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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mit einem Hochtemperatur-Elektrolyseur. An den Hochtemperatur-Elektrolyseur sind einerseits eine Zufuhrleitung zur Zuleitung von Wasserdampf und andererseits eine Abfuhrleitung zur Ausleitung von Wasserstoff in einen Tank angeschlossen. Ferner ist ein Parabolspiegel vorhanden, der eingerichtet ist, die auf seine verspiegelte Fläche auftreffenden Sonnenstrahlen in einem Brennpunkt zu fokussieren und damit die Zufuhrleitung oder ein mit der Zufuhrleitung strömungsmechanisch verbundenes Wasserreservoir zu erhitzen, um flüssiges Wasser zu verdampfen, bevor das Wasser dampfförmig dem Hochtemperatur-Elektrolyseur bereitgestellt wird.
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Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, in der mit Hilfe von elektrischem Strom eine chemische Reaktion, also eine Stoffumwandlung, herbeigeführt wird. Diesen Vorgang nennt man Elektrolyse. Die vorliegende Erfindung geht von einer Wasserelektrolyse aus, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und zwar gemäß der Reaktionsgleichungen 2H2O → 4 H+ + 4e- + O2 und 4H+ + 4e- → 2H2.
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Mehrere Anlagenhersteller bieten große Elektrolysegeräte mit einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent an. Von der Hochtemperaturelektrolyse wird gesprochen, wenn diese bei Temperaturen von über 100 Grad Celsius (°C) abläuft. Effizienter ist ein Hochtemperatur-Elektrolyseur sogar noch, wenn er bei einer Arbeitstemperatur von etwa 900 °C arbeitet. Dabei wird ein Teil der notwendigen Reaktionsenthalpie als Wärme eingekoppelt. Dies führt dazu, dass der Strombedarf für die Elektrolyse sinkt und damit der Wirkungsgrad gegenüber der wässrigen Elektrolyse steigt. Bei Hochtemperatur-Elektrolyseuren lassen sich Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent bezogen auf den Brennwert erreichen. Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff kann auch dann wieder zur Stromerzeugung oder auch zur Erzeugung von Wärme genutzt werden.
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Dieser Ansatz ist insbesondere für Immobilienbesitzer interessant, die die Absicht haben, ihre Hausenergieversorgung preisgünstig und ohne laufende Verbrauchskosten ökologisch zu gestalten. Häufig reicht die Dachfläche nicht ganz aus, damit genügend Photovoltaik-Module an ihr angebracht werden können, um eine ausreichende elektrische Energie für die Hochtemperaturelektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff bereitzustellen.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Sie hat sich nämlich zur Aufgabe gemacht, eine energieeffizientere Anordnung zur Wasserstoffgewinnung unter Nutzung von nachhaltigen Komponenten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass die Photovoltaikanlagen auf Dachflächen von Immobilienbesitzer häufig nicht ausreichen, um genügend elektrische Leistung für die Hochtemperaturelektrolyse bereitzustellen. Aus diesem Grund nutzt die vorliegende Anordnung einen Parabolspiegel, der eingerichtet ist, die auf seine verspiegelte Fläche auftreffenden Sonnenstrahlen in einem Brennpunkt zu fokussieren und damit die Zufuhrleitung zum Hochtemperatur-Elektrolyseur zu erhitzen, damit darin strömendes flüssiges Wasser verdampft wird und dampfförmig dem Hochtemperatur-Elektrolyseur bereitgestellt ist. Im Brennpunkt des Parabolspiegels ist damit also eine Art Verdampfer angeordnet, durch welchen flüssiges Wasser verdampft wird, damit dieses erhitzte dampfförmige Wasser dem Hochtemperatur-Elektrolyseur bereitgestellt werden kann. Weil das Wasser bereits mithilfe des Parabolspiegels erhitzt wurde, wird der Bedarf an elektrisch aufzubringender Energie innerhalb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs reduziert, denn er muss nun nicht erst das Wasser erhitzen und verdampfen, damit die Hochtemperaturelektrolyse effizient abläuft.
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Es hat sich der Einsatz eines Parabolspiegels als vorteilhaft erwiesen, der einen Durchmesser von zwischen 1,60 Meter (m) und 2,40 m besitzt. Je größer die verspiegelte Fläche des Parabolspiegels ist, desto mehr Wärme kann im Fokus, also im Brennpunkt, des Parabolspiegels „gesammelt“ und zur Verdampfung des flüssigen Wassers genutzt werden. Beispielsweise kann ein Spiegel mit 2,00 m Durchmesser im Fokuspunkt eine Temperatur von bis zu 1650 °C erreichen, womit flüssiges Wasser verdampft werden kann und eine Temperatur von ungefähr 900 °C besitzt. Diese Leistung wird also im Hochtemperatur-Elektrolyseur eingespart, da das Wasser nicht mehr auf eine so hohe Arbeitstemperatur erhitzt werden muss.
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Es ist bevorzugt, dass das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur austretende Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt wird. Hierzu kann beispielsweise in die Abfuhrleitung eine Turbine strömungsmechanisch eingebunden sein. Alternativ ist auch die Möglichkeit vorhanden, dass in die Abfuhrleitung strömungsmechanisch ein Dampfmotor eingebunden ist, der beispielsweise als ein 1 Kilowatt (kW)-Dampfmotor ausgestaltet ist. Aus dem Zellen-Stapel des Hochtemperatur-Elektrolyseurs tritt dabei ein Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch aus, das immer noch eine Temperatur von ungefähr 500 °C besitzt, sodass nach Carnot noch immer ein theoretisch hoher Wirkungsgrad unter Nutzung des Dampfmotors erreichbar ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Hochtemperatur-Elektrolyseur mit mindestens einer reversiblen Festoxidzelle ausgeführt und damit eingerichtet ist, mithilfe des vom Tank bereitgestellten Wasserstoffs, elektrische Energie zu erzeugen. Die Effizienz wird natürlich dadurch gesteigert, dass eine Vielzahl solcher reversibler Festoxidzellen gestapelt im Hochtemperatur-Elektrolyseur vorliegen. Somit kann also der an sonnigen Tagen gewonnene „grüne“ Wasserstoff an kalten Wintertagen wieder zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden.
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Aus diesem Grunde hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, wenn bei der Anordnung außerdem eine Photovoltaikanlage vorhanden ist, und der Hochtemperatur-Elektrolyseur elektrisch von der Photovoltaikanlage gespeist ist.
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Somit wird also die Sonnenenergie nicht nur dazu genutzt, um das flüssige Wasser zu verdampfen, bevor es dem Hochtemperatur-Elektrolyseur zugeführt wird, sondern es wird auch unter Ausnutzung des Photoeffekts elektrische Energie zur elektrischen Versorgung des Hochtemperatur-Elektrolyseurs mit der Photovoltaikanlage bereitgestellt.
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Sollte der Himmel einmal nicht klar sein, so werden unter Umständen die benötigten Temperaturen zum Verdampfen des flüssigen Wassers im Fokuspunkts des Parabolspiegels, in welchem der Verdampfer angeordnet ist, nicht mehr erreicht. Aus diesem Grund ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass in die Zufuhrleitung strömungsmechanisch ein elektrisch betriebener Überhitzer eingebunden ist. Durch den Einsatz eines solchen Überhitzers ist gewährleistet, dass der Wasserdampf am Eingang des Hochtemperatur-Elektrolyseurs stets die gleiche Temperatur besitzt, damit der Hochtemperatur-Elektrolyseur bei jeder Wetterlage effizient arbeiten kann.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Überhitzer dem Parabolspiegel und dem Hochtemperatur-Elektrolyseur strömungsmechanisch zwischengeschaltet ist, da auf diese Weise der elektrische Überhitzer mit einer geringerer elektrischer Leistung betrieben werden kann, weil ein Teil der Leistung zur Verdampfung des flüssigen Wassers durch den Parabolspiegel erbracht wird.
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Zur sicheren Speicherung des erzeugten Wasserstoffs hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in die Abfuhrleitung strömungsmechanisch eine Pumpe zur Förderung von Wasserstoff in den Tank eingebunden ist.
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Im Tank soll möglichst reiner Wasserstoff gespeichert werden, sodass es zweckmäßig ist, wenn in die Abfuhrleitung strömungsmechanisch ein erster Kondensator zur Abscheidung von flüssigem Wasser aus dem Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch eingebunden ist.
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Gekühlter Wasserstoff lässt sich in größerer Menge im Tank speichern. Deshalb ist es bevorzugt, dass in die Abfuhrleitung strömungsmechanisch stromauf des Tanks ein erster Wärmetauscher zur Kühlung des Wasserstoffs eingebunden ist.
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Zur Realisierung eines Clausius-Rankine-Prozesses bei der Stromerzeugung mit einem Dampfmotor, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in die Abfuhrleitung strömungsmechanisch ein zweiter Wärmetauscher zur Kühlung des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches eingebunden ist.
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Der erste Kondensator und/oder der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher können von einem Teil einer Kühlmittelleitung durchdrungen sein, wobei die Kühlmittelleitung von einer Kühlmittelversorgung mit Kühlmittel gespeist ist. Dies steigert die Effizienz des Kondensators oder der Wärmetauscher.
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Um die Komplexität der Anordnung zu reduzieren, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der erste Kondensator, der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher von einer einzigen Kühlmittelversorgung mit Kühlmittel gespeist sind.
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Da stromab eines Dampfmotors immer noch sehr hohe Temperaturen vorliegen können, ist es bevorzugt, wenn die Kühlmittelleitung auch durch den Dampfmotor geführt ist, wenn stromab des Dampfmotors ein zweiter Kondensator vorliegt, und wenn die Kühlmittelleitung ebenfalls durch den zweiten Kondensator geführt ist.
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Mit der Anordnung lässt sich das Ziel einer Gewinnung von 1,5 Kilogramm (kg) Wasserstoff pro Sonnentag erreichen. Um genau die dafür erforderliche Wassermenge zu verdampfen, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn in die Zufuhrleitung stromauf des Parabolspiegels eine Dosierpumpe strömungsmechanisch eingebunden ist.
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Um zu vermeiden, dass das verdampfte Wasser in der Zufuhrleitung wieder zu schnell abkühlt, wird der Parabolspiegel üblicherweise unmittelbar am Hochtemperatur-Elektrolyseur-Stapel angedockt und geeignet isoliert. Der Parabolspiegel besitzt vorzugsweise eine automatische Nachführung, sodass er sich automatisiert zur Sonne ausgerichtet. Außerdem kann der Parabolspiegel mit einem Lamellenaufsatz zur blendfreien Nutzung im Alltag versehen sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert, wobei das dargestellte Beispiel lediglich exemplarischen Charakter hat und keine Einschränkung hinsichtlich der Tragweite der beschriebenen Erfindung darstellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Illustration einer Anordnung zur Gewinndung von Wasserstoff aus Wasser.
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In 1 ist eine Anordnung 100 zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser gezeigt, die einen Stapel aus mehreren Festoxidzellen zeigt, die reversibel sind und damit einen reversiblen Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 bilden. An diesen Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 ist eine Zufuhrleitung 104 zur Zuleitung von Wasserdampf angeschlossen. Es wird dabei aber zunächst flüssiges Wasser über die Zufuhrleitung 104 bereitgestellt, das mittels einer Dosierpumpe 130 dosiert in einen Verdampfer eines Parabolspiegels 110 gegeben wird. Der Parabolspiegel 110 ist dabei eingerichtet, die auf seine verspiegelte Fläche auftreffenden Sonnenstrahlen in einem Brennpunkt zu fokussieren und damit den Verdampfer, die Zufuhrleitung 104 oder auch ein mit der Zufuhrleitung 104 strömungsmechanisch verbundenes Wasserreservoir, zu erhitzen, um flüssiges Wasser zu verdampfen.
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Dieses verdampfte Wasser wird über die Zufuhrleitung 104 dann dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 für die Hochtemperaturelektrolyse zugeleitet. In die Zufuhrleitung 104 ist außerdem ein elektrischer Überhitzer 114 strömungsmechanisch eingebunden, der zwischen dem Parabolspiegel 110 und dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 angeordnet ist. Dieser elektrische Überhitzer 114 gewährleistet, dass auch an nicht-sonnigen Tagen die nötige Temperatur des Wasserdampfs eingestellt werden kann, bevor der Wasserdampf dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 bereitstellt wird.
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Unter Aufnahme von elektrischer Leistung (illustriert durch den Blockpfeil 140) läuft im Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 die Hochtemperaturelektrolyse ab. Dabei werden Wasserstoff und Sauerstoff unter Aufnahme von elektrischer Energie gespalten.
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An den Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 ist außerdem eine Abfuhrleitung 106 zur Ausleitung von Wasserstoff in einen Tank 108 angeschlossen. Vorliegend ist zur Abwärmenutzung in diese Abfuhrleitung 106 strömungsmechanisch ein Dampfmotor 112 eingebunden, der ebenfalls elektrische Leistung aus dem Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisch gewinnt (illustriert durch den Blockpfeil 142). Zur Realisierung eines Clausius-Rankine-Prozesses bei der Stromgewinnung liegen außerdem Wärmetauscher 120, 122 in Form von Rekuperatoren vor.
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Das aus dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 austretende Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf wird in dem zweiten Wärmetauscher 122 gekühlt, bevor es in einen ersten Kondensator 118 gelangt, wo das flüssige Wasser aus dem Gemisch abgeschieden wird, sodass stromab des ersten Kondensator 118 nahezu nur noch Wasserstoff vorliegt. Dieser Wasserstoff wird mithilfe von einer in die Abfuhrleitung 106 eingebundenen Pumpe 116 in den Speicher, mithin in den Tank 108, gefördert. Um dabei den Wasserstoff zusätzlich herunter zu kühlen, liegt außerdem der erste Wärmetauscher 120 stromauf des Tanks 108 vor. Dieser erste Wärmetauscher 120 ist von einer Kühlmittelleitung 124 durchdrungen, die mit einer Kühlmittelversorgung 126 strömungsmechanisch verbunden ist.
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Die Kühlmittelleitung 124 verzweigt stromab des ersten Wärmetauschers 120 einerseits zum ersten Kondensator 118, um darin das Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch zu kühlen und damit flüssiges Wasser abzuscheiden, das über eine Auslassleitung 144 abgegeben wird. Stromab des ersten Kondensators 118 setzt sich die Kühlmittelleitung 124 fort und kann dabei auch ein Kühlmittelkreislauf bilden, oder als Warmwasser im Haus genutzt werden.
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Die Kühlmittelleitung 124 verzweigt stromab des ersten Wärmetauschers 120 andererseits zum zweiten Wärmetauscher 122. Stromab des zweiten Wärmetauschers 122 durchläuft die Kühlmittelleitung außerdem den Dampfmotor 112 und anschließend einen zweiten Kondensator 128, um auch dort flüssiges, warmes Wasser abzuschneiden und gegebenenfalls als Warmwasser im Haus nutzen zu können.
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Da der Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 mit reversiblen Festoxidzellen ausgeführt ist, kann dieser auch im Rahmen einer Brennstoffzellenreaktion Strom erzeugen und selbst Wärme liefern. Hierfür ist eine Frischluftleitung 146 vorhanden, in die ein Verdichter 138 zur Förderung von Frischluft eingebunden ist. Dem Verdichter 138 und dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 sind ein dritter Wärmetauscher 136 in Form eines Rekuperators zwischengeschaltet, um die Frischluft vor zu konditionieren. Vorliegend wird die vom Verdichter 138 geförderte Frischluft vortemperiert durch die Abluft, die durch die Abluftleitung 134 des Hochtemperatur-Elektrolyseurs 102 strömt; hierfür ist die Abluftleitung 134 durch den dritten Wärmetauscher 136 geführt. Es ist außerdem die Möglichkeit vorhanden, dass ein zusätzlicher elektrischer Heizer 132 dem Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 zugeordnet ist, um den Hochtemperatur-Elektrolyseur 102 insbesondere beim Anfahren vorzuheizen, oder auf der nötigten Temperatur zu halten, die für einen effizienten Betrieb des Hochtemperatur-Elektrolyseurs 102 vonnöten ist.
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Mit der vorliegend beschriebenen Anordnung 100 lässt sich ein integriertes Versorgungszentrum zur autarken Versorgung von Gebäuden mit Strom und Wärme realisieren. Die Anlage nutzt dazu eine Wasserstoff-HochtemperaturElektrolyse, Spiegel-Parabol-Reflektoren und den Dampfmotor 112. Die Anordnung 100 ist besonders geeignet, um effizient Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Umgekehrt kann aber auch der gewonnene Wasserstoff zur Stromgewinnung und Wärmegewinnung an Wintertagen genutzt werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100
- Anordnung
- 102
- Hochtemperatur-Elektrolyseur
- 104
- Zufuhrleitung
- 106
- Abfuhrleitung
- 108
- Tank
- 110
- Parabolspiegel
- 112
- Dampfmotor
- 114
- Überhitzer
- 116
- Pumpe
- 118
- erster Kondensator
- 120
- erster Wärmetauscher
- 122
- zweiter Wärmetauscher
- 124
- Kühlmittelleitung
- 126
- Kühlmittelversorgung / Kühlmittelquelle / Kühlmittelkreislauf
- 128
- zweiter Kondensator
- 130
- Dosierpumpe
- 132
- Heizer (elektrisch)
- 134
- Abluftleitung
- 136
- dritter Wärmetauscher
- 138
- Verdichter
- 140
- elektrische Leistung (ein) / Aufnahme elektrischer Leistung
- 142
- elektrische Leistung (aus) / Abgabe elektrischer Leistung
- 144
- Auslassleitung
- 146
- Frischluftleitung
