DE2810913A1 - Solar energy used to form hydrogen - having electrical cell energised by solar radiation used to electrolyse water to form and store hydrogen - Google Patents

Solar energy used to form hydrogen - having electrical cell energised by solar radiation used to electrolyse water to form and store hydrogen

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Abstract

Hydrogen is formed by the use of a solar generator coupled to a system for the electrolysis of water. The energy released in the solar generator is used for the simultaneous degradation of water to H2 and O2. The H2 so produced is stored and can be used as a primary energy source. The system can be mounted on an artificial, unsinkable floating island. The generator can be a photovoltaic solar cell battery. Used for recovering and storing solar energy. Provides an economic alternative to fossil fuel sources.

Description

Anlage und Verfahren zur Gewinnung von WasserstoffPlant and process for the production of hydrogen

Die Anmeldung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff.The application relates to a plant and a method for generating it of hydrogen.

Es sind bereits vielfältige Verfahren zur technischen Nutzung von Sonnenenergie bekannt. Sie reichen von der Erzeugung warmen Brauchwassers mit Hilfe von Sonnenstrahlung etwa für Heizungszwecke über die Erzeugung elektrischer Energie in Wärmekraftmaschinen oder fotovoltaischen Generatoren bis hin zu Bio-Synthese-Anlagen.There are already diverse processes for the technical use of Known solar energy. They range from the production of hot domestic water with the help solar radiation, for example for heating purposes, through the generation of electrical energy in heat engines or photovoltaic generators up to bio-synthesis systems.

Allen bekannten Verfahren zur Nutzung der Sonnenenergie ist gemeinsam, daß sie im Prinzip keine generelle Alternative zu fossilen Energieträgern oder zur Kernenergie bilden. Sie können die Nutzung der Sonnenenergie nur als Ergänzung zu den anderen Energieträgern anbieten.All known methods of using solar energy have in common that they are in principle no general alternative to fossil fuels or to Form nuclear energy. You can use solar energy only as a supplement to it offer to the other energy sources.

Dies liegt einerseits an dem Problem der Speicherung von Sonnenenergie und andererseits auch daran, daß die Sonnenenergie auf der Erdoberfläche nur in der relativ 2 verdünnten Form von maximal 1 Kilowatt pro In anfällt.On the one hand, this is due to the problem of storing solar energy and on the other hand because the solar energy on the earth's surface only in the relatively 2 thinned form of a maximum of 1 kilowatt per inch.

Bei vielen Anwendungen, wie z. B. bei Prozeßwärmen oder mechanischen Bewegungungen benötigt man jedoch viel höhere Leistungsdichten. Fossile Brennstoffe oder Kernenergie sind daher in solchen Fällen durch die Sonnenenergie nicht zu ersetzen.In many applications, such as B. with process heating or mechanical Movements, however, require much higher power densities. Fossil fuels or nuclear energy cannot be replaced by solar energy in such cases.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Weg zur Nutzung der Sonnenenergie als generelle Alternative auch für fossile Brennstoffe und Kernenergie zu beschreiben und einen ökonomischen Weg zur großtechnischen Nutzung von Sonnenenergie aufzuzeigen.The present invention has set itself the task of providing a way to use solar energy as a general alternative for fossil fuels and to describe nuclear energy and an economic route to large-scale use of solar energy.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff vorgeschlagen, daß ein Solar-Generator mit einer Anordnung zur Zersetzung von Wasser derart gekoppelt ist, daß die jeweils vom Solar-Generator abgegebene Energie simultan zur Zersetzung von Wasser verwendbar ist, daß ferner Mittel zur Aufnahme und Sammlung des durch die Zersetzung des Wassers erzeugten Wasserstoffs vorgesehen sind, so dass eine kontinuierliche und automatische Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff als Primär-Energieträger möglich ist.To solve this problem is in a plant for the production of Hydrogen proposed that a solar generator with an arrangement for decomposition of water is coupled in such a way that each output from the solar generator Energy can be used simultaneously for the decomposition of water, that also means for Absorption and collection of the hydrogen produced by the decomposition of the water are provided so that continuous and automatic generation and storage of hydrogen as a primary energy carrier is possible.

Eine derartige automatisch arbeitende "Wasserstoff-Plantage" stellt gewissermaßen ein Analogon zu einer Erdölquelle dar. Wenn sie einmal in Betrieb genommen ist, liefert sie mit geringfügiger Wartung über ihre gesamte Lebensdauer hinweg automatisch bei Sonneneinstrahlung Wasserstoff durch Zersetzung von Wasser.Such an automatically working "hydrogen plantation" provides in a sense an analogue of an oil well. Once in operation is taken, it delivers with minimal maintenance over its entire service life automatically removes hydrogen when exposed to sunlight through the decomposition of water.

Die Zersetzung des Wassers kann elektrolytisch oder thermisch erfolgen. Den Standort für die Wasserstoff-Plantage wird man zweckmäßigerweise in die Tropen oder mindestens in die Subtropen legen. Sie kann sich z. B. in der Nähe des Äquators, auf dem Festland oder aber auch als unsinkbare künstliche Insel in der Nähe des Äquators frei schwimmend auf hoher See oder verankert in Küsten-nahen Gewässern befinden. Der bei der Zersetzung des Wassers freiwerdende Wasserstoff wird aufgefangen und in Behältern gespeichert oder auch chemisch z. B. als Hydrid gebunden. In regelmäßigen Zeitabständen wird der gespeicherte Wasserstoff aus der Plantage abgeholt. Er kann auch über eine Pipeline kontinuierlich abgeführt werden.The decomposition of the water can take place electrolytically or thermally. The location for the hydrogen plantation is expediently in the tropics or at least place in the subtropics. You can z. B. in the Close to the equator, on the mainland or as an unsinkable artificial island floating freely on the high seas near the equator or anchored near the coast Bodies of water. The hydrogen released during the decomposition of the water is collected and stored in containers or chemically z. B. as hydride bound. The stored hydrogen is removed from the at regular intervals Picked up plantation. It can also be discharged continuously via a pipeline.

Der Solargenerator kann eine Solarzellen-Batterie oder eine Wärmekraftmaschine sein welche die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt.The solar generator can be a solar cell battery or a heat engine which converts solar energy into electrical energy.

Bei einer Wärmekraftmaschine wird die absorbierte Sonnenenergie über einen thermodynamischen Kreisprozeß in elektrische Energie umgewandelt.In a heat engine, the absorbed solar energy is over converted into electrical energy in a thermodynamic cycle.

Der Solargenerator kann aber auch als Hochtemperaturofen zur thermischen Zersetzung von Wasser ausgebildet sein, bei dem die im Solargenerator erzeugte Temperatur von > 8000C über eine Konzentration von Sonnenstrahlung erzielt wird.The solar generator can also be used as a high-temperature furnace for thermal Decomposition of water can be formed at which the temperature generated in the solar generator of> 8000C is achieved through a concentration of solar radiation.

Der bei der Zersetzung frei werdende Sauerstoff kann chemisch gebunden werden. Auch bei der elektrolytischen Wasserzersetzung kann der freigesetzte Sauerstoff aufgefangen und gespeichert werden.The oxygen released during the decomposition can be chemically bound will. The released oxygen can also occur during the electrolytic decomposition of water be collected and stored.

Wenn zur Zersetzung Seewasser benutzt ist, können auch die Zersetzungsprodukte der im Seewasser gelösten Salze gesammelt und einer Weiterverwendung zugeführt werden.If sea water is used for the decomposition, also can the Decomposition products of the salts dissolved in the seawater are collected and reused are fed.

Im folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung und ihre ökonomischen Aspekte näher erläutert werden.In the following, the invention is based on an exemplary embodiment and their economic aspects are explained in more detail.

In Fig. 1 ist eine Solarzellenbatterie 1 dargestellt, die beispielsweise mit polykristallinen Silizium-Scheiben aufgebaut ist. Die Sonnenstrahlung 2 wird vom Solarzellengenerator 1 mit einem Wirkungsgrad von ca. 10 % in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird über den Spannungsregler 3 der Elektrolyse-Zelle 5 zugeführt. Der freigesetzte Wasserstoff wird in der Leitung 6 gesammelt und über den Kompressor 8 in den Wasserstoff-Behälter 9 geleitet. Der freigesetzte Sauerstoff wird in der Leitung 7 gesammelt und über den Kompressor 10 dem Sauerstoff-Behälter 11 zugeführt. Die Uberwachungseinheit 4 sorgt für ein optimales Zusammenspiel und eine Steuerung der Gesamt-Vorrichtung.In Fig. 1, a solar cell battery 1 is shown, for example is constructed with polycrystalline silicon wafers. The solar radiation 2 will from the solar cell generator 1 with an efficiency of approx. 10% in electrical energy converted. The electrical energy is supplied via the voltage regulator 3 of the electrolysis cell 5 supplied. The released hydrogen is collected in line 6 and over the compressor 8 is passed into the hydrogen container 9. The released oxygen is collected in line 7 and via compressor 10 to the oxygen tank 11 supplied. The monitoring unit 4 ensures optimal interaction and a control of the overall device.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 wird beispielsweise in einem Wüstengebiet (mit ausreichendem Grundwas servorkommen) in der Nähe des Äquators aufgestellt. Die Globalstrah-2 lung beträgt dort pro Tag und m 6,3 kWh, oder im Jahr pro m2 2290 kWh. Da der Wirkungsgrad der Solarzellen -Batterie ca. 10 % ist, stehen pro m² im Jahr 229 kWh zur Zersetzung von Wasser zur Verfügung.The device of FIG. 1 is used, for example, in a desert area (with sufficient ground water) placed near the equator. The global radiation there is 6.3 kWh per day and m2, or 2290 per m2 per year kWh. Because the efficiency of the solar cells -Battery is approx. 10%, 229 kWh per m² are available for the decomposition of water per year.

Theoretisch sind bei der Elektrolyse zur Erzeugung von 1 nl3 Wasserstoff unter Normaldruck 2,8 kWh nötig.Theoretically, electrolysis produces 1 nl3 of hydrogen 2.8 kWh required under normal pressure.

In der Praxis werden jedoch (vor allem wegen der elektrolytischen Uberspannung) etwa 4,5 kWh für 1 m3 Wasserstoffgas unter Normaldruck benötigt. Es können also pro m2 Solarzellenfläche im Jahr 229 = 50,8 m3 4,5 Wasserstoff unter Normaldruck erzeugt werden.In practice, however (mainly because of the electrolytic Overvoltage) around 4.5 kWh is required for 1 m3 of hydrogen gas under normal pressure. It can therefore per m2 solar cell surface in the year 229 = 50.8 m3 4.5 hydrogen Normal pressure can be generated.

Da der Heizwert von 1 m3 Wasserstoff unter Normaldruck ca. 3 kWh und der Heizwert von 1 kg Erdöl ca.Since the calorific value of 1 m3 of hydrogen under normal pressure is approx. 3 kWh and the calorific value of 1 kg of crude oil is approx.

2 12 kWh ist, ereugt eine Fläche von 1 In Solarzelle pro Jahr eine Wasserstoffmenge, die im Heizwert 50,8 = 4 12,7 kg Erdöl entspricht. Zur Erzeugung eines Erdöläquivalentes von 1 Tonne Erdöl pro Jahr in Form von Wasserstoff wird eine Solarzellenfläche von 1000 = 78,7 m2 12,7 benötigt.2 is 12 kWh, an area of 1 In solar cell generates one per year Amount of hydrogen with a calorific value of 50.8 = 4 12.7 kg of crude oil. To the generation a petroleum equivalent of 1 tonne of petroleum per year in the form of hydrogen a solar cell area of 1000 = 78.7 m2 12.7 is required.

Die erforderlichen Investitionskosten werden sich in absehbarer Zeit durch eine kostengünstige Großproduktion polykristalliner Solarzellen so erniedrigen, daß eine ausreichende Verzinsung des eingesetzten Kapitals erzielt wird. Dabei hängt die Verzinsung bzw. die Kapitalrückflußzeit empfindlich vom ölpreis ab.The necessary investment costs will increase in the foreseeable future through a cost-effective large-scale production of polycrystalline solar cells, that a sufficient return on the capital employed is achieved. It depends the interest rate or the return on capital time is sensitive to the oil price.

(Sollte sich z. B. der ölpreis im Betrachtungszeitraum etwa verdoppeln, dann würde sich die Kapitalrückflußzeit halbieren -und die Verzinsung verdoppeln.(If, for example, the oil price doubles in the period under review, then the return flow time would be halved - and the interest doubled.

Da die ölvorräte begrenzt sind und der Energiebedarf ständig steigt, kann die erfindungsmäßige Anlage kostengünstig arbeiten.Since the oil reserves are limited and the energy demand is constantly increasing, the system according to the invention can work inexpensively.

Verbesserungen der Wirkungsgrade von Solargenerator und Wasserzersetzung würden ebenfalls gravierend in die Kosten und die Kapitalrückflußzeit eingehen. (Bei 100 % Wirkungsgrad des Solargenerators und 100 % Wirkungsgrad der Wasserzersetzung würde als theoretisches Optimum für 1 Tonne Erdöläquivalent pro Jahr nur eine Solar-Generatorfläche von 5,3 m benötigt werden.) Mit Hilfe der "Wasserstoff-Plantage" gemäß der Erfindung könnte die Sonnenenergie zu einer echten Alternative für die knapper werdenden fossilen Energieträger und für die Kernenergie ausgebaut werden, da heute auch die Möglichkeit besteht, Wasserstoff sicher zu speichern und zu transportieren.Improvements in the efficiency of the solar generator and water decomposition would also have a serious impact on costs and capital payback time. (With 100% efficiency of the solar generator and 100% efficiency of water decomposition the theoretical optimum for 1 tonne of petroleum equivalent per year would only be one solar generator area of 5.3 m are required.) With the help of the "hydrogen plantation" according to the invention solar energy could become a real alternative for fossil fuels that are becoming increasingly scarce Energy sources and for nuclear energy are expanded, since today also the possibility is to safely store and transport hydrogen.

Mit Wasserstoff, der in einem kontinuierlichen Prozeß aus Sonnenenergie in Wasserstoff-Plantagen erzeugt wird, die sich in Äquator-Nähe schwimmend auf dem Ozean oder inWüstengebieten befinden, könnte für praktisch unbegrenzte Zeiträume ein umweltfreundlicher Energieträger gewonnen werden, der auch mengenmäßig eines Tages die Rolle von Erdöl und Kohle in der Energiewirtschaft übernehmen könnte.With hydrogen, which is produced in a continuous process from solar energy is produced in hydrogen plantations floating on the equator Ocean or desert areas, could be for virtually unlimited periods of time an environmentally friendly energy source can be obtained, which is also one in terms of quantity Day could take on the role of oil and coal in the energy industry.

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Claims (13)

Patentansprüche 1) Anlage zur Gewinnung von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solar-Generator mit einer Anordnung zur Zersetzung von Wasser derart gekoppelt ist, daß die jeweils vom Solar-Generator abgegebene Energie simultan zur Zersetzung von Wasser verwendbar ist, daß ferner Mittel zur Aufnahme und Sammlung des durch die Zersetzung des Wassers erzeugten Wasserstoffes vorgesehen sind, so daß eine kontinuierliche und automatische Erzeugung und Speicheruang von Wasserstoff als Primär-Energieträger möglich ist. Claims 1) Plant for the production of hydrogen, thereby characterized in that a solar generator with an arrangement for the decomposition of water is coupled in such a way that the energy emitted by the solar generator is simultaneous can be used for the decomposition of water, that also means for taking up and collecting of the hydrogen generated by the decomposition of the water are provided, so that a continuous and automatic generation and storage of hydrogen as a primary energy source is possible. 2) Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als künstliche, unsinkbare schwimmende Insel ausgebildet ist.2) Plant according to claim 1, characterized in that it is an artificial, unsinkable floating island is formed. 3) Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Solar-Generator aus einer fotovoltaischen Solarzellen-Baterie besteht.3) Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the Solar generator consists of a photovoltaic solar cell battery. 4) Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Solar-Generator aus einer thermischen Wärmekraftmaschine besteht, die die absorbierte Sonnenenergie über einen thermodynamisehen Kreisprozeß in elektrische Energie umwandelt.4) Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the Solar generator consists of a thermal heat engine that absorbs the Converts solar energy into electrical energy via a thermodynamic cycle process. 5) Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Solar-Generator als Hochtemperaturofen zur thermischen Zersetzung von Wasser ausgebildet ist.5) Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the Solar generator designed as a high-temperature furnace for the thermal decomposition of water is. 6) Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnahmebehälter zur Speicherung des gasförmigen, verflüssigten oder in fester Form gebundenen Wasserstoffs vorgesehen sind.6) Plant according to one of the preceding claims, characterized in that that receptacle for storing the gaseous, liquefied or solid Form bound hydrogen are provided. 7) Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Aufnahmebehälter Pipelines für den Fern-Transport des Wasserstoffs angeschlossen sind.7) Plant according to claim 6, characterized in that the receiving container Pipelines for the long-distance transport of the hydrogen are connected. 8) Verwendung einer Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Wasserstofferzeugung in den Tropen oder Subtropen mittels einer auf offener See schwimmenden oder in Küstennähe verankerten Anlage, oder mittels einer fest installierten Anlage in Wüstengebieten mit ausreichendem Grundwasservorkommen.8) Use of a system according to one of the preceding claims for hydrogen production in the tropics or subtropics by means of an open Lake floating or anchored near the coast, or by means of a fixed installed system in desert areas with sufficient groundwater resources. 9)Verfahren zur großtechnischen Gewinnung von Wasserstoff als Primär-Energieträger, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser mittels der aus einem Solar-Generator gewonnenen elektrischen Energie oder Wärmeenergie zersetzt wird, und daß dieser Wasserstoff aufgefangen und in gasförmiger, verflüssigter oder gebundener Form gespeichert wird.9) Process for the large-scale production of hydrogen as a primary energy carrier, characterized in that water is obtained by means of the solar generator electrical energy or thermal energy is decomposed, and that this hydrogen is collected and stored in gaseous, liquefied or bound form. 10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung des Wassers elektrolytisch erfolgt.10) Method according to claim 9, characterized in that the decomposition of the water takes place electrolytically. 11) Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff auf thermischem Wege erfolgt.11) Method according to claim, characterized in that the decomposition of the water in hydrogen and oxygen takes place thermally. 12) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch der bei der Elektrolyse des Wassers erzeugte Sauerstoff aufgefangen und gesammelt wird.12) Method according to claim 10, characterized in that also the Oxygen generated during the electrolysis of the water is captured and collected. 13) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Wasserstoffs Seewasser elektrolytisch zersetzt wird, und daß auch die Zersetzungsprodukte der im Seewasser gelösten Salze gesammelt werden.13) Method according to one of the preceding claims, characterized in that that sea water is electrolytically decomposed to generate the hydrogen, and that the decomposition products of the salts dissolved in the seawater are also collected.
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