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Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Aufspalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, insbesondere zur Erzeugung einer Flamme, die aus einer Brennerdüse austritt.
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Stand der Technik
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Auf Grund des stetig steigenden Energiebedarfs hat die regenerative Energieerzeugung an Bedeutung gewonnen. Zu den regenerativen Energiesystemen zählen unter anderem folgende:
- 1. Solarthermie und Photovoltaik
- 2. Windkraft
- 3. Wasserkraft
- 4. Biomasse.
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Die fossilen Energieträger haben bereits die maximale Produktionskapazität überschritten und stellen für moderne Industriegesellschaften ein ökonomisches Risiko dar. Die Energieträger sind:
- 1. Uran
- 2. Kohle
- 3. Erdöl
- 4. Erdgas
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Betrachtung der regenerativen Energieträger:
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- 1. Solarthermie und Photovoltaik entfalten ihre Wirkung ausschließlich auf der Grundlage der Sonnenintensität sowie der Tages- und Jahreszeit.
- 2. Windkraft entfaltet seinen energetischen Nutzwert unter Zustandekommen der notwendigen Wetterlage. Die Geräuschemissionen, der Flächenverbrauch sowie lange Energie-Transportwege, erfordern hohe Investitionen.
- 3. Wasserkraft ist relativ stabil und unterliegt geringen Lastwechsel.
- 4. Biomasse ist ein speicherfähiger Energieträger und entfaltet seinen Nutzwert unter Berücksichtigung von Kraft-Wärme-Kopplung.
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Nachteile der aktuellen fossilen Energieträger
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- • Für die Erkundung (Exploration) und Förderung von Gas und Öl sind hohe materielle, logistische, finanzielle und personelle Aufwendungen notwendig. Die Förderung dieser Energieträger stellt für das Personal ein gesundheitliches und für die Inhaber ein finanzielles Risiko dar. Die chemische Zusammensetzung der Energieträger, insbesondere Erdöl, bergen ein hohes Umweltgefährdungspotenzial für Fischerei, Tourismus und Lebensmittelindustrie.
- • Die Kernkraft mit ihren hohen physikalischen Leistungen ist selbst bei höchsten Sicherheitsstandards im Hinblick auf verschiedene Störfälle von einer enormen Unsicherheit sowie erheblichen Risiken geprägt. Die Entsorgung der entstanden und vorhandenen Abfälle ist weltweit nicht gelöst.
- • Die Braunkohlekraftwerke haben einen enormen Bedarf an geförderter Braunkohle, in der Regel im Tagebau Abbau. Diese Technologie geht einher mit großem Flächenverbrauch bei Landschaften, Wohngebieten und vorhandenen Infrastrukturen.
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In den meisten thermischen Kraftwerken dient Wasser als Wärmeträger und kann in den Leitungssystemen zur Wasserstoffbildung führen. Die hohen Drücke und Temperaturen erfordern einen sehr hohen Sicherheitsaufwand.
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Der hohe Energiebedarf hat weltweit zu enormen Anstrengungen zur Erforschung der Wasserstoffherstellung geführt, da diese Ressource weltweit und unbegrenzt zur Verfügung steht. Die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und Sauerstoff können bei gezielter Anwendung im Hinblick auf die Technik als sicher eingestuft werden. Die Wasserstofftechnologie ist umwelttechnisch bedenkenlos.
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Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von Wasserstoff weisen jedoch bisher verschiedene Nachteile auf. Die Elektrolyse von Wasser ist bei kleinen Mengen, die am häufigsten angewendete Produktionsmethode zur Herstellung von Wasserstoff. Große Mengen von Wasserstoff werden in sogenannten Wasserstoffkontaktöfen mit anschließender Kohlensäurewäsche hergestellt.
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Bei modernen Brennstoffzellenfahrzeugen ist bisher die Speicherung von Wasserstoff bei einem Druck von 700 bar gelungen. Auf Grund des hohen Energieaufwandes zur Herstellung von Wasserstoff wird an solarthermischen Kraftwerken gearbeitet. Die Wasserstoffproduktion ist aus umwelttechnischen Argumenten lediglich mit regenerativen Energieträgern sinnvoll.
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Um das Medium Wasserstoff in einen flüssigen, transportfähigen Zustand zu bringen, ist wiederum technischer und energetischer Aufwand zur Abkühlung nötig.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das aufspalten von Wasser in seine beiden Bestandteile, die auf einfachem Weg einer weiteren Nutzung zur Verfügung gestellt werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führt, dass überhitzte Wasserdampf durch zumindest eine Düse hoch beschleunigt der Brennerdüse zugeleitet wird, wobei in einer Mischkammer vor der Düse dem Wasserdampf anfänglich ein Zündgas zugemischt, dieses jedoch nach Erreichen der Betriebstemperatur auf ein Minimum herabgeregelt bzw. ganz abgestellt wird.
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Nähere Einzelheiten und Besonderheiten werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Es handelt sich um ein Verfahren und eine Einrichtung zur kontrolliert, geregelten, thermolytischen Kettenreaktion von Wasser im Kreislaufsystem, in mobilen, dezentralen und stationären Einrichtungen, mit dem Ziel der Erzeugung von Wärme und elektrischen Strom. Ebenso lässt sich die erzeugte Energie in energiespeicherfähigen sowie fließfähigen Medien speichern. Die erzeugte Energie ist in beweglichen Antrieben umsetzbar.
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Mit der Anwendung dieser Erfindung werden die zuvor beschriebenen Nachteile weitestgehend ausgeschlossen, ihre Vorteile werden jedoch zur maximalen Anwendung gebracht. Als Energieträger dient ganz gewöhnliches, entmineralisiertes Wasser. Der Transport bzw. die Speicherung des Wassers findet in gewöhnlichen Rohrleitungssystemen, Tanksystemen statt. Der Wasserstoff selbst wird direkt am Gebrauchsort verbrannt (oxidiert). Abgase in Form von CO2, NO, NO2 und SO2 werden hierbei komplett vermieden.
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Der Wasserstoffherstellungs- und Oxidationsort ist in der Einrichtung so positioniert, dass eine optimale energetische Auslastung gewährleistet ist.
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Mit diesem Verfahren wird ein wesentlich verbesserter, thermischer und elektrischer Wirkungsgrad gegenüber den bisherigen Verfahren erzielt.
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Grundsätzlich kann Wasser in Wasserstoff – Wasserstoff in Elektrizität – Elektrizität in Wasserstoff umgewandelt werden.
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Speicherung und Transport von Wasserstoff werden durch diese Erfindung vermieden.
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Dieses Verfahren wird in Mikroanlagen und Großanlagentechnik im industriellen Maßstab, bei denen Wärme für chemische, physikalische und biologische Prozesse notwendig ist, angewendet. Ebenso ist dieses Verfahren und die dazugehörige Einrichtung in allen thermischen Kraftwerksanwendungen einsetzbar.
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Umsetzung der Erfindung
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Bestehende thermische Kraftwerke können mit einem relativ geringen Aufwand auf diese Art von Wärmeerzeugung umgerüstet werden. Dieser geringe Aufwand beruht darauf, dass bestehende Infrastrukturen, wie Dampferzeuger, Rohrleitungssysteme, Mess-, Steuer- und Regeltechnik sowie Schaltzentralen weiterhin genutzt werden. Umgerüstet werden lediglich die Dampferzeuger auf die neue Oxidationstechnologie. Ein Verbrauch von Wasser wird bei der Anwendung dieser Technologie vermieden.
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Der bei der Oxidation von Wasserstoff resultierende hoher Wirkungsgrad entsteht aus der hohen Oxidationswärme und ist besonders interessant für Gasturbinen.
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In großen Transportmitteln, wie Schiffen ist diese Technologie auf Grund der Verfügbarkeit von Wasser ein sehr geeignetes Einsatzfeld.
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Der Einsatz von Trinkwasser ist nicht erforderlich. Gereinigtes, entmineralisiertes Oberflächenwasser erfüllt die technischen Anforderungen. Für die Speicherung von Wasser können handelsübliche Zisternen und Behälter mit geringen Ansprüchen genutzt werden.
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Weitere Anwendungsfelder im industriellen Maßstab sind die Chemie- und Pharmaindustrie, Metall- und Elektroindustrie, Lebensmittelindustrie, der Maschinenbau und Fahrzeugbau sowie die Bauindustrie.
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Die kompakte Bauweise der Einrichtung und das Kreislaufsystem des Wassers machen Verrohrungssysteme in größeren Immobilien überflüssig.
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Inselstaaten, die nur mit großem Aufwand Öl oder Gas beschaffen können, werden in die Lage gesetzt, die zu ihnen passenden Wasserstoff-Energiesysteme mit relativ geringen Kosten zu beschaffen.
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Stromübertragungsnetze können auf ein Minimum reduziert werden, da die Versorgung immer direkt vor Ort, dezentral, durchgeführt werden kann. Die Durchführbarkeit kann nach reinen ökonomischen Aspekten geprüft werden.
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In Bergregionen, zum Beispiel in den Alpen, wird die dezentrale Wärme- und Energieerzeugung gerade in den Wintermonaten durch die neue Wasserstoff-Hydroxtechnologie zu einer erheblichen Versorgungssicherheit sowie einer Kostenersparnis führen.
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Die durch Hurrikans, Taifunen und Erdbeben gefährdeten Gebiete erhalten ebenfalls eine wesentlich sichere Wärme- und Energieversorgung.
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Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist der gesamte Prozessverlauf dargestellt:
In einem Dampferzeuger 1 wird überhitzter Wasserdampf bereitgestellt und in einem geeigneten Rohrleitungssystem transportiert. Über eine automatisch dosierbare Reguliereinheit 2 wird das Medium in einen ersten Leitapparat 3 geführt, wo störende Partikel abgeschieden und das Medium in einer Düse 3.1 vorbeschleunigt sowie die Temperatur aufrecht erhalten wird. Mit 4 ist ein Ableiter gekennzeichnet.
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Das Medium betritt eine zweite Reguliereinheit 5, wo die Strömungseigenschaften dem Prozess angepasst werden. Der Wasserdampf wird einem zweiten Leitapparat 6 zugeführt, aufbereitet und durch eine Düse 6.1 beschleunigt. Gleichzeitig werden die letzten Schwebpartikel entfernt. Mit 7 ist ein weiterer Ableiter gekennzeichnet.
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Der Dampf durchströmt nun eine Düse 8.2 und tritt anschließend in eine Mischkammer 8.1 ein. Ausschließlich beim Anfahren des Systems wird hier ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas A über eine Zündgasdüse 8.3 beigemischt und einreguliert, somit entsteht ein energetisch aufbereitetes, zündfähiges Gasgemisch. Dieses wird durch eine Brennerdüse 8.5 in eine Oxidationskammer 8.7 übergeleitet. Das noch kalte Gas wird gezündet und oxidiert unter Freisetzung von Energie, wodurch die Flamme 8.6 entsteht. Die Brennerdüse (8.5) bereitet ein Flammbild vor, in dem die Thermolyse stattfindet. Die Thermolyse des Wassers wird in der Flamme (8.6) zur Auslösung gebracht. Keine festen Körper bzw. Stäube dienen der Unterstützung zur Thermolyse.
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Der Energiestrom bzw. die entstehende Wärme betritt in einem Wasserrücklauf D einen Wärmetauscher 9 und kondensiert zu Wasser in einem Aufbereiter 10. Dieses wird im Kreislauf zum Dampferzeuger 1 zurückgeführt. Ferner wird Energie über die Energieversorgung C dem Dampferzeuger 1 zugeleitet.
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Nach Erreichen der Betriebstemperatur der Oxidationskammer 8.7 wird das kohlenwasserstoffhaltige Gas auf ein Minimum herabgeregelt bzw. verschlossen. Danach bleibt die Flamme 8.6 und der gesamte Prozess stabil. Ein Rückbrand des technischen Gases in die Mischkammer 8.1 ist durch das Strömungsverhalten des Dampfes ausgeschlossen ist.
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In der Oxidationskammer 8.7 ist von innen ein wärmespeicherndes, wärmereflektierendes und wärmebeständiges Material (Wärmespeicherreflektoren) 8.8 eingearbeitet. Dieses Material hat ebenso die Eigenschaft zur Oxidation und Reduktion und bewirkt dadurch einen optimalen Wärmeeinstellpunkt für den Betrieb des so bezeichneten Hydrox-Brenners 8. Mit den variablen Wärmespeicherreflektoren (8.8) wird für die Thermolyse selbstregelnd deren optimaler Temperatur- und Druckbereich angestrebt. Der technische Dampf darf die vorgewählten Temperatur- und Druckparameter nicht unterschreiten.
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Die Herausbildung des zündfähigen Wasserstoffs entsteht erst nach Verlassen der Düse 8.5 in der Flamme 8.6. Lufteintrittsöffnungen 8.4 bzw. das eintretende Medium (B) tragen ebenfalls zur Prozessstabilität bei. Isolierkörper 8.9 optimieren die Prozesstemperatur in der Oxidationskammer 8.7 und der Wärmespeicherreflektoren 8.8.
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Die Leistungsfähigkeit der Oxidationskammer (8.7) kann durch Variationen der Wärmespeicherreflektoren 8.8 sowie der Isolierkörper 8.9 auf gewünschte Temperatur- und Leistungsbereiche angepasst werden. Diese Anpassung kann durch eine Dampfdüse 8.2 und eine Brennerdüse 8.5 erweitert werden.
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Die Oxidationskammer 8.7 ist der Ort zur Durchführung der kontrolliert – geregelten – thermolytischen Kettenreaktion von Wasser im Kreislaufsystem.
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Auf Grund der sehr guten Leistungsergebnisse kann auf die Verwendung von Festkörpern und Pulvern mit Metallcharakter verzichtet werden, wobei die Prozessstabilität und Prozesssicherheit erheblich zunehmen.
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Durch starke Erhöhung des Dampfvolumenstromes kann der Prozess schlagartig abgebrochen werden.
