Die Analysevorrichtungen können vor, in oder hinter der Gaszuleitung, der Zuführeinrichtung, der Ableitung, der Abführeinrichtung und/oder der Gasableitung angeordnet sein. Dies ermöglicht es die Massenströme, die der Plasmalysevorrichtung zugeführt werden und die aus dem Reaktionsraum abgeführt werden zu analysieren. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein entsprechend der Zusammensetzung die Parameter der Plasmalysevorrichtung zu steuern. Beispielsweise können vor und hinter der Plasmalysevorrichtung Volumenmessgeräte, Gassensoren, Ramanspektrometer und/oder Massenspektrometer angeordnet sein.
Die Plasmalysevorrichtung kann ein Temperaturregulierungselement, beispielsweise ein Heizelement und/oder ein Kühlelement, für den Reaktionsraum aufweisen, um eine Temperatur im Reaktionsraum einzustellen. Die Änderung der Temperatur innerhalb des Reaktionsraums kann es ermöglichen, die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Der Reaktionsraum wird bevorzugt weder gekühlt noch erhitzt, so dass dieser grundsätzlich auf Umgebungstemperatur ist, bevor eine Koronaentladung stattfindet.
Die Plasmalysevorrichtung kann ausgebildet sein, im Reaktionsraum durch Erwärmung erzeugte Wärme für eine Pyrolyse zu verwenden. Dies ermöglicht ein zusätzliches Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit mittels einer Pyrolysereaktion oder auch die Pyrolyse von Schlacke oder Resten direkt in der Plasmalysevorrichtung. Alternativ oder zusätzlich, kann die Wärme auch abgeführt werden. Die Wärme kann beispielsweise über die Gasableitung mit dem molekularen Wasserstoff und/oder gasförmigen Beiprodukt aus dem Reaktionsraum abgeführt werden. Über Wärmetauscher kann die Wärme dann für einen weiteren Verwendungszweck, zum Beispiel zur Nutzung in der Vorheizung oder zum Erwärmen von Gebäuden verwendet werden. Die Wärme kann beispielsweise in einer Heizung verwendet werden. Die Wärme kann auch in einem Ofen, zum Beispiel einem Wärmeofen verwendet werden. Der Wärmeofen kann zum Beispiel für das Herstellen von Baustoffen, beispielsweise Ziegeln, insbesondere Dachziegeln, vorgesehen sein. Dies kann die Kohlenstoffdioxidbilanz von Baustoffen verbessern, da die Wärme Kohlenstoffdioxidfrei produziert wird.
Die Plasmalysevorrichtung kann zusätzlich oder alternativ ein Elektrodentemperaturregulierungselement, beispielsweise ein Elektrodenkühlelement, für die Plasmaelektrode aufweisen, um eine Temperatur der Plasmaelektrode einzustellen. Die Plasmaelektrode kann beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich zwischen 60°C und 400°C, beispielsweise zwischen 60°C und 70°C oder zwischen 350°C und 400°C, eingestellt werden.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine Pumpe aufweisen, um den Druck innerhalb des Reaktionsraums anzupassen. Die Änderung des Drucks innerhalb des Reaktionsraums kann es ermöglichen, die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Bevorzugt herrscht im Reaktionsraum Umgebungsdruck bevor das Plasmagas eingeführt wird.
Die Wand des Reaktionsraums kann von einem temperaturbeständigen Material für Temperaturen von beispielsweise mindestens 800°C gebildet sein, bevorzugt werden Wände aufweisend Graphit verwendet, bis 2500°C temperaturbeständig sind. Die Wand kann auch mehrere Materialien enthalten, die bevorzugt alle mindestens bis zu 800°C temperaturbeständig sind. Das Material kann oder die Materialien können zusätzlich formstabil sein. Die Wand des Reaktionsraums kann eine thermische Isolierung aufweisen. Dies kann es ermöglichen, eine temperaturbeständige und formstabile Wand für den Reaktionsraum bereitzustellen..
Die Wand des Reaktionsraums kann druckfest sein, beispielsweise bis zu 10 bar Überdruck. Bevorzugt ist die Wand des Reaktionsraums so ausgebildet, dass sie einem dauerhaften Überdruck von bis zu 10 bar standhält. Besonders bevorzugt ist die Wand des Reaktionsraums derart ausgebildet, dass sie auch stoßförmigen Gaspulsen mit höheren Drücken als 10 bar standhält.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine elektrische Isolierung zum Schutz vor elektrischen Überschlägen zwischen der Plasmaelektrode und einem anderen Potential, wie beispielsweise der Wand des Reaktionsraums oder dem Gehäuse, aufweisen. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise durch den Abstand der Plasmaelektrode zur Innenseite der Wand des Reaktionsraums sichergestellt werden.
Der Reaktionsraum kann einen Katalysator, zum Beispiel Nickel, Eisen, Ruthenium, Kobalt oder Platin enthalten.
Die Plasmalysevorrichtung kann einen Partikelfilter aufweisen, um Partikel zu filtern. Bevorzugt ist der Partikelfilter in der Gaszuleitung für das Plasmagas angeordnet, um Partikel vor dem Reaktionsraum aus dem Plasmagas zu filtern. Dies kann es ermöglichen, Verunreinigungen durch Partikel im Gasstrom zu verringern, die zu ungewollten Beiprodukten führen können, insbesondere wenn das Plasmagas zumindest teilweise rezyklierten Wasserstoff enthält. Die Plasmalysevorrichtung kann auch mehrere Partikelfilter aufweisen. Bevorzugt ist einer der Partikelfilter in der Gasableitung angeordnet, um Partikel aus dem Gasstrom zu filtern, der aus dem Reaktionsraum in die Gasableitung geführt ist.
Die Plasmalysevorrichtung kann ein Beiproduktreservoir aufweisen. Das Beiproduktreservoir kann mit der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff verbunden sein. Die eine oder mehreren Membranen können in dem Beiproduktreservoir angeordnet sein. Auch ein Adsorber kann im Beiproduktreservoir angeordnet sein. Der Adsorber kann beispielsweise in Form einer Schüttung oder eines offenporigen Schaumes in dem Beiproduktreservoir angeordnet sein. Der Adsorber zur Trennung von molekularem Wasserstoff und gasförmigen Beiprodukt ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass gasförmiges Beiprodukt an ihm bevorzugt über Adsorption gebunden wird. Es können aber auch Kombinationen von Membranen und Adsorber für unterschiedliche entstehende gasförmige Beiprodukte eingesetzt werden. Zum Beispiel trennen Polymermembranen gut CO₂ und CH₄ und N₂, aber auch beispielsweise Zeolithe wie ZSM-5, können eingesetzt werden.
Das Beiproduktreservoir kann eine Lösevorrichtung zum Lösen des adsorbierten gasförmigen Beiprodukts aufweisen. Diese kann beispielsweise in Form einer Heizung zum thermischen Lösen des gasförmigen Beiprodukts oder in Form einer Vakuumpumpe zur Beaufschlagung mit Unterdruck ausgebildet sein. Das Beiproduktreservoir kann aber auch eine verschließbare Öffnung aufweisen, über die der beladene Absorber nach der Adsorption gegen einen unbeladenen ausgetauscht werden kann.
Die Plasmalysevorrichtung kann in ortsfesten Strukturen oder mobilen Strukturen verwendet werden. Ortsfeste Strukturen umfassen beispielsweise ortsfeste Gebäude oder Anlagen, wie ortsfeste Biogasreaktoren oder ortsfeste Kläranlagen. Mobile Strukturen umfassen beispielsweise mobile Gebäude, Container, Bohrplattformen und Fahrzeuge, wie Flugzeuge, Lkws, Pkws, Eisenbahnen oder Schiffe, insbesondere Kreuzfahrtschiffe.
Ferner kann die Plasmalysevorrichtung oder können mehreren Plasmalysevorrichtungen beispielsweise zwischen einem Tank eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Schiffs, eines Flugzeugs, einer Lokomotive, eines Triebwagens, eines Lastkraftwagens, eines Personenkraftwagens oder dergleichen, und dessen Antrieb angeordnet sein, um fossilen Treibstoff, wie zum Beispiel Benzin, JP-8, Diesel oder Schweröl in molekularen Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff umzuwandeln. Dies ermöglicht, die Kohlenstoffdioxidemission des Verkehrsbereichs wesentlich zu reduzieren. Der molekulare Wasserstoff kann direkt als Treibstoff im Antrieb des Fahrzeugs für das Betreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Alternativ, kann der molekulare Wasserstoff auch zusammen mit weiterem gasförmigen Beiprodukt als synthetischer Treibstoff, zum Beispiel synthetisches Gas bzw. Synthesegas oder auch Syngas, als Treibstoff im Antrieb verwendet werden. Hierfür kann beispielsweise mittels der Plasmalysevorrichtung synthetischer Treibstoff hergestellt werden, der als Treibstoff verwendet werden kann. Ferner kann der Wasserstoff auch verwendet werden, um eine Brennstoffzelle zu betreiben. Diese kann dann verwendet werden, um einen Elektromotor zu betreiben. Dies ermöglicht es die Anpassung der Fahrzeuge auf einen Wasserstoffbetrieb oder Betrieb mit synthetischem Gas zu reduzieren. Ferner kann dies ermöglichen die bisherige Infrastruktur für fossile Treibstoffe weiterzunutzen und dennoch die Kohlenstoffdioxidemission von Fahrzeugen wesentlich zu reduzieren. Der bei der Plasmalyse entstehende elementare Kohlenstoff kann im Fahrzeug gesammelt werden. Im Ergebnis, kann somit ein nahezu kohlenstoffdioxidfreier Verkehr mit fossilen Treibstoffen erreicht werden, wenn die fossilen Treibstoffe in der Plasmalysevorrichtung in molekularen Wasserstoff umgewandelt werden, der zum Betreiben der Fahrzeuge verwendet wird.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere Strahlungsquellen, beispielsweise ultraviolette (UV) Strahlungsquellen aufweisen. Diese können ein verbessertes Steuern der Zündung der Koronaentladung ermöglichen. Hierfür kann die Strahlungsquelle so angeordnet sein, dass die Strahlungsquelle ihre Strahlung an den Ort der Koronaentladung einbringen kann. Auch ohne Strahlungsquelle kann hochenergetische UV Strahlung bei der Koronaentladung erzeugt werden, die beim Spalten weiterer Molekülbindungen beitragen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Plasmalysesystem zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt, enthaltend wenigstens zwei Plasmalysevorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die Plasmalysevorrichtungen parallel oder in Reihe zueinander angeordnet sind.
Die Plasmalysevorrichtungen können beispielsweise in Reihe zueinander angeordnet sein, indem wenigstens eine Ableitung einer vorherigen Plasmalysevorrichtung mit einer Zuführeinrichtung einer nachfolgenden Plasmalysevorrichtung verbunden ist. Dies kann es ermöglichen, mehrere Plasmalysevorrichtungen hintereinander anzuordnen, um eine möglichst vollständige Spaltung des mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoffs oder der mindestens einen wasserstoffenthaltenden Flüssigkeit des Ausgangsstoffs zu ermöglichen. Insbesondere können so die Reaktionsräume der Plasmalysevorrichtungen miteinander verbunden werden. Die Plasmalysevorrichtungen können beispielsweise auch ringförmig angeordnet sein, d.h., derart das die Plasmalysevorrichtungen einen Ring bilden, so dass jeweils eine Ableitung einer vorhergehenden Plasmalysevorrichtung mit der Zuführreinrichtung einer nachfolgenden Plasmalysevorrichtung verbunden ist.
Das Plasmalysesystem ermöglicht ein Skalieren des koronaentladungsinduzierten Spaltens von Ausgangsstoffen in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt. Eine beliebige Anzahl an Plasmalysevorrichtungen kann parallel zueinander betrieben werden, um so große Mengen an Wasserstoff aus Ausgangsstoffen wie Abfällen zu gewinnen.
Die Plasmalysevorrichtungen des Plasmalysesystems können über eine gemeinsame Steuereinheit gesteuert werden.
Die gemeinsame Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Parameter der Plasmalysevorrichtung zu steuern, insbesondere in Abhängigkeit einer Zusammensetzung des Ausgangsstoffes zu steuern. Das Plasmalysesystem kann eine oder mehrere Analysevorrichtung enthalten. Die Analysevorrichtungen können angeordnet und ausgebildet sein, die Zusammensetzungen der Massenströme an Gas, Flüssigkeit und Feststoffen, die dem Plasmalysesystem zugeführt werden oder aus diesem abgeführt werden, zu analysieren. Die Analysevorrichtungen können zusätzlich oder alternativ dazu angeordnet und ausgebildet sein die Zusammensetzungen der Massenströme, die einzelnen Plasmalysevorrichtungen des Plasmalysesystems zugeführt werden oder aus diesen abgeführt werden, zu analysieren.
Das Plasmalysesystem kann eine Temperaturregulierungseinheit aufweisen, um eine Temperatur des Plasmagases einzustellen. Die Temperaturregulierungseinheit kann beispielsweise einen Wärmetauscher und/oder ein Kühlaggregat aufweisen. Dies ermöglicht es vortemperiertes Plasmagas in den Reaktionsraum oder die Gaszuleitung zu führen. Die Temperaturregulierungseinheit kann außerhalb der Plasmalysevorrichtungen angeordnet sein oder Teil einer oder mehrerer der Plasmalysevorrichtungen sein. Die Temperaturregulierungseinheit kann beispielsweise in einer der Gaszuleitungen für das Plasmagas angeordnet sein.
Das Plasmalysesystem kann einen oder mehrere Hochfrequenzgeneratoren aufweisen. Diese können ausgebildet sein, eine hochfrequente Wechselspannung für eine Plasmaelektrode der jeweiligen Plasmalysevorrichtung bereitzustellen.
Das Plasmalysesystem kann weiter einen Speicher mit dem mindestens einen Ausgangsstoff umfassen. Der Speicher mit Ausgangsstoff kann beispielsweise mit einem Biogasreaktor, einem Klärwerk, einer Deponie oder einer Abfallaufbereitung verbunden sein oder Teil von diesen sein.
Zusätzlich oder alternativ kann das Plasmalysesystem eine Energieanlage zum Bereitstellen von Energie zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltender Flüssigkeit und/oder wasserstoffenthaltendem Feststoff in den molekularen Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt aufweisen. Die Energieanlage zum Bereitstellen von Energie zum koronaentladungsinduzierten Spalten kann mit dem Hochfrequenzgenerator oder mit den Hochfrequenzgeneratoren verbunden sein, um eine Hochfrequenz-Spannung für die Plasmaelektroden bereitzustellen. Die Energieanlage zum Bereitstellen von Energie kann eine Energieanlage zum Erzeugen von erneuerbarer Energie sein, wie zum Beispiel eine Windenergieanlage, ein Solarenergieanlage, ein Wasserkraftwerk oder ein Biogaskraftwerk.
Zusätzlich oder alternativ, kann das Plasmalysesystem einen Wasserstoffspeicher zum Speichern des molekularen Wasserstoffs aufweisen. Zusätzlich oder alternativ, kann das Plasmalysesystem einen mit molekularem Wasserstoff betreibbaren Antrieb, beispielsweise einen Wasserstoffverbrennungsmotor, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ, kann das Plasmalysesystem eine mit molekularem Wasserstoff betreibbare Energieanlage aufweisen.
Die mit molekularem Wasserstoff betreibbare Energieanlage kann mit dem Wasserstoffspeicher oder mit wenigstens einer der Plasmalysevorrichtungen verbunden sein. Die mit molekularem Wasserstoff betreibbare Energieanlage kann beispielsweise eine Brennstoffzelle oder ein Blockheizkraftwerk (BHKW) enthalten. Der molekulare Wasserstoff kann beispielsweise zur Wärmeerzeugung verwendet werden, beispielsweise indem der molekulare Wasserstoff in einem wasserstoffbetriebenen BHKW verwendet wird, um Wärme zu erzeugen.
Das Plasmalysesystem kann eine emissionsfreie Energieerzeugung ermöglichen. Es kann durch die Aufbereitung von Abfall als Ausgangsstoff sogar eine Kohlenstoffdioxidsenke erzeugt werden, um so Kohlenstoffdioxid in der Luft und insbesondere der Atmosphäre nachhaltig zu reduzieren.
Das Plasmalysesystem kann in einer ortsfesten Struktur oder einer mobilen Struktur, insbesondere in einem Fahrzeug verwendet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zum Spalten von wasserstoffenthaltender Flüssigkeit oder wasserstoffenthaltendem Feststoff in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt unter Nutzung von in einem Betrieb einer ortsfesten Struktur oder einer mobilen Struktur bereitgestellten Ausgangsstoff.
Anstatt einer Plasmalysevorrichtung können auch mehrere Plasmalysevorrichtungen oder ein Plasmalysesystem gemäß dem zweiten Aspekt unter Nutzung von in einem Betrieb einer ortsfesten Struktur oder einer mobilen Struktur bereitgestellten Ausgangsstoff verwendet werden.
Der Ausgangsstoff kann beispielsweise von einem ortsfesten Klärwerk, einer ortsfesten Abfalldeponie oder ähnlichem bereitgestellt werden. Der Ausgangsstoff kann auch beispielsweise von einer mobilen Struktur, wie einem Fahrzeug bereitgestellt werden. In anderen Worten kann die Plasmalysevorrichtung auch in einem Fahrzeug verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug, beispielsweise ein Kreuzfahrtschiff ein Klärwerk zum Bereitstellen von Klärschlamm oder Abwasser aufweisen oder der im Fahrzeug, wie dem Kreuzfahrtschiff anfallende Müll kann als Ausgangsstoff verwendet werden. Auch kann der Ausgangsstoff im Fall von Abfällen aus Rotorblättern direkt beim Anlagenrückbau in eine Plasmalysevorrichtung vor Ort gegeben werden, um Transportwege zu sparen oder gesammelt in ortsfesten Einrichtungen aufbereitet werden.
Das entstehende Beiprodukt kann beispielsweise Kohlenstoff enthalten. Kohlenwasserstoffe sind häufige Bestandteile von Abfall aller Art. Es können diverse Kohlenstoffstrukturen im Beiprodukt enthalten sein, die im Baugewerbe, der Elektronikindustrie und im Leichtbau Verwendung finden können. Ferner können die Kohlenstoffstrukturen auch in Farben und Lacken verwendet werden sowie für die Reifenherstellung.
Der molekulare Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt können Zwischenprodukte sein, die in weiteren Arbeitsschritten oder Herstellungsschritten zu einem Folgeprodukt weiterverarbeitet werden. Das Folgeprodukt kann ein weiteres Zwischenprodukt sein oder ein Endprodukt.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung daher die Verwendung des von der Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt hergestellten molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts zum Herstellen von Folgeprodukten.
Welche Folgeprodukte auf Basis des von der Plasmalysevorrichtung hergestellten molekularen Wasserstoff und/oder des wenigstens einem Beiprodukt hergestellt werden können, hängt unter anderem davon ab, welche Beiprodukte hergestellt werden und welche Wasserstoffausbeute erzielt wird. Dies hängt wiederum davon ab, welche Elemente in welcher Konzentration im Ausgangsstoff enthalten sind. Zum Beispiel kann der Ausgangsstoff Kohlenwasserstoffe und damit neben Wasserstoff auch Kohlenstoff enthalten.
In diesem Fall kann das wenigstens eine Beiprodukt Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise Kohlenstoffagglomerate, enthalten. Die Qualität der Kohlenstoffstrukturen hängt neben der Zusammensetzung des Ausgangsstoffs zusätzlich von den Parametern der Plasmalysevorrichtung während des Herstellungsprozesses ab. Bei geringerem Energieeintrag werden beispielsweise kleinere Kohlenstoffagglomerate erzeugt und eine höhere Wasserstoffausbeute erzielt. Kleinere Kohlenstoffagglomerate sind Kohlenstoffstrukturen mit kleineren Partikelgrößen der Agglomerate, beispielsweise im Bereich von Partikelgrößen unter 200 µm, bevorzugt unter 20µm, die zum Beispiel als Additive verwendet werden können. Mit einem höheren Energieeintrag können auch hochwertigere Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise Graphit zum Beispiel in Form von Graphitstiften, erzeugt werden. In diesem Fall ist die Wasserstoffausbeute aber verringert, beispielsweise auf 20 % gegenüber einer maximalen Wasserstoffausbeute.
Die Eigenschaften der Kohlenstoffagglomerate hängen unter anderem von der Partikelgröße der Primärpartikel sowie von der Partikelgröße der Kohlenstoffagglomerate, die von den Primärpartikeln gebildet werden ab. Mit sinkender Partikelgröße der Primärpartikel nimmt die Viskosität zu, nimmt die Dispergierbarkeit ab, nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu, nimmt die Farbstärke zu und wird der Farbton brauner. Mit sinkender Partikelgröße der Kohlenstoffagglomerate nimmt die Viskosität ab, nimmt die Dispergierbarkeit ab, nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab, nimmt die Farbstärke zu, und wird der Farbton brauner.
Welche Beiprodukte mit welchen Eigenschaften hergestellt werden, hängt insbesondere von Druck, Temperatur, Leistung, Frequenz und Verweilzeit des Ausgangsstoffs im Plasma ab. Die Leistung hängt ab von der Stromstärke und Spannung. Die mittlere Partikelgröße hängt zum Beispiel besonders stark von der Stromstärke bei fester Spannung ab.
Um die Wasserstoffausbeute zu erhöhen, kann ein kaskadierter Abspaltungsprozess durchgeführt werden, in dem der Ausgangsstoff in mehreren hintereinandergeschalteten Stufen aufgespalten wird und entstehenden Gase und Beiprodukte voneinander getrennt werden. Auch der zusätzliche Einsatz einer Gas-Plasmalysevorrichtung, bei der als Plasmagas ein im einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt erzeugtes wasserstoffenthaltendes Gas verwendet wird, dass in der Gas-Plasmalysevorrichtung gespalten wird ist möglich. Eine solche Gas-Plasmalysevorrichtung verfügt dann in der Regel über kein Reservoir.
In anderen Worten, können der hergestellte molekulare Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt auch durch mehrere Plasmalysevorrichtungen, beispielsweise mit unterschiedlichen Parametern der Plasmalysevorrichtung, geführt werden. Beispielsweise können die verschiedenen Plasmalysevorrichtungen unterschiedliche Temperaturen im Reaktionsraum haben und/oder die Plasmen verschiedene Temperaturen haben. Beispielsweise kann molekularer Wasserstoff, der zusätzlich durch das Plasma geführt wird die Temperatur erhöhen und ein heißes Wasserstoffplasma erzeugen. Durch die geänderten Temperaturen können unterschiedliche Wasserstoffausbeuten erzielt und Beiprodukte, beispielsweise mit hochwertigeren Strukturen, hergestellt werden. Beispielsweise können Massenströme, die aus einer ersten Plasmalysevorrichtung abgeführt werden, auch derart getrennt werden, dass nur ein Teil der Massenströme einer nachfolgenden zweiten Plasmalysevorrichtung zugeführt wird. Dies kann es ermöglichen molekularen Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt so zu erzeugen, dass diese für bestimmte Anwendungen oder für die Herstellung bestimmter Folgeprodukte optimiert sind. Beispielsweise kann das wenigstens eine Beiprodukt als Kohlenstoffstruktur in Form von Ruß folgende unterschiedliche ASTM Grade je nach vorgesehenem Anwendungszweck oder Verwendungszweck haben: N110, N115, N121, N220, N234, N330, N326, N339, N347, N375, N539, N550 oder N650.
Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können beispielsweise Ammoniak, Acetylen oder synthetisches Gas, wie zum Beispiel ein Syngas HCO Gemisch, enthalten. Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können wiederum in weiteren Anwendungen zu nachfolgenden Folgeprodukten weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann Ammoniak zur Düngerherstellung verwendet werden. Der molekulare Wasserstoff kann auch zum Beispiel zur Energieerzeugung, Energiespeicherung, als Kraftstoff oder zur Entschwefelung von Kraftstoffen verwendet werden.
Auch die Folgeprodukte des wenigstens einen Beiprodukts sind abhängig vom Ausgangsstoff. Das wenigstens eine neben dem molekularen Wasserstoff hergestellte Beiprodukt hängt von verschiedenen Parametern der Plasmalysevorrichtung während des Herstellungsprozesses ab. Durch Einstellen der Parameter der Plasmalysevorrichtung können unter anderem eine Oberflächengröße und ein Clustern von Kohlenstoffketten eingestellt werden, um so verschiedene Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise verschiedene Rußarten, herzustellen. Die Kohlenstoffstrukturen können auch beispielsweise mit einem Plasma, beispielsweise das Plasma der Plasmalysevorrichtung nachbehandelt werden um neue kristalline Strukturen zu erzeugen. Beispielsweise können mehrere Plasmalysevorrichtungen in Reihe angeordnet sein, so dass die in der ersten Plasmalysevorrichtung erzeugten Kohlenstoffstrukturen in einer zweiten Plasmalysevorrichtung nachbehandelt werden können. Es können daher verschiedene Kohlenstoffstrukturen in verschiedenen Formen hergestellt werden. Die Parameter der Plasmalysevorrichtung können während des Herstellungsprozesses beispielsweise so optimiert werden, dass ein bestimmtes Beiprodukt, z.B. mit einer bestimmten Kohlenstoffstruktur, erzeugt wird, die für eine bestimmte Anwendung bzw. Weiterverarbeitung in ein Folgeprodukt optimiert ist.
Folgeprodukte, die aus den Kohlenstoffstrukturen hergestellt werden können oder bei denen die Kohlenstoffstrukturen als Additiv hinzugefügt werden können, können beispielsweise kompostierbare Produkte wie Kaffeekapseln und Behälter, oder auch Futtermittelzusätze, Keramiken, verbesserte Gülle, Aktivkohle für die Abwasserreinigung, Kohle zur Extraktion von Phosphor und anderen chemischen Grundstoffen im Klärschlamm, verbesserte Erde zur verbesserten Speicherung von Nährstoffen, Kohlenstoff-Binder-Mischungen beispielsweise als Baustoffersatz oder Kunststoffersatz, Kohlenstoff-Polymer-Mischungen, Kohlenstoff-Biopolymere, Kohlenstoff-Silikate, Koks, Asphaltmischungen, Zementmischungen, Betonmischungen, Reifen, Farben, Lacke, schwarze Oberflächen, Batterien, Beschichtungen, Toner, Tinte, leitende Tinte, mechanische Gummiprodukte, Fließbänder, Hüllen, Verschlüsse, Kunststoffe, Kabel und Behälter enthalten. Bestimmte Folgeprodukte können zum Beispiel zur Dämmung, Filtration, Verpackung oder für den Leichtbau verwendet werden.
Ein weiteres Folgeprodukte kann beispielsweise ein Methan-Kohlenstoffdioxid-Gemisch (CH₄ + CO₂) sein, dass als Vorprodukt für das Fischer-Tropsch-Verfahren verwendet werden kann, um Kerosin herzustellen. Folgeprodukte können auch synthetische Kraftstoffe enthalten, die auf Basis der von der Plasmalysevorrichtung hergestellten Gasströme synthetisiert werden können. Eine Synthese kann auch in der Plasmalysevorrichtung selbst durchgeführt werden, beispielsweise bei 50 bar. Es können auch Spaltungsschritte mit Syntheseschritten kombiniert werden.
Auch die Schlacken und Reste können je nach Ausgangsstoff in Folgeprodukten weiterverwendet werden, so können sie beispielsweise als Zuschlagstoffen in Asphalt verwendet werden.
Gemäß einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff und wenigstens einem Beiprodukt oder zum Herstellen von Folgeprodukten aus dem molekularen Wasserstoff und/oder dem wenigstens einem Beiprodukt. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte

- Einführen eines Plasmagases in einen Reaktionsraum,
- Erzeugen einer Koronaentladung mittels genau einer mit einer hochfrequenten Wechselspannung betriebenen Plasmaelektrode im Reaktionsraum, wobei der Reaktionsraum von einer Wand umschlossen ist, die ausgebildet ist die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren,
- Bereitstellen mindestens eines Ausgangsstoffs umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit in einem in einem vorbestimmten Abstand von der Plasmaelektrode angeordneten Reservoir, derart dass sich der Ausgangsstoff im Bereich der Koronaentladung befindet. Hierbei werden durch die Koronaentladung molekularer Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt erzeugt.

Das Verfahren kann den Schritt: Abführen des molekularen Wasserstoffs und des wenigstens einen Beiprodukts aus dem Reaktionsraum umfassen.
Der molekulare Wasserstoff kann nachfolgend beispielsweise über eine Gastrennung von dem wenigstens einem Beiprodukt abgetrennt werden. Die Gastrennung kann physikalische Trennverfahren umfassen. Beispielsweise können Gastrennungsverfahren wie das Linde-Verfahren, Membranverfahren, Gastrennung mittels Gaszentrifugen, Gastrennung mittels Gaschromatographen, wie der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Adsorptionsverfahren, wie Druckwechsel-Adsorption oder andere Gastrennungsverfahren verwendet werden, um den molekularen Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt voneinander zu trennen. Die Gastrennungsverfahren können auch verwendet werden, um verschiedene Beiprodukte voneinander zu trennen. Das aus dem Reaktionsraum abgeführte Gasgemisch kann auch in einer Kaskade von nacheinander ausgeführten Gastrennungen in einzelne Gase aufgetrennt werden.
Das Verfahren kann einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen:

- Abtrennen des molekularen Wasserstoffs von dem wenigstens einem Beiprodukt,
- Verwenden des molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts in einer nachfolgenden Anwendung, und
- Verwenden des molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts zur Herstellung eines Folgeprodukts,
- Umsetzen des molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts zu einem Folgeprodukt,
- Verwenden des molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts in einem Verfahren zum Erzeugen von Wärme und/oder Energie,

Der molekulare Wasserstoff und/oder das wenigstens eine Beiprodukt kann zum Beispiel verbrannt werden, um Wärme und/oder Energie zu erzeugen. Auch eine entstehende Schlacke oder ein Rest als Beiprodukt kann in einem Folgeprodukt verwendet oder zur Wärme und/oder Energieerzeugung genutzt werden.
Der Ausgangsstoff kann mittels einer Zuführeinrichtung in den Reaktionsraum eingeführt werden. Die hochfrequente Wechselspannung kann der Plasmaelektrode von einem Hochfrequenzgenerator bereitgestellt werden. Der molekulare Wasserstoff kann mittels einer Gasableitung für den molekularen Wasserstoff aus dem Reaktionsraum abgeführt werden.
Das Plasmagas kann durch eine Öffnung der Plasmaelektrode hindurch in den Reaktionsraum eingeführt werden.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

- Filtern des Beiprodukts aus einem Gasstrom aus molekularem Wasserstoff und Beiprodukt.

Das Beiprodukt kann festes Beiprodukt, beispielsweise in Form von Partikel enthalten. Feste Beiprodukt kann beispielsweise mittels eines Partikelfilters gefiltert werden. Ferner kann Beiprodukt gasförmiges Beiprodukt enthalten. Dieses kann beispielsweise mittels einer Membran oder eines Adsorbers gefiltert werden.
Das Verfahren kann die Schritte umfassen:

- Sammeln von entstehenden Gasen in der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff und/oder einem Reservoir für den molekularen Wasserstoff,
- Trennen der entstehenden Gase über einen mehrstufigen Membranprozess, über die Verwendung selektiver Adsorptionsverfahren und/oder einem oder mehreren anderen Gastrennungsverfahren.

Dies ermöglicht eine einfache Trennung der entstehenden Gase und damit auch ein Sammeln von molekularem Wasserstoff und gasförmigen Beiprodukt. Alternativ können auch andere Gastrennungsverfahren verwendet werden.
Das Verfahren kann einen Schritt umfassen:

- Ableiten von festem Beiprodukt aus dem Reaktionsraum

Festes Beiprodukt kann beispielsweise mittels einer Ableitung und/oder einer Restableitung für festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum abgeführt werden. Hierfür kann zum Beispiel eine Abführeinrichtung vorgesehen sein.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

- Reinigen des Reaktionsraums, um festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu entfernen.

Reinigen des Reaktionsraums kann insbesondere ein mechanisches Entfernen von festem Beiprodukt umfassen, beispielsweise mittels eines Reinigungselements oder mittels Ausblasen des Reaktionsraums mittels Gaspulsen.
Das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt, die Verwendungen gemäß dem vierten und dritten Aspekt sowie das Plasmalysesystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung teilen die Vorteile und Ausführungsformen der Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des molekularen Wasserstoffs herstellbar oder hergestellt gemäß dem Verfahren gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung oder hergestellt in einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung für eine der folgenden Anwendungen:

- als Brennstoff,
- zur Herstellung eines Wasserstoffverbrennungsprodukts,
- als Antriebsmittel,
- zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeug,
- zum Mischen mit Flüssiggas,
- zum Mischen mit Flüssigerdgas,
- zum Mischen mit flüssigem Biomethan,
- zum Mischen mit Erdgas,
- zum Mischen mit Methan,
- zum Herstellen von Synthesegas,
- zum Herstellen von synthetischem Kraftstoff,
- zum Herstellen von Ammoniak,
- zum Raffinieren von Erdöl,
- zum Hydrieren von chemischen Verbindungen,
- zum Betreiben einer Wasserstoffturbine,
- zum Betreiben einer Brennstoffzelle,
- zum Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplung,
- zum Betreiben eines Blockheizkraftwerks,
- zum Erzeugen von Energie mittels einer Brennstoffzelle,
- zum Erzeugen von Energie und/oder Wärme mittels einer Kraft-Wärme-Kopplung,
- in einer Gasseparationsanlage,
- in einer Gaskompressionsanlage,
- zum Herstellen von synthetischen Rohmaterialien,
- zum Speichern von Energie,
- zum Erzeugen von Wärme,
- zum Erzeugen von Energie.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des wenigstens einen Beiprodukts, insbesondere von Kohlenstoff, herstellbar oder hergestellt gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung oder von in einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem ersten Aspekt hergestelltem Beiprodukt für eine der folgenden Anwendungen:

- als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Stahl,
- als Brennstoff,
- als Adsorptionsmittel,
- als Trägermaterial von Katalysatoren für heterogene Katalyse,
- als Grundmaterial zur Herstellung von Kohlenstoffstrukturen,
- als Additiv für die Herstellung von Asphalt,
- als Additiv für die Herstellung von Zement,
- als Additiv für die Herstellung von Beton,
- als Inhaltsstoff eines Wärmeleitmittels,
- als Aktivkohle zur Abwasserreinigung,
- als Futtermittelzusatz,
- als Additiv zu einem Binder,
- als Additiv zur Erde zum verbesserten Speicherung von Nährstoffen,
- als Kohle zur Extraktion von Phosphor und anderen chemischen Grundstoffen im Klärschlamm,
- als Additiv in Baustoffen,
- als Additiv in Kunststoffen,
- zur Dämmung,
- zur Filtration,
- zur Verpackung,
- für den Leichtbau.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
2 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Plasmalysesystems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
3 Eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung;
4 Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff und wenigstens ein Beiprodukt gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in der Regel auf ähnliche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung 100 zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff 12 und wenigstens ein Beiprodukt 14. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Beiprodukt 14 fest.
Die Plasmalysevorrichtung 100 hat ein Gehäuse 16, das einen Reaktionsraum 18 umschließt. Ferner hat die Plasmalysevorrichtung 100 eine Gaszuleitung 20, genau eine Plasmaelektrode 22, eine Gasableitung 24 und eine Ableitung 26. Die Ableitung 26 ist optional. Anstatt der Ableitung 26 kann zum Beispiel auch eine Klappe im Boden der Plasmalysevorrichtung vorgesehen sein, um das feste Beiprodukt 14 abzuführen (nicht gezeigt). In anderen Ausführungsbeispielen kann das feste Beiprodukt beispielsweise auch über die Gasableitung abgeführt werden. Des Weiteren kann eine Klappe vorhanden sein, um entstehende Schlacken und Reste nach Abschluss des Prozesses zu entfernen und das Reservoir vollständig zu leeren.
Die Plasmaelektrode 22 ist mit einem Hochfrequenzgenerator 200 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Hochfrequenzgenerator 200 eine separate Einheit, die mit der Plasmalysevorrichtung 100 verbunden ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Hochfrequenzgenerator auch Teil der Plasmalysevorrichtung sein (nicht gezeigt). Der Hochfrequenzgenerator 200 erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung für die Plasmaelektrode 22 und kontaktiert die Plasmaelektrode 22 von außerhalb des Gehäuses 16. Der Hochfrequenzgenerator 200 kann ein Anpassungsnetzwerk aufweisen, um eine Impedanzanpassung durchzuführen (nicht gezeigt). Das Anpassungsnetzwerk kann auch Teil der Plasmalysevorrichtung sein. Der Hochfrequenzgenerator 200 stellt in diesem Ausführungsbeispiel eine Leistung zwischen 30 W und 50 kW bereit und hat eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm. Der Hochfrequenzgenerator stellt die hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 40 MHz, insbesondere im Bereich von 10 MHz bis 20 MHz, zum Beispiel mit einer Frequenz von 13,56 MHz bereit.
Im Reaktionsraum 18 ist ein Reservoir für einen Ausgangsstoff 11 umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder mindestens eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit angeordnet. Der Ausgangsstoff 11 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Zuführeinrichtung 27 zugeführt werden.
Der Reaktionsraum 18 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine nicht-geerdete, nicht-metallische Wand 28. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wand aus Quarzglas mit einer Wandstärke von 4 mm. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch ein anderes Material, zum Beispiel eine Keramik, wie Macor verwendet werden und eine andere Wandstärke, zum Beispiel für Quarzglas mit mindestens 4 mm. Ferner kann auch eine metallische Wand mit einer nicht-metallischen Isolierung auf deren Innenseite gegenüber der Plasmaelektrode, z.B. mit einer nicht-metallischen Isolationsbeschichtung, vorgesehen sein, um die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren. Eine Innenseite 30 der Wand 28 des Reaktionsraums 18 bildet im Betrieb der Plasmalysevorrichtung 100 spontan eine Gegenelektrode aus. In der Gaszuleitung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Partikelfilter 21 angeordnet, der feste Partikel aus dem Plasmagas 10 herausfiltert.
Die Plasmaelektrode 22 ist entlang einer zentralen Längsachse der Plasmalysevorrichtung 100 angeordnet. Die Wand 28 des Reaktionsraums 18 ist koaxial zur Plasmaelektrode 22 angeordnet. Die Plasmaelektrode 22 dient zum Erzeugen von Koronaentladungen 32 im Reaktionsraum 18 mittels der hochfrequenten Wechselspannung. Die Plasmaelektrode 22 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Öffnung 34, die mit der Gaszuleitung 20 verbunden ist. Die Gaszuleitung 20 führt das Plasmagas 10 durch die Öffnung 34 der Plasmaelektrode 22 hindurch in den Reaktionsraum 18. In diesem Ausführungsbeispiel ist in die Öffnung 34 der Plasmaelektrode 22 eine Düse 36 eingeschraubt, die somit einen Teil der Plasmaelektrode 22 bildet. Die Plasmaelektrode 22 ist aus Edelstahl und enthält ein Aluminiumdrehteil zum Einschrauben der Düse 36. Die Düse 36 ist eine FDM-Druckerdüse aus Messing und Edelstahl.
Die Plasmalysevorrichtung 100 dient zur Prozessierung mittels eines von der Koronaentladung 32 ausgebildeten nicht-thermischen Plasmas. Hierfür wird das Plasmagas 10 durch die Plasmaelektrode 22 mittels deren Düse 36 in den Reaktionsraum 18 gedüst. Das Reservoir 25 und die Plasmaelektrode 22 sind dabei derart angeordnet, dass der im Reservoir befindliche Ausgangsstoff zumindest teilweise im Bereich der Koronaentladung angeordnet ist. Zur gleichmäßigeren Prozessierung des Ausgangsstoffs 11 kann eine Umwälzvorrichtung vorhanden sein, die den Ausgangsstoff 11 in vorbestimmten Intervallen oder kontinuierlich umwälzt (hier nicht gezeigt).
An der Plasmaelektrode 22 liegt die hochfrequente Wechselspannung an, die eine Koronaentladung 32 erzeugt. Durch den Kontakt mit dem nicht-thermischen Plasma, werden beispielsweise Kohlenwasserstoffverbindungen im Ausgangsstoff im Reaktionsraum 18 in elementaren, pulverförmigen Kohlenstoff 14 und molekularen Wasserstoff 12 getrennt. Der anfallende molekulare Wasserstoff 12 ist gasförmig und der Kohlenstoff 14 fällt als Feststoff aus.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wand 28 des Reaktionsraums 18 gleichzeitig die Außenwand des Gehäuses 16. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Reaktionsraum auch innerhalb des Gehäuses angeordnet sein und es können mehrere Wände zwischen dem Reaktionsraum und der Umgebung vorgesehen sein.
Die Gasableitung 24 dient zum Abführen des molekularen Wasserstoffs 12 aus dem Reaktionsraum 18. Der molekulare Wasserstoff 12 ist typischerweise mit anderen Gasen gemischt, da in der Koronaentladung 32 weitere Umwandlungen und Gasfreisetzungen aus dem Ausgangsstoff erfolgen können und somit weitere gasförmige Beiprodukte entstehen können.
Die Ableitung 26 dient zum Abführen des festen Beiprodukts 14 aus dem Reaktionsraum 18. Hier kann beispielsweise noch eine weitere Abführvorrichtung wie eine Saugpumpe oder ähnliches vorgesehen sein, um pulverförmiges Beiprodukt aus dem Reaktionsraum zu entfernen.
Der Reaktionsraum 18 enthält zudem zwei Reinigungselemente 44 und 46 zum Entfernen des festen Beiprodukts 14. Das feste Beiprodukt 14 kann beispielsweise in Form von festem Kohlenstoff, Kohlenstoffstrukturen 48 ausbilden, die sich von der Düse 36 der Plasmaelektrode 22 zur Innenseite 30 der Wand 28 des Reaktionsraums 18 erstrecken (Ferner kann die Plasmaelektrode 22 mit einer Kohlenstoffschicht 54 oder Schicht aus anderem festen Beiprodukt 14 zugesetzt werden.
Das Reinigungselement 44 dient dazu die Innenseite 30 der Wand 28 zu reinigen. Hierfür ist das Reinigungselement 44 ringförmig ausgebildet, wobei eine Öffnung in ihrer Mitte einen größeren Innendurchmesser hat als der Außendurchmesser der Plasmaelektrode 22. Das Reinigungselement 44 ist entlang einer Längsachse 56 auf der Innenseite 30 der Wand 28 verfahrbar, so dass einerseits an der Innenseite 30 der Wand 28 angelagerter Kohlenstoff entfernt werden kann, als auch die Kohlenstoffstrukturen aufgebrochen werden können. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Reinigungselement 44 an seiner Unterseite eine Kante 58 zum besseren Aufbrechen von Kohlenstoffstrukturen oder anderem an der Innenseite 30 der Wand 28 angelagertem festen Beiprodukt 14.
Das Reinigungselement 46 ist an der Plasmaelektrode 22 angeordnet und dient dazu eine Kohlenstoffschicht von der Plasmaelektrode 22 zu entfernen. Das Reinigungselement 46 hat eine Kante 60 zum Entfernen von festem Beiprodukt 14 und der Kohlenstoffschicht 54 nahe an der Mündung der Düse 36 der Plasmaelektrode 22. Das Reinigungselement 46 ist zudem an der Plasmaelektrode 22 mit einem Gleitring 62 befestigt, so dass das Reinigungselement 46 relativ um die Längsachse der Plasmaelektrode 22 herum verfahrbar ist und so die Kohlenstoffschicht entfernen kann.
In diesem Ausführungsbeispiel hat die Plasmaelektrode einen Außendurchmesser von 8 mm und die Öffnung der Düse hat einen Durchmesser von 0,4 mm. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Außendurchmesser der Plasmaelektrode auch beispielsweise zwischen 4 mm und 16 mm betragen und die Öffnung der Düse der Plasmaelektrode kann einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 1 mm haben. Die Plasmaelektrode hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Länge von 150 mm. In anderen Ausführungsbeispiel kann die Plasmaelektrode auch zum Beispiel eine andere Länge, beispielsweise zwischen 50 mm und 300 mm haben.
Der Reaktionsraum 18 ist für Drücke bis zu 1 bar Überdruck druckfest.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Plasmalysesystems 1000 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Das Plasmalysesystem 1000 umfasst zwei in Reihe geschaltete Plasmalysevorrichtungen 100, die mit einem gemeinsamen Hochfrequenzgenerator 200 verbunden sind. Das Plasmalysesystem 1000 weist weiter einen Speicher 300 für Ausgangsstoff 11 auf. Der Ausgangsstoff 11 kann über die Zuführeinrichtung 27 der ersten Plasmalysevorrichtung 100' zugeführt werden. Nach der Behandlung dort, kann festes Beiprodukt 14 oder Schlacke über die Ableitung 26`, die zugleich als Zuführeinrichtung für die zweite Plasmalysevorrichtung 100 dient, dieser zugeführt werden und dort nochmals einem Plasma ausgesetzt werden. Feste Beiprodukte können dann über die Ableitung 26 entnommen werden. Gasförmige Beiprodukte und der entstehende molekulare Wasserstoff werden über die Gasableitungen 24 abgeleitet und einem Gasreservoir 400 zugeführt. In diesem können Gasabscheider wie Membranen oder Adsorber enthalten sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
In Schritt 502 wird ein Plasmagases in einen Reaktionsraum eingeführt, bevorzugt handelt es sich um Stickstoff und/oder Wasserstoff. In Schritt 504 wird sodann eine Koronaentladung mittels genau einer mit einer hochfrequenten Wechselspannung betriebenen Plasmaelektrode im Reaktionsraum erzeugt. Der Reaktionsraum ist dabei von einer Wand umschlossen, die ausgebildet ist, die Plasmaelektrode gegenüber einer Außenseite der Wand elektrisch zu isolieren. In Schritt 506 wird mindestens ein Ausgangsstoff bereitgestellt umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit. Der Ausgangsstoff wird in einem in einem vorbestimmten Abstand von der Plasmaelektrode angeordneten Reservoir bereitgestellt, derart dass sich der Ausgangsstoff im Bereich der Koronaentladung befindet. Die Schritte 504 und 506 können gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander erfolgen.
In Schritt 508 werden dann durch die Koronaentladung und das dadurch entstehende Plasma molekularer Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt erzeugt.
Das Verfahren kann weiter optional den Schritt 510 Abführen des molekularen Wasserstoffs und des wenigstens einen Beiprodukts aus dem Reaktionsraum umfassen.
In Schritt 512 wird das abgeführte Gas in verschiedene Gase getrennt, insbesondere wird der molekulare Wasserstoff von weiteren gasförmigen Beiprodukten getrennt. Schritt 512 ist optional. In diesem Ausführungsbeispiel ist zum Trennen des molekularen Wasserstoffs von den weiteren gasförmigen Beiprodukten ein mehrstufiger Membranprozess und ein selektives Adsorptionsverfahren vorgesehen. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch nur ein Membranprozess und/oder nur ein selektives Adsorptionsverfahren vorgesehen sein.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung 100" zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff 12 und wenigstens ein Beiprodukt 14 oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff 12 und wenigstens einem Beiprodukt 14. Die Plasmalysevorrichtung 100" hat eine ähnliche Funktionsweise wie die zuvor beschriebenen Plasmalysevorrichtungen 100 und 100`. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Plasmalysevorrichtung 100 weist die Plasmalysevorrichtung 100" eine Plasmaelektrode 22" mit einem flachen Ende 68 auf und das Plasmagas 10 wird außen an der der Plasmaelektrode 22" entlang geführt. Dies führt zu einer konzentrierteren Ausbildung der Koronaentladung und zu einer verminderten Anhaftung von Beiprodukten. Dies insbesondere, wenn über ein Anpassungsnetzwerk, über das der Hochfrequenzgenerator 200 mit der Plasmaelektrode 22" verbunden ist, die Leistung derart eingestellt wird, dass eine Reflexion maximal unterdrückt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist weiter eine Klappe 26" im Boden des Reservoirs angeordnet, über die Schlacke oder Reste als Beiprodukt abgeführt und in einem Beiproduktreservoir 29 gesammelt oder weiter transportiert werden können. Des Weiteren umfasst die Plasmalysevorrichtung 100" eine Rückführeinrichtung 31 zur Rückführung von molekularem Wasserstoff 12, diese ist mit der Gaszuleitung 20 für Plasmagas 10 verbunden. Damit kann der molekulare Wasserstoff 12 hier zumindest in Teilen wieder für die Plasmalyse genutzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Plasmagas
11: Ausgangsstoff
12: Wasserstoff
14: Beiprodukt
16: Gehäuse
18: Reaktionsraum
20: Gaszuleitung
21: Partikelfilter
22: Plasmaelektrode
24: Gasableitung
25: Reservoir
26: Ableitung
27: Zuführeinrichtung
28: Wand
30: Innenseite
32: Koronaentladung
34: Öffnung
36: Düse
44: Reinigungselemente
46: Reinigungselemente
48: Kohlenstoffstrukturen
54: Kohlenstoffschicht
56: Längsachse
58: Kante
60: Kante
62: Gleitring
100: Plasmalysevorrichtung
200: Hochfrequenzgenerator
300: Speicher
1000: Plasmalysesystem
100`: Plasmalysevorrichtung
100": Plasmalysevorrichtung
26`: Ableitung
29: Beiproduktreservoir
31: Rückführeinrichtung
68: flaches Ende
400: Gasreservoir
500: Verfahren
502: Schritt
504: Schritt
506: Schritt
508: Schritt
510: Schritt
512: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5319176 [0002]

Claims

Plasmalysevorrichtung (100) zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff (12) und wenigstens ein Beiprodukt oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff (12) und wenigstens einem Beiprodukt, enthaltend: - einen Reaktionsraum (18), - eine Gaszuleitung (20) für ein Plasmagas (10) in den Reaktionsraum (18 `), - genau eine Plasmaelektrode (22) zum Erzeugen von Koronaentladungen (32) im Reaktionsraum (18) mittels einer hochfrequenten Wechselspannung und - ein in einem vorbestimmten Abstand zur Plasmaelektrode angeordnetes Reservoir (25) für mindestens einen Ausgangsstoff (11) umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder mindestens eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit (11) in den Reaktionsraum (18), - eine Gasableitung (24) für den molekularen Wasserstoff (12) aus dem Reaktionsraum (18), wobei der Reaktionsraum (18) von einer Wand (28) umschlossen ist, die ausgebildet ist, die Plasmaelektrode (22) gegenüber einer Außenseite der Wand (28) elektrisch zu isolieren, und wobei die Plasmaelektrode (22) mit einem Hochfrequenzgenerator (200) zum Erzeugen der hochfrequenten Wechselspannung verbunden ist.
Plasmalysevorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der die Gaszuleitung (20) derart angeordnet ist, dass das Plasmagas (10) entlang einer Oberfläche der Plasma-elektrode (22) in Richtung der Koronaentladung (32) strömt.
Plasmalysevorrichtung (100, 100") gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Plasmaelektrode (22`) ein flaches Ende (68) zum Erzeugen der Koronaentladungen (32) im Reaktions-raum (18") aufweist oder bei der die Plasmaelektrode (22) eine Öffnung (34) aufweist, die mit der Gaszuleitung (20) verbunden ist und durch die das Plasmagas (10) in den Reaktionsraum (18) eingeführt wird.
Plasmalysevorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Plasmalysevorrichtung (100) einen Isolator aufweist, der die Plasmaelektrode (22) gegenüber einer Außenseite der Wand (28) elektrisch isoliert.
Plasmalysevorrichtung (100") gemäß einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine Rückführeinrichtung (31) zur Rückführung von erzeugtem molekularem Wasserstoff.
Plasmalysevorrichtung (100, 100") gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die zusätzlich eine Zuführeinrichtung (27) zur Zuführung des mindestens einen Ausgangsstoffs (11) ins Reservoir umfasst. Plasmalysevorrichtung, bei derdie Zuführeinrichtung ein Transportband oder eine Leitung umfasst.
Plasmalysevorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Reservoir eine Umwälzvorrichtung umfasst.
Plasmalysevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vorbehandlungsstufe für Ausgangsstoffe umfassend mindestens einen Feststoff, wobei die Vorbehandlungsstufe ein Vorstufen-Reservoir für Ausgangsstoffe umfasst, das thermisch mit einer Vorheizung gekoppelt ist, wobei die Vorheizung insbesondere eine Heizgasleitung umfasst.
Plasmalysesystem (1000) zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit in molekularen Wasserstoff (12) und wenigstens ein Beiprodukt (14) oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff (12) und wenigstens einem Beiprodukt (14), enthaltend wenigstens zwei Plasmalysevorrichtungen (100; 100`) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Plasmalysevorrichtungen (100; 100') parallel oder in Reihe zueinander angeordnet sind.
Plasmalysesystem (1000) gemäß Anspruch 9, das - einen Speicher (300) mit dem mindestens einen Ausgangsstoff (11), und/oder - eine Energieanlage zum Bereitstellen von Energie zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltender Flüssigkeit und/oder wasserstoffenthaltendem Feststoff (11) in den molekularen Wasserstoff (12) und das wenigstens eine Beiprodukt (14), und/oder - einen Wasserstoffspeicher zum Speichern des molekularen Wasserstoffs (12), und/oder - einen mit molekularem Wasserstoff (12) betreibbaren Antrieb, und/oder - eine mit molekularem Wasserstoff (12) betreibbare Energieanlage aufweist.
Verwendung einer Plasmalysevorrichtung (100; 100`, 100") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Spalten von wasserstoffenthaltender Flüssigkeit oder wasserstoffenthaltenden Feststoff (11) in molekularen Wasserstoff (12) und wenigstens ein Beiprodukt (14) oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff (12) und wenigstens einem Beiprodukt (14) unter Nutzung von in einem Betrieb einer ortsfesten Struktur oder einer mobilen Struktur bereitgestellten Ausgangsstoff.
Verwendung des von der Plasmalysevorrichtung (100; 100`; 100") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten molekularen Wasserstoffs (12) und/oder des wenigstens einen Beiprodukts (14) zum Herstellen von Folgeprodukten.
Verfahren (500) zum koronaentladungsinduzierten Spalten von wasserstoffenthaltendem Feststoff und/oder wasserstoffenthaltender Flüssigkeit (11) in molekularen Wasserstoff (12) und wenigstens ein Beiprodukt (14) oder zum Herstellen von molekularem Wasserstoff (12) und wenigstens einem Beiprodukt (14) oder zum Herstellen von Folgeprodukten aus dem molekularen Wasserstoff (12) und/oder dem wenigstens einem Beiprodukt (14), umfassend die Verfahrensschritte, - Einführen eines Plasmagases (10) in einen Reaktionsraum (18; 18`), - Erzeugen einer Koronaentladung (32) mittels genau einer mit einer hochfrequenten Wechselspannung betriebenen Plasmaelektrode (22) im Reaktionsraum (18), wobei der Reaktionsraum (18) von einer Wand (28) umschlossen ist, die ausgebildet ist die Plasmaelektrode (22) gegenüber einer Außenseite der Wand (28) elektrisch zu isolieren, - Bereitstellen mindestens eines Ausgangsstoffs (11) umfassend mindestens einen wasserstoffenthaltenden Feststoff und/oder eine wasserstoffenthaltende Flüssigkeit in einem in einem vorbestimmten Abstand von der Plasmaelektrode angeordneten Reservoir, derart dass sich der Ausgangsstoff im Bereich der Koronaentladung befindet; wobei durch die Koronaentladung molekularer Wasserstoff (12) und das wenigstens eine Beiprodukt (14) erzeugt werden.
Verwendung des molekularen Wasserstoffs herstellbar oder hergestellt gemäß dem Verfahren gemäß Anspruch 13 oder hergestellt in einer Plasmalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8 für eine der folgenden Anwendungen: - als Brennstoff, - zur Herstellung eines Wasserstoffverbrennungsprodukts, - als Antriebsmittel, - zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeug, - zum Mischen mit Flüssiggas, - zum Mischen mit Flüssigerdgas, - zum Mischen mit flüssigem Biomethan, - zum Mischen mit Erdgas, - zum Mischen mit Methan, - zum Herstellen von Synthesegas, - zum Herstellen von synthetischem Kraftstoff, - zum Herstellen von Ammoniak, - zum Raffinieren von Erdöl, - zum Hydrieren von chemischen Verbindungen, - zum Betreiben einer Wasserstoffturbine, - zum Betreiben einer Brennstoffzelle, - zum Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplung, - zum Betreiben eines Blockheizkraftwerks, - zum Erzeugen von Energie mittels einer Brennstoffzelle, - zum Erzeugen von Energie und/oder Wärme mittels einer Kraft-Wärme-Kopplung, - in einer Gasseparationsanlage, - in einer Gaskompressionsanlage, - zum Herstellen von synthetischen Rohmaterialien, - zum Speichern von Energie, - zum Erzeugen von Wärme, - zum Erzeugen von Energie.
Verwendung des wenigstens einen Beiprodukts herstellbar oder hergestellt gemäß dem Verfahren gemäß Anspruch 13 oder von in einer Plasmalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8 hergestelltem Beiprodukt für eine der folgenden Anwendungen: - als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Stahl, - als Brennstoff, - als Adsorptionsmittel, - als Trägermaterial von Katalysatoren für heterogene Katalyse, - als Grundmaterial zur Herstellung von Kohlenstoffstrukturen, - als Additiv für die Herstellung von Asphalt, - als Additiv für die Herstellung von Zement, - als Additiv für die Herstellung von Beton, - als Inhaltsstoff eines Wärmeleitmittels, - als Aktivkohle zur Abwasserreinigung, - als Futtermittelzusatz, - als Additiv zu einem Binder, - als Additiv zur Erde zum verbesserten Speicherung von Nährstoffen, - als Kohle zur Extraktion von Phosphor und anderen chemischen Grundstoffen im Klärschlamm, - als Additiv in Baustoffen, - als Additiv in Kunststoffen, - zur Dämmung, - zur Filtration, - zur Verpackung, - für den Leichtbau.