DE102022110617A1 - Process for producing hydrogen in a hydrogen-operated glass melting tank - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff (1a) aus dem Abgas (2) und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff (1) betriebenen Glasschmelzwanne (101) durch Hochtemperaturelektrolyse (102), wobeia) Wasserdampf (2) aus Wasserstoff (1) als Ausgangsmaterial erzeugt wird,b) der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf (2) als Edukt in eine Hochtemperaturelektrolyse (102) zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts eingeführt wird, wobei das Elektrolyseprodukt Wasserstoff (1a) und Sauerstoff (3) umfasst undc) Wasserstoff (1a) aus dem in Schritt (b) erhaltenen Elektrolyseprodukt abgetrennt wird.The present invention relates to a method and a system for producing hydrogen (1a) from the exhaust gas (2) and from the steam atmosphere above a glass melting tank (101) operated with hydrogen (1) by high-temperature electrolysis (102), whereby a) water vapor ( 2) is generated from hydrogen (1) as starting material, b) the water vapor (2) generated in step (a) is introduced as a starting material into a high-temperature electrolysis (102) to produce an electrolysis product, the electrolysis product hydrogen (1a) and oxygen ( 3) comprises andc) hydrogen (1a) is separated from the electrolysis product obtained in step (b).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne.The present invention relates to a method for producing hydrogen from the exhaust gas and from the steam atmosphere above a glass melting tank operated with hydrogen.
Das Fassungsvermögen einer Glasschmelzwanne kann über 2000 Tonnen und der tägliche Durchsatz kann über 1000 Tonnen betragen. Die Betriebstemperatur im Inneren der Glasschmelzwanne beträgt oberhalb des sogenannten Glasbades etwa 1500 °C. Diese Temperatur wird bestimmt durch die Zusammensetzung des Gemenges und wird von der benötigten Menge geschmolzenen Glases sowie den konstruktionsbedingten Energieverlusten bestimmt.The capacity of a glass melting tank can be over 2000 tons and the daily throughput can be over 1000 tons. The operating temperature inside the glass melting tank above the so-called glass bath is around 1500 °C. This temperature is determined by the composition of the mixture and is determined by the amount of molten glass required and the design-related energy losses.
Die kontinuierlich betriebene Glasschmelzwanne besteht aus zwei Teilbereichen, der Schmelzwanne und der Arbeitswanne. Diese sind durch einen Durchlass oder eine Einschnürung getrennt. In der Schmelzwanne wird das aufgegebene Gemenge geschmolzen und geläutert. Die Schmelze gelangt dann durch den Durchlass in die Arbeitswanne und von dort in den Feeder (Vorherd). Bei der Hohlglasfertigung (Hohlglas) wird die darunter stehende Glasmaschine mit Glastropfen beschickt. Bei der Flachglasfertigung (Floatglas) wird das Glas an speziellen breiten Ausläufen als Glasband über ein sogenanntes Floatbad aus flüssigen Zinn bei Flachglas ohne Struktur: z. B. Fensterglas, Autoglas oder bei Flachglas mit Struktur über eine profilierte Walze geführt. Darüber hinaus werden Glasschmelzwannen auch zur Herstellung von Mineralwolle verwendet. Glasschmelzwannen werden zur Steigerung der Energieeffizienz mit einer Abgaswärmerückgewinnung betrieben.The continuously operated glass melting tank consists of two sections, the melting tank and the working tank. These are separated by a passage or a constriction. The feed mixture is melted and refined in the melting tank. The melt then passes through the passage into the work tank and from there into the feeder (forehearth). During hollow glass production (hollow glass), the glass machine underneath is fed with glass drops. In flat glass production (float glass), the glass is passed through special wide outlets as a glass ribbon over a so-called float bath made of liquid tin for flat glass without structure: e.g. B. window glass, car glass or flat glass with a structure over a profiled roller. In addition, glass melting tanks are also used to produce mineral wool. Glass melting tanks are operated with waste gas heat recovery to increase energy efficiency.
Die Glasschmelzwannen sind aus feuerfesten Materialien erstellt und bestehen aus den Verbindungen Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiO2), Magnesia (MgO), Zirkonoxid (ZrO2) sowie aus Kombinationen davon zur Erzeugung der notwendigen feuerfesten keramischen Werkstoffe. Glasschmelzwannen und Verfahren zum Schmelzen von Glas sind unter anderem aus
Als Wärmequelle dienen für den Betrieb der Glasschmelzwanne üblicherweise Erdgas, Schwer- und Leichtöl sowie elektrischer Strom, der mittels Elektroden direkt in das Glasbad eingespeist wird. Das Heizen mit fossilen Brennstoffen wird oft mit einer elektrischen Zusatzheizung kombiniert. Allerdings entstehen bei der Verbrennung von Erdgas große Mengen CO2.The heat source used to operate the glass melting tank is usually natural gas, heavy and light oil, as well as electrical power, which is fed directly into the glass bath using electrodes. Heating with fossil fuels is often combined with additional electric heating. However, burning natural gas produces large amounts of CO 2 .
Ausgelöst durch die Klimadiskussion sind mittlerweile mehrere Entwicklungen und Forschungsvorhaben gestartet worden, um das klimaschädliche CO2 bei der Produktion deutlich zu reduzieren. Die Glasschmelzwanne soll mit 80 % Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden und soll eine Reduzierung des CO2 um 50 % ermöglichen. Das wird beschrieben in „Die Schmelzwanne der Zukunft: Behälterglasindustrie auf dem Weg zu 50 % CO2-Reduktion“, Aktionsforum Glasverpackung, 16.03.2020 (https://www.glasaktuell.de/presse/presseinformation/news/die-schmelzwanne-der-zukunft-behaelterglasindustrie-auf-dem-weg-zu-50-prozent-co2-reduktion, aufgerufen am 27.04.2022).Triggered by the climate discussion, several developments and research projects have now been launched to significantly reduce climate-damaging CO 2 during production. The glass melting tank is to be operated with 80% electricity from renewable energies and is intended to enable a reduction in CO 2 by 50%. This is described in “The melting tank of the future: Container glass industry on the way to a 50% CO 2 reduction”, Action Forum Glass Packaging, March 16, 2020 (https://www.glasaktuell.de/presse/presseinformation/news/die- Schmelzwanne- the future container glass industry on the way to a 50 percent CO2 reduction, accessed on April 27, 2022).
Es wurde erfolgreich versucht, Glasschmelzwannen alternativ mit sogenanntem grünen Wasserstoff zu beheizen. Das wird beschrieben in „Glasherstellung mit Grünem Wasserstoff erstmals erfolgreich getestet“, 30.03.2021 (https://www.kopernikus-projekte.de/aktuelles/news/glasherstellung_mit_guenem_wasserstoff_erstmalig_erfolgreich_ getestet, aufgerufen am 27.04.2022).Successful attempts have been made to alternatively heat glass melting tanks with so-called green hydrogen. This is described in “Glass production with green hydrogen successfully tested for the first time”, March 30, 2021 (https://www.kopernikus-projekte.de/aktuelles/news/glasproduktion_mit_guenem_wasserstoff_erstmalig_gewinnreich_tested, accessed on April 27, 2022).
Wasserstoff reagiert mit Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion zu Wasser:
Da keine kohlenstoffhaltige Verbindung verbrannt wird, entsteht auch kein CO2. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht lediglich Wasserdampf.Since no carbon-containing compound is burned, no CO 2 is produced. When hydrogen is burned, only water vapor is produced.
Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, reagiert mit dem Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion zu CO2 und H2O:
Da Methan pro Molekül ein Kohlenstoffatom enthält, entsteht neben Wasser auch noch CO2. Kohlenstoff wird bei der Verbrennung zu CO2 und Wasserstoff zu Wasser umgesetzt.Since methane contains one carbon atom per molecule, CO 2 is produced in addition to water. During combustion, carbon is converted into CO 2 and hydrogen is converted into water.
Wasserstoff wird heute hauptsächlich durch Dampfreformierung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen wie Erdgas, welches hauptsächlich aus Methan besteht, hergestellt (sogenanntes steam methane reforming - SMR). Dabei wird das Methan mit Dampf zu einer als Synthesegas bekannten Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxide und Kohlendioxid umgesetzt. Anschließend wird das Kohlenmonoxid zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute üblicherweise durch eine sogenannte Wassergas-Shift zu CO2 und H2 umgesetzt. Der Wasserstoff wird anschließend von den übrigen Produktgasen durch Druckwechseladsorption abgetrennt und dadurch in Reinform erhalten.Today, hydrogen is mainly produced through steam reforming of carbon-containing feedstocks such as natural gas, which mainly consists of methane (so-called steam methane reforming - SMR). The methane is converted with steam to form a mixture of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide known as synthesis gas. The carbon monoxide is then converted to CO 2 and H 2 by a so-called water gas shift to increase the hydrogen yield. The hydrogen is then separated from the remaining product gases separated by pressure swing adsorption and thus preserved in pure form.
Die Dampfreformierung wird bei Temperaturen von circa 800 °C bis 900 °C durchgeführt. Dies eröffnet die Möglichkeit, sowohl die in den Verbrennungsgasen der Brenner als auch die im heißen Synthesegas vorhandene Prozesswärme zur Erzeugung von Exportdampf zu nutzen, da nur ein Teil dieser Wärme prozessintern, beispielsweise zur internen Dampferzeugung und Vorheizung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials genutzt wird. Dies erfolgt bei der Abkühlung der Verbrennungsgase und des Synthesegases, wobei Wasser in Dampf umgewandelt.Steam reforming is carried out at temperatures of around 800 °C to 900 °C. This opens up the possibility of using both the process heat present in the burner combustion gases and the hot synthesis gas to generate export steam, since only part of this heat is used internally in the process, for example for internal steam generation and preheating of the carbon-containing starting material. This occurs when the combustion gases and synthesis gas are cooled, converting water into steam.
Wasserstoff kann auch durch Elektrolyse von Wasser, vorzugsweise mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen, hergestellt werden.
Die sogenannte Hochtemperaturelektrolyse ist wirtschaftlicher als die Elektrolyse bei Raumtemperatur, da ein Teil, der für die Spaltung von Wasserstoff und Sauerstoff benötigten Energie in Form von Wärme bereitgestellt wird. Die Hochtemperaturelektrolyse löst das Problem der direkten CO2-Emissionen, indem das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial durch Wasser und/oder Dampf ersetzt wird. Das Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Hochtemperaturelektrolyse von Wasser ist in
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zum Schmelzen von Glas und eine umweltfreundlich betriebene Glasschmelzwanne bereitzustellen, wobei Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne erzeugt wird und der erzeugte Wasserstoff möglichst der prozessinternen Verwertung zugeführt wird.The object of the present invention is to provide an economical and environmentally friendly method for melting glass and an environmentally friendly operated glass melting tank, whereby hydrogen is generated from the exhaust gas and from the water vapor atmosphere above a hydrogen-operated glass melting tank and the hydrogen produced is, if possible, used internally in the process recycling is supplied.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bereit.The object according to the invention is solved by the features of the independent claims. The dependent claims provide preferred embodiments of the invention.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere gelöst, durch ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne durch Hochtemperaturelektrolyse, wobei
- a) Wasserdampf aus Wasserstoff als Ausgangsmaterial erzeugt wird,
- b) der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf als Edukt in eine Hochtemperaturelektrolyse zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts eingeführt wird, wobei das Elektrolyseprodukt Wasserstoff und Sauerstoff umfasst und
- c) Wasserstoff aus dem in Schritt (a) erhaltenen Wasserdampf und aus dem in Schritt (b) erhaltenen Elektrolyseprodukt abgetrennt wird.
- a) water vapor is generated from hydrogen as the starting material,
- b) the water vapor generated in step (a) is introduced as a starting material into a high-temperature electrolysis to produce an electrolysis product, the electrolysis product comprising hydrogen and oxygen and
- c) hydrogen is separated from the water vapor obtained in step (a) and from the electrolysis product obtained in step (b).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Glasschmelzwanne mit Wasserstoff betrieben. Als Abgas wird bei der Verbrennung mit Wasserstoff überwiegend Wasser entwickelt.In the process according to the invention, the glass melting tank is operated with hydrogen. When combustion with hydrogen, the exhaust gas produced is predominantly water.
Erfindungsgemäß wird der gemäß Schritt (a) erzeugte Wasserdampf gemäß Schritt (b) als Edukt in der Hochtemperaturelektrolyse zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts genutzt, wobei das Elektrolyseprodukt auch Sauerstoff umfasst. Der gemäß Schritt (a) erzeugte Wasserdampf wird dabei unmittelbar als dampfförmiges Edukt (Wasserdampf) oder in verflüssigter Form als Wasser bei entsprechendem Druck in der Hochtemperaturelektrolyse verwendet. Der Begriff „Hochtemperaturelektrolyse“ umfasst Elektrolyseverfahren, die bei Temperaturen von vorzugsweise 100 °C bis 850 °C durchgeführt werden. Die Hochtemperaturelektrolyse gemäß Schritt (b) wird entsprechend vorzugsweise bei 100 °C bis 850 °C durchgeführt. Höhere Temperaturen, die deutlich unterhalb der Thermolyse-Temperatur von Wasser liegen, sind dabei ebenfalls möglich. Insbesondere kann die Hochtemperaturelektrolyse bei Temperaturen von bis zu 900 °C, oder 1000 °C, oder 1100 °C, oder 1200 °C durchgeführt werden. Weiter bevorzugt wird die Hochtemperaturelektrolyse bei einer Prozesstemperatur von mindestens 500 °C durchgeführt.According to the invention, the water vapor generated in step (a) is used in step (b) as a starting material in high-temperature electrolysis to produce an electrolysis product, the electrolysis product also comprising oxygen. The water vapor generated in step (a) is used directly as a vaporous starting material (steam) or in liquefied form as water at the appropriate pressure in high-temperature electrolysis. The term “high-temperature electrolysis” includes electrolysis processes that are carried out at temperatures of preferably 100 °C to 850 °C. The high-temperature electrolysis according to step (b) is preferably carried out at 100 ° C to 850 ° C. Higher temperatures, which are significantly below the thermolysis temperature of water, are also possible. In particular, the high-temperature electrolysis can be carried out at temperatures of up to 900 °C, or 1000 °C, or 1100 °C, or 1200 °C. More preferably, the high-temperature electrolysis is carried out at a process temperature of at least 500 ° C.
In der Hochtemperaturelektrolyse wird der gebildete und als Edukt verwendete Wasserdampf durch Zufuhr von Elektrizität, also elektrischen Strom, insbesondere elektrischen Gleichstrom, zu den Elektrolyseproduktgasen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Gegebenenfalls sind für die Durchführung der Hochtemperaturelektrolyse zusätzlich zum Edukt Wasserdampf weitere Hilfsstoffe erforderlich, wie beispielsweise Elektrolyte oder organische Lösungsmittel.In high-temperature electrolysis, the water vapor formed and used as starting material is split into the electrolysis product gases hydrogen and oxygen by supplying electricity, i.e. electric current, in particular electric direct current. To carry out the high-temperature electrolysis, other auxiliary materials may be required in addition to the starting material, water vapor, such as electrolytes or organic solvents.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wasserstoff ausschließlich durch Hochtemperaturelektrolyse und nicht zusätzlich wie bei der Verbrennung von Synthesegas auch durch Dampfreformierung produziert.In the process according to the invention, hydrogen is produced exclusively through high-temperature electrolysis and not additionally through steam reforming, as is the case with the combustion of synthesis gas.
Die Hochtemperaturelektrolyse ist wirtschaftlicher als die herkömmliche Wasserelektrolyse bei Raumtemperatur, weil ein Teil der Energie in Form von Wärme geliefert wird, die billiger als elektrische Energie ist. Die Elektrolysereaktion ist bei höheren Temperaturen effizienter. Ab 2500 °C ist keine elektrische Zufuhr erforderlich, da Wasser in der Thermolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff zerfällt. Solche hohen Temperaturen sind in der Hochtemperaturelektrolyse nicht anwendbar. Aktuelle Hochtemperaturelektrolysen arbeiten zwischen 100 °C und 850 °C, wie es beschrieben ist in „Hydrogen production via solid electrolytic routes“, Sukhvinder P.S. Badwal, et al, 26. September 2012 (https://doi.org/10.1002/wene.50).High-temperature electrolysis is more economical than traditional room temperature water electrolysis because part of the energy is supplied in the form of heat, which is cheaper than electrical energy. The electrolysis reaction is at higher temperatures more efficient. Above 2500 °C no electrical supply is required because water breaks down into hydrogen and oxygen during thermolysis. Such high temperatures are not applicable in high-temperature electrolysis. Current high-temperature electrolysis operates between 100 °C and 850 °C, as described in “Hydrogen production via solid electrolytic routes”, Sukhvinder PS Badwal, et al, September 26, 2012 (https://doi.org/10.1002/wene. 50).
Die Effizienzsteigerung der Hochtemperaturelektrolyse lässt sich dadurch erkennen, dass die elektrische Energie aus einer Wärmekraftmaschine unter Berücksichtigung der Menge an Wärmeenergie stammt, die zur Gewinnung von 1 kg Wasserstoff (141,86 MJ) in der Hochtemperaturelektrolyse und der elektrischen Energie erforderlich ist. Bei 100 °C sind 350 MJ Wärmeenergie benötigt (41 % Wirkungsgrad). Bei 850 °C sind 225 MJ erforderlich (64 % Wirkungsgrad). Stand 2018 beträgt der erreichte Wirkungsgrad bezogen auf den oberen Heizwert im Median 82 %, maximal etwa 91 %, wie es beschrieben ist in „
Wirkungsgerade von heute eingesetzten Niedertemperaturelektrolyseuren (PEM oder Alkali) liegen bei 60 % bis 75 %, bedürfen hierzu allerdings Strom, der im Zweifel in einer Glasproduktion allerdings zugekauft werden muss. Des Weiteren verringert sich der Wirkungsgrad solcher Anlagen mit etwa 2 % pro Betriebsjahr.The efficiency of the low-temperature electrolyzers used today (PEM or alkali) is 60% to 75%, but they require electricity, which in case of doubt has to be purchased in glass production. Furthermore, the efficiency of such systems decreases by around 2% per year of operation.
Bevorzugt werden hochtemperaturbeständige Elektroden in den Abgasstrom oder am Gewölbe der Glaswanne eingebaut, um aus dem aus der Wasserstoffverbrennung entstehenden Wasserdampf wiederum Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen und diese getrennt wieder dem Verbrennungsprozess zuzuführen. Damit werden sehr gute Ergebnisse bei der Wasserstofferzeugung erzielt. Parallel oder alternativ wird nicht umgesetzter Wasserdampf unter Gewinnung von Strom kondensiert und das Wasser einem externen Prozess zugeführt.High-temperature-resistant electrodes are preferably installed in the exhaust gas stream or on the vault of the glass tank in order to generate hydrogen and oxygen from the water vapor resulting from hydrogen combustion and to feed them separately back into the combustion process. This achieves very good results in hydrogen production. In parallel or alternatively, unreacted water vapor is condensed to generate electricity and the water is fed to an external process.
Elektroden und Elektrolyte für die Wasserstoffextraktion bestehen gewöhnlich, aber nicht ausschließlich aus Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) Elektrolyte und Nickel-Cermet Dampf-/Wasserstoffelektroden. Für die Sauerstoffextraktion kommen üblicherweise Elektroden bestehend aus Lanthan-, Strontium- und Cobalt- Mischoxiden zum Einsatz. Alternativ kommen auch Elektroden aus Platin, Iridium zum Einsatz. Diese Elektroden sind bei der Wasserstofferzeugung sehr vorteilhaft.Electrodes and electrolytes for hydrogen extraction usually, but not exclusively, consist of yttria (Y 2 O 3 ), stabilized zirconia (ZrO 2 ), YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) electrolytes and nickel-cermet vapor/hydrogen electrodes. Electrodes consisting of lanthanum, strontium and cobalt mixed oxides are usually used for oxygen extraction. Alternatively, electrodes made of platinum and iridium are also used. These electrodes are very advantageous in producing hydrogen.
Der höhere Wirkungsgrad von bis zu 91 % der Hochtemperaturelektrolyse ermöglicht bei einer Glaswanne im Dauerbetrieb eine günstigere Produktion und reduziert den Bedarf an extern zugeführten Sauerstoff und Wasserstoff.The higher efficiency of up to 91% of high-temperature electrolysis enables cheaper production in a glass tank in continuous operation and reduces the need for externally supplied oxygen and hydrogen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Energieausbeute und -effizienz von H2 und H2/O2 betriebenen Glaswannen deutlich erhöht.The process according to the invention significantly increases the energy yield and efficiency of H 2 and H 2 /O 2 operated glass tanks.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird reiner oder im Wesentlichen reiner Wasserdampf als Edukt für die Hochtemperaturelektrolyse verwendet. Als Elektrolyseprodukt ergibt sich in diesem Fall eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Der an der Kathode des Hochtemperaturelektrolyseurs erzeugte Wasserstoff wird durch einen Separator vom an der Anode erzeugten Sauerstoff getrennt. Der an der Anode erzeugte Sauerstoff kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden.In the process according to the invention, pure or essentially pure water vapor is used as starting material for high-temperature electrolysis. In this case, the electrolysis product is a mixture of hydrogen and oxygen. The hydrogen produced at the cathode of the high-temperature electrolyzer is separated from the oxygen produced at the anode by a separator. The oxygen generated at the anode can be used for further purposes.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Wasserstoff aus der Hochtemperaturelektrolyse abgezogen und zum Betreiben der Glasschmelzwanne zurückgeführt. Das ist ökonomisch und ökologisch sehr vorteilhaft.According to a preferred embodiment of the invention, the hydrogen is withdrawn from the high-temperature electrolysis and recycled to operate the glass melting tank. This is economically and ecologically very advantageous.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erzeugte Wasserdampf für die Erzeugung von Elektrizität genutzt. Die erzeugte Elektrizität wird für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse genutzt.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the steam generated is used to generate electricity. The electricity generated is used to produce the electrolysis product in high-temperature electrolysis.
Der erzeugte Wasserdampf kann teilweise für die Erzeugung der für die Hochtemperaturelektrolyse erforderlichen Elektrizität genutzt werden, indem die im Wasserdampf enthaltene kinetische Energie und Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der erzeugte Wasserdampf kann einer Wasserdampfturbine zugeführt und die Elektrizität durch einen der Wasserdampfturbine nachgeschalteten Generator erzeugt werden. Dadurch muss weniger Elektrizität, also elektrischer Strom, aus externen Quellen für die Hochtemperaturelektrolyse importiert werden. Ferner kann das Verfahren dadurch in vorteilhafter Weise so ausgelegt werden, dass keine externe Energiequelle für den Import von Elektrizität erforderlich ist.The water vapor produced can be partially used to generate the electricity required for high-temperature electrolysis by converting the kinetic energy and thermal energy contained in the water vapor into electrical energy. The steam generated can be fed to a steam turbine and the electricity can be generated by a generator connected downstream of the steam turbine. This means that less electricity, i.e. electrical current, has to be imported from external sources for high-temperature electrolysis. Furthermore, the method can be advantageously designed in such a way that no external energy source is required for importing electricity.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Teil des Wasserdampfs aus der Wasserdampfturbine abgezogen und als Edukt der Hochtemperaturelektrolyse zugeführt werden.In another embodiment of the method according to the invention, part of the steam can be withdrawn from the steam turbine and fed to the high-temperature electrolysis as starting material.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse eine externe Elektrizitätsquelle genutzt werden. In diesem Fall wird der für den Schritt der Hochtemperaturelektrolyse benötigte elektrische Strom zumindest teilweise aus einer externen Elektrizitätsquelle importiert.In another embodiment of the method according to the invention, an external source of electricity can be used to produce the electrolysis product in high-temperature electrolysis. In this case, the electric power required for the high-temperature electrolysis step is at least partially imported from an external electricity source.
In einem bevorzugten Beispiel stellt die externe Elektrizitätsquelle Elektrizität aus einer erneuerbaren Energiequelle bereit. Insbesondere in dem Fall, dass vornehmlich oder ausschließlich Elektrizität aus regenerierbaren Energiequellen für die Hochtemperaturelektrolyse zur Verfügung steht, ist es sinnvoll den erzeugten Wasserdampf ausschließlich als Edukt Wasserdampf für die Hochtemperaturelektrolyse zu nutzen.In a preferred example, the external electricity source provides electricity from a renewable energy source. Particularly in the case that electricity from renewable energy sources is primarily or exclusively available for high-temperature electrolysis, it makes sense to use the water vapor generated exclusively as the starting material for high-temperature electrolysis.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiter gelöst durch eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne durch Hochtemperaturelektrolyse, wobei die Anlage folgende miteinander stehende Anlagenkomponenten aufweist:
- a) Eine mit Wasserstoff betriebene Glasschmelzwanne zur Erzeugung von Wasserdampf,
- b) einen Hochtemperatur-Elektrolyseur zur Erzeugung eines Wasserstoff und Sauerstoff aufweisenden Elektrolyseprodukts aus durch die Glasschmelzwanne erzeugtem Wasserdampf als Edukt und
- c) eine Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff aus mittels des Hochtemperatur-Elektrolyseurs erzeugten Elektrolyseprodukts.
- a) A glass melting tank powered by hydrogen to generate water vapor,
- b) a high-temperature electrolyzer for producing an electrolysis product containing hydrogen and oxygen from water vapor generated by the glass melting tank as starting material and
- c) a device for separating hydrogen from electrolysis product produced by the high-temperature electrolyzer.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Anlage eine Vorrichtung zu Rückführung des in Hochtemperatur-Elektrolyseur hergestellten Wasserstoffs in die die Glasschmelzwanne.According to a preferred embodiment of the invention, the system contains a device for returning the hydrogen produced in a high-temperature electrolyzer into the glass melting tank.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Anlage hochtemperaturbeständige Elektroden im Abgasstrom und am Gewölbe der Glasschmelzwanne.According to a preferred embodiment of the invention, the system contains high-temperature-resistant electrodes in the exhaust gas stream and on the vault of the glass melting tank.
Eine weitere Lösung der Aufgabe ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff und Rückführung von Wasserstoff in die Glasschmelzwanne bei der Glaserzeugung.A further solution to the problem is the use of the system according to the invention for producing hydrogen and oxygen and returning hydrogen to the glass melting tank during glass production.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar.The present invention is explained in more detail using exemplary embodiments and a drawing. The exemplary embodiments do not represent any limitation of the invention.
Die Zeichnung zeigt:
-
1 : ein Fließschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und -
2 : ein Fließschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
-
1 : a flow diagram for a method according to the invention according to a first exemplary embodiment of the invention and -
2 : a flow diagram for a method according to the invention according to a second exemplary embodiment of the invention.
In den Figuren und den folgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente mit jeweils gleichen Bezugsziffern versehen.In the figures and the following descriptions of the figures, the same elements are provided with the same reference numbers.
Ein weiterer Teil des für die Hochtemperaturelektrolyse 102 erforderlichen Stroms wird durch Strom aus einer externen Elektrizitätsquelle bereitgestellt. Bei externer Elektrizitätsquelle handelt es sich insbesondere um eine externe Stromversorgung, die vorzugsweise Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle zur Verfügung stellt, beispielsweise Strom aus Windkraft oder Sonnenkraft.Another part of the electricity required for the high-
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Wasserstoff als Brennstoff in die Glasschmelzwanne eingeleitetHydrogen is introduced into the glass melting tank as fuel
- 1a1a
-
Wasserstoff erzeugt in der Hochtemperaturelektrolyse 102Hydrogen is produced in high-
temperature electrolysis 102 - 22
- WasserdampfSteam
- 2a, 2b, 2c2a, 2b, 2c
- WasserdampfSteam
- 33
-
Wasserstoff erzeugt in der Hochtemperaturelektrolyse 102Hydrogen is produced in high-
temperature electrolysis 102 - 1010
- Elektrische StromElectrical current
- 101101
- GlasschmelzwanneGlass melting tank
- 102102
- Hochtemperaturelektrolyse / ElektrolyseurHigh temperature electrolysis/electrolyzer
- 103103
- Wasserdampfturbine und GeneratorSteam turbine and generator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- DE-OS 24 31 939 [0004]DE-OS 24 31 939 [0004]
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