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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff, ein Brennstoffzellensystem sowie ein stationäres Energieerzeugungssystem und ein Fahrzeug.
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Brennstoffzellensysteme sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung oder als stationäre Energieerzeugungssysteme beispielsweise zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme eingesetzt werden. Die hier betrachteten Brennstoffzellensysteme sollen dabei in PEM-Technologie realisiert sein und mit Wasserstoff aus einem Tank sowie verdichteter Luft als Sauerstofflieferant betrieben werden.
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Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass für viele große Mengen an hochreinem Kohlenstoff benötigt werden. Dieser Kohlenstoff C12, welcher auch mit dem englischen Begriff black carbon bezeichnet wird, ist beispielsweise in sogenannten Graphitplatten in Brennstoffzellensystemen als elektrisch leitender Füllstoff notwendig. Er ist jedoch auch in Lithium-Ionen-Batterien ein notwendiger Rohstoff. Er spielt also - unteren Anderem - auch für die Elektromobilität eine entscheidende Rolle.
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Dieser hochreine Kohlenstoff wird heutzutage typischerweise in Minen gewonnen. Der Abbau ist dabei für die Umwelt schädlich und häufig erfolgt er unter für die Arbeiter und die lokale Bevölkerung fragwürdigen Bedingungen.
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Er ließe sich prinzipiell jedoch auch einfach synthetisch herstellen, beispielsweise durch eine Pyrolyse von Methan, wie sie beispielsweise aus der
EP 1 75 459 B1 , hier für einen speziellen Anwendungsfall, bekannt ist.
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Daneben ist grundlegend aus dem Bereich der Energiewirtschaft die sogenannte Methanisierung von Kohlendioxid (und Kohlenmonoxid) mit Wasserstoff prinzipiell bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die
DE 10 2011 013 922 A1 hingewiesen werden.
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Eine Veröffentlichung der EU-Kommission vom 17.04.2008 unter dem Titel „On-Board Carbon Capture for Cars“ legt unter Bezugnahme auf die Studie „Damm, D. L. and Fedorov, A. G, (2008), Conceptual Study of Distributed CO2 Capture and the sustainable Carbon economy in Energy, Conversion and Management, DOI: 10, 1016/J, 11, 011“ dar, dass Kohlenstoffdioxid nach Möglichkeit auch in einem On-Board-Verfahren bei Fahrzeugen zurückgewonnen werden soll/kann. Ziel ist dabei die Verringerung des Kohlendioxidausstoßes von Fahrzeugen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von Kohlenstoff anzugeben, bei welchen das Verfahren weitere Vorteile für nachgeschaltete Prozesse mit sich bringt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen von Kohlenstoff mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 6 die Aufgabe. Auch ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem oder eine stationäre Energieversorgungseinrichtung mit einem solchen Brennstoffzellensystem, welche beide mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, können die Aufgabe lösen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und das zu seiner Durchführung bevorzugt eingesetzte Brennstoffzellensystem nutzen Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aus zumindest einem Teil der verdichteten Zuluft für das Brennstoffzellensystem zur Abscheidung von Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid in einer hierfür geeigneten Anlage. Die an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid abgereicherte Luft, welche im Idealfall frei von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid ist, gelangt dann zu dem Brennstoffzellensystem, und hier zur Kathodenseite seiner wenigstens einen Brennstoffzelle. Dies hat den Vorteil, dass Nachteile, welche vor allem Kohlenmonoxid einhergehen, wie beispielsweise eine Vergiftung der Katalysatoren, vermeiden oder zumindest erheblich reduziert werden können. Dadurch erübrigt sich der Einsatz von kohlenmonoxid-resistenten Katalysatoren. Damit lässt sich die Brennstoffzelle einfacher und effizienter aufbauen.
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Das abgeschiedene Kohlendioxid und Kohlenmonoxid wird dann in einem Methanisierungsreaktor mit gespeichertem Wasserstoff methanisiert. Der gespeicherte Wasserstoff kann dabei vergleichsweise „unrein“ ausgebildet sein und durchaus Teile von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in seinem Volumen aufweisen. Dies ist für die Reaktion hier nicht schädlich. Insgesamt entsteht so aus dem Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie dem aus dem Tank zugeführten gespeicherten Wasserstoff Methan. Dieser Ablauf ist als Methanisierung allgemein bekannt.
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Nachfolgend wird das so synthetisierte Methan einer Pyrolyseeinheit zugeführt, in welcher es pyrolysiert wird. Dabei entsteht Kohlenstoff in hochreiner Form, beispielsweise als C12-Pulver, welches entweder als Pulver gespeichert oder beispielsweise zu Pellets oder Barren gepresst werden kann. Neben dem Kohlenstoff entsteht reiner trockener Wasserstoff, welcher dann der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Auch hier ist es möglich, trotz des gegebenenfalls im gespeicherten Wasserstoff vorhandenen Anteils von Verunreinigungen wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid die Brennstoffzelle mit Katalysatoren aufzubauen, welche nicht gegen eine potenzielle Kohlenmonoxidvergiftung resistent sein müssen, da das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in dem gespeicherten Wasserstoffgas bei der Methanisierung und der anschließenden Pyrolyse entfernt wird.
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Damit kann einerseits der Aufbau der wenigstens einen Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem vereinfacht werden und andererseits lassen sich über das Verfahren erhebliche Mengen an hochreinem Kohlenstoff gewinnen, welche beispielsweise beim Nachtanken von Wasserstoff abtransportiert werden können. Damit kann über das Brennstoffzellensystem ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung weiterer Brennstoffzellen oder Batterien einfach, umweltfreundlich und bei entsprechenden Vorteilen für die Brennstoffzelle selbst generiert werden. Überschüssiger Kohlenstoff kann auch für andere Zwecke, beispielsweise in der chemischen Industrie, für die Herstellung von synthetischen Treibstoffen und dergleichen, mit eingesetzt werden.
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Auch wenn prinzipiell ein Aufbau denkbar wäre, bei welchem nur ein Teil der Luft den entsprechenden Prozess durchläuft, kann es außerordentlich günstigen Weiterbildung der Erfindung so eingesetzt werden, dass Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aus der gesamten der Brennstoffzelle zugeführten Zuluft zur Methanisierung eingesetzt wird.
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Vergleichbares gilt für den Wasserstoff. Das sichert einerseits die maximale Menge an Kohlenstoff und kann andereseits die kompletten der Brennstoffzelle zugeführten Gase reinigen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass das Abscheiden des Kohlendioxids bzw. Kohlenmonoxids direkt aus der Luft erfolgt, mit einem auch als Direct Air Capture (DAC) bezeichneten an sich bekannten Prozess. Damit lassen sich, insbesondere unter Verwendung von Abwärme des Brennstoffzellensystems bis zu 40 Gramm CO2 und CO pro Normkubikmeter an geförderter Luft abscheiden, was in etwa 13 Gramm Kohlenstoff entspricht.
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Da diese Luft unmittelbar aus der Umgebung angesaugt und dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, kann über diese Technik neben einer Verbesserung der Bedingungen für den Betrieb der Brennstoffzelle einerseits und eine Synthetisierung des begehrten Rohstoffs Kohlenstoff andererseits auch eine Reinigung der atmosphärischen Luft von einem Teil ihres Kohlenstoffgehalts erfolgen, sodass ein derartig betriebenes Brennstoffzellensystem nicht nur weitgehend emissionsfrei betrieben werden kann, sondern sogar Kohlenstoff aus der Luft sammelt, was ein weiterer erheblicher Vorteil bezüglich der Umwelt ist, und gegebenenfalls auch zu einer Kostenersparnis durch entsprechende Zertifikate für die Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre führt.
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Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist dabei die Förderung der Zuluft zu der Brennstoffzelle über einen Strömungsverdichter, welcher die Luft typischerweise erwärmt. Beim regulären Brennstoffzellensystem muss diese Wärme über einen Ladeluftkühler oder dergleichen „weggekühlt“ werden, um die PEM-Brennstoffzelle nicht mit der zu warmen Zuluft zu belasten. Bei dem Prozess des Direct Air Captures von Kohlendioxid ist diese Erwärmung jedoch von Vorteil und kann zusammen mit der von der Brennstoffzelle generierten Abwärme eben diesen Prozess zuträglich sein.
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Das so aufgebaute Brennstoffzellensystem umfasst neben den ansonsten üblichen Komponenten eine Anlage zur Abschaltung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, einen Methanisierungsreaktor sowie eine Pyrolyseeinheit. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt werden, insbesondere einem Nutzfahrzeug, bei dem eine relativ hohe Nennleistung des Systems vorhanden ist, und bei welchem der Transport des erzeugten Kohlenstoffs einfacher zu realisieren ist, als beispielsweise bei einem prinzipiell auch denkbaren Personenkraftwagen.
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Beim Fahrzeugeinsatz kann beispielsweise beim Nachtanken von Wasserstoff an einer Tankstelle im gleichen Zug das Kohlenstoffpulver oder die Kohlenstoffpellets oder -barren entnommen und abgegeben werden. Hier sind beispielsweise Prozesse zur Verrechnung des breitgestellten Kohlenstoffs einerseits und des bereitgestellten Wasserstoffs andererseits möglich, sodass bezüglich der Bezahlung nur noch Differenzbeträge ausgeglichen werden müssen.
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Ein derartiges Brennstoffzellensystem lässt sich auch in einer stationären Energieversorgungsanlage einsetzen, beispielsweise einer Energieversorgungsanlage, welche zur Bereitstellung von elektrischer Leistung und gegebenenfalls Wärme vorgesehen ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendungen ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein schematisch angedeutetes Brennstoffzellensystem.
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In der Darstellung der Figur ist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem schematisch dargestellt. Es kann beispielsweise zur Energieversorgung eines Lastkraftwagens mit elektrischer Antriebsleistung PEL eingesetzt werden. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine hier mit 2 bezeichnete PEM-Brennstoffzelle, welche als einer oder mehrere Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. Rein beispielhaft ist hier ein mit 3 bezeichneter Kathodenraum und ein mit 4 bezeichneter Anodenraum dieser Brennstoffzelle 2 exemplarisch dargestellt.
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Wie es auch im Stand der Technik üblich ist, wird die Brennstoffzelle 2 mit Luft als Sauerstofflieferant betrieben. Dafür ist eine mit 5 bezeichnete Luftfördereinrichtung, beispielsweise ein Strömungsverdichter, vorgesehen. Diese Luft wird letztlich dem Kathodenraum 3 zugeführt. Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 6, beispielsweise einem Druckgasspeicher oder einem Kryospeicher, wird letztlich dem Anodenraum 4 zugeführt. Die Abgase aus dem Brennstoffzellensystem 1 können in an sich bekannter Art und Weise beispielsweise im Kreislauf geführt werden. Auch eine Entspannung über Turbinen ist denkbar. All dies ist für den Fachmann bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Die Besonderheit in dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 besteht nun darin, dass eine mit 7 bezeichnete Anlage zum Abscheiden von Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) aus der geförderten Zuluft oder zumindest aus einem Teil derselben vorgesehen ist. Dabei sind prinzipiell verschiedene Möglichkeiten denkbar. Vorzugsweise kann das Abscheiden des Kohlenmonoxids/ Kohlendioxids über das sogenannte DAC-Verfahren (Direct Air Capture) realisiert werden.
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Das abgeschiedene Kohlendioxid/Kohlenmonoxid gelangt dann in einen Methanisierungsreaktor 8, welchem der zu der Brennstoffzelle 2 strömende Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 6 zugeführt wird. Das Ergebnis der Methanisierung ist dann Methan (CH4), welches von dem Methanisierungsreaktor 8 zu einer Pyrolyseeinrichtung 9 gelangt. In der Pyrolyseeinrichtung 9 wird das Methan pyrolysiert, sodass letztlich reiner trockener Wasserstoff (H2) vorliegt, welcher dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden kann. Außerdem fällt in der Pyrolyseeinrichtung 9 Kohlenstoff (C12) als reiner Kohlenstoff (Black Carbon) an, welcher beispielsweise in Pulverform in einem Speichervolumen 10 aufgefangen wird. Der Kohlenstoff kann dann in Pulverform oder beispielsweise zu Pellets oder Barren verpresst bevorratet und beispielsweise beim nächsten Wartungsintervall, beim nächsten Nachtanken von Wasserstoff oder dergleichen aus dem Brennstoffzellensystem 1 entnommen werden.
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Die Luft auf der Zuluftseite des Brennstoffzellensystems 1 ist nach der Anlage zum Abscheiden von Kohlendioxid/Kohlenmonoxid ganz oder zumindest weitgehend frei von diesen Stoffen. Sie gelangt dann über optionale an sich bekannte Einrichtungen wie Ladeluftkühler, Befeuchter oder dergleichen, welche hier nicht weiter dargestellt sind, welche aber grundsätzlich vorhanden sein oder zumindest denkbar wären, zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2.
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In der Brennstoffzelle 2 entstehende Abwärme Q kann, wie es hier durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, eingesetzt werden, um die ablaufenden Prozesse, hier beispielsweise den DAC-Prozess, in der Anlage 7 zu unterstützen.
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Neben der Gewinnung des wertvollen reinen Kohlenstoffs hat das hier beschriebene Brennstoffzellensystem 1 außerdem den Vorteil, dass durch das Entfernen der Verunreinigung mit Kohlendioxid und insbesondere Kohlenmonoxid der geförderten Luft die Luft weitgehend frei von diesen Stoffen ist. Sofern der gesamte Luftstrom über die Anlage 7 gelangt, kann die Luft praktisch komplett frei von diesen Stoffen dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden. Damit besteht keine nennenswerte Gefahr einer Vergiftung von Katalysatoren, was insbesondere bei Anwesenheit von Kohlenmonoxid in herkömmlichen Anlagen kritisch ist. Auf gegenüber einer Vergiftung mit Kohlenmonoxid resistente Katalysatoren kann daher verzichtet werden, was den Aufbau der Brennstoffzelle 2 entsprechend einfacher und kostengünstiger macht.
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Vergleichbares gilt auch für die Anodenseite. Auch Wasserstoff, welcher in dem Wasserstofftank 6 gespeichert wird, ist häufig mit Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie anderen Stoffen verunreinigt. Dadurch, dass er nun den Methanisierungsreaktor 8 und die Pyrolyseeinrichtung 9 durchläuft, bevor er in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 gelangt, wird dieser Wasserstoff ebenfalls gereinigt, sodass auch hier auf gegenüber einer Vergiftung mit Kohlenmonoxid resistente Katalysatoren verzichtet werden kann. Dieses gegebenenfalls in dem Wasserstoff vorhandene Kohlenmonoxid würde nämlich in dem Methanisierungsreaktor 8 ebenfalls zu Methan umgesetzt, dessen Kohlenstoff dann in der Pyrolyseeinrichtung 9 zurückgewonnen wird.
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Ein typisches Brennstoffzellensystem 1 mit einer elektrischen Leistung von 120 bis 300 kW, wie es beispielsweise in Lastkraftwagen zum Einsatz kommt, benötigt im durchschnittlichen Betrieb ca. 750 kg Luft je Stunde. Diese Luft hat einen Massenanteil von etwa 400 ppm an Kohlendioxid und 100 bis 200 ppb Kohlenmonoxid. Würde ein Lastkraftwagen nun mit durchschnittlicher Leistung für etwa einen Tag oder über eine Strecke von ca. 650 Kilometer gefahren, dann können basierend auf den Anteilen an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in der Luft in etwa 50 bis 60 kg an Kohlenstoff pro Tag anfallen und in dem Speicher 10 gespeichert werden. Beim Nachtanken kann dieses Material beispielsweise in Form von verpressten Barren, Pellets oder auch als Pulver entnommen werden. Insbesondere lässt es sich zu marktüblichen Preisen ankaufen und für die Produktion weiterer Brennstoffzellen und/oder Batterien unmittelbar einsetzen. Der durch den Verkauf des Kohlenstoffs erzielte Preis kann mit dem Preis für die getankte Menge an Wasserstoff verrechnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 175459 B1 [0005]
- DE 102011013922 A1 [0006]
