DE2905206A1

DE2905206A1 - Anlage zur thermochemischen wasserspaltung mit sonnenenergie

Info

Publication number: DE2905206A1
Application number: DE19792905206
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Karl Dr Rer Na Boese
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1979-02-12
Filing date: 1979-02-12
Publication date: 1980-08-21
Also published as: FR2448504A1; US4391793A; FR2448504B1; ES488461A1

Description

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Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1

Anlage zur thermochemischen Wasserspaltung mit S onnenene r gi e -

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur thermochemischen Wasserspaltung.

Wasserstoff wird bei der Herstellung einer Vielzahl von Produkten benötigt, z. B. von Ammoniak, und bietet bei Verwendung als Brennstoff Vorteile, insbesondere im Hinblick auf eine geringe Umweltbelastung. Die Verfahren zu seiner Herstellung mittels Elektrolyse haben den Nachteil, daß sie hochwertige Sekundärenergie in Form von elektrischem Strom benötigen, der selbst unter Einsatz erheblicher Mengen von Primärenergie erzeugt werden muß (der Wirkungsgrad der Umwandlung dürfte sich kaum nennenswert über 40 % steigern lassen). Hieran ändert sich auch nichts, wenn als Primärenergie Sonnenlicht eingesetzt, jedoch am herkömmlichen Weg über Dampferzeuger - Turbine - Generator festgehalten wird.

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ßei Direktumwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität in Photozellen ist der Wirkungsgrad noch um etwa die Hälfte geringer. Die Kosten von Anlagen zur Umwandlung von Sonnenenergie in hochwertige Sekundärenergie lassen sich nur durch eine sprunghafte Verbesserung des Wirkungsgrades soweit senken, daß sie nach den heutigen und für die nächste Zukunft absehbaren Gesichtspunkten wettbewerbsfähig werden.

Außer der Elektrolyse sind eine Reihe von Verfahren zur thermochemischen Wasserspaltung bekannt, so z. B. die Wasserdampfvergasung nach der Reaktion

C + H₂O ->- CO + H₂ (1)

Die zur Aufrechterhaltung der Reaktion nötige Wärmezufuhr muß hier jedoch durch die vollständige Verbrennung eines Teils des eingebrachten Kohlenstoffes

c + O₂ —> CO₂ (2)

aufgebracht werden oder, wie ebenfalls schon vorgeschlagen wurde, durch einen Hochtemperatur-Kernreaktor, Die hierbei erreichbaren Temperaturen übersteigen jedoch nicht 1.000 °C, mit Rücksicht auf die Festigkeit der verwendeten Strukturwerkstoffe. Die mögliche an die Reaktion (.1) anschließende Konvertierung gemäß der Reaktion

CO + H₂O -^- CO₂ + H₂ (3)

liefert ebenfalls Kohlendioxyd und ist zudem exotherm, so daß Wärme abgeführt werden muß, was die Verfahrens^ führung ungünstig beeinflußt. Mit Rücksicht auf die

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begrenzten Vorräte an Kohle und Kohlenwasserstoffen sollten Kreisprozesse angestrebt werden, die den Kohlenstoff erneut verfügbar machen, z. B. nach der Reaktion
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2 CO₂ —>- 2 CO + O₂ (4)

die jedoch erst bei Temperaturen oberhalb von 3.000 C abläuft, bzw.
10

2 CO —»- 2 C + O₂ (5)

bei Temperaturen von über 3.500 C, da erst dann Kohle in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt und die Entropiewerte hoch genug liegen.

J. E. Funk und R. M. Reinstrom haben in ihrem Aufsatz "Energy Requirements in the Production of Hydrogen from Water", I&EC Process Design and Development 5 (1966),

S. 336 - 342 gezeigt, daß einfache zweistufige thermochemische Wasserzerlegungsprozesse erst bei Temperaturen oberhalb von 1.100 C praktisch zu realisieren sind. An sich bekannte drei- und mehrstufige Prozesse, deren Maximaltemperatur unterhalb dieser Schwelle liegt, haben den Nachteil, daß der Anlage- und Regelaufwand höher ist, daß einzelne Schritte mit großen Überschußmengen gefahren werden müssen und daß zwangsläufig notwendige Schritte bei niedriger Temperatur und nur sehr langsam ablaufen.

An sich bereitet die Erreichung hoher Temperaturen mit Hilfe von Sonnenergie keine besonderen Schwierigkeiten. In Anlagen der bekannten Bauart, bei der das auf eine größere Fläche auftreffende Sonnenlicht durch eine Vielzahl von Spiegeln auf einen gemeinsamen Brennpunkt

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gerichtet reflektiert wird, sind bereits Temperaturen über 4.500 C erzielt worden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur thermochemischen Wasserspaltung, die im zweistufigen Kreisprozeß arbeitet und die zur Verfügung stehende Sonnenenergie möglichst vollständig nutzt, aber auch die Einkoppelung geringwertiger Wärme gestattet. Die Lösung der Aufgabe erfolgt in einer Anlage gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Durch Absorption der zweckmäßigerweise in der obengenannten Weise mit Spiegeln gebündelten Sonnenergie läßt sich diese fast vollständig nutzen. Die hohe Temperatur gestattet die Durchführung einer Reihe von Reaktionen, für die hier die Reaktion (5) als Beispiel genannt sei, die zusammen mit anderen, z. B. der Reaktion (1) einen Kreisprozeß ergeben. Das gewählte Beispiel ist auch insofern besonders günstig, als beide Reaktionen endotherm sind, also keine Abwärme abgeführt zu werden braucht.. Ferner wird eine Möglichkeit des Einschlusses von Stoffen bei der geforderten hohen Temperatur angegeben. Diese Art des Einschlusses ist bei um Größenordnungen höheren Temperaturen in Versuchen zur Durchführung einer kontrollierten Kernverschmelzung verwendet worden. Das so gebildete, nicht stoffliche Reaktionsgefäß ist für das Sonnenlicht durchlässig.

Zweckmäßigerweise werden die Reaktanden einer solchen Reaktion,wie in Anspruch 2 vorgeschlagen, unmittelbar aufgeheizt. Es kann jedoch auch der Fall eintreten, daß die Absorptionseigenschaften an sich geeigneter Reaktanden unzureichend sind. Dann empfiehlt sich, die im Anspruch 3 genannte Abwandlung des Erfindungsgedankens ,

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Der aufzuheizende Stoff sollte für Lichtwellen im sichtbaren Bereich ebenfalls durchlässig sein, wie im Anspruch 4 gefordert, jedoch für Wellen im infraroten Bereich undurchlässig. Der dann auftretende sog. Treibhauseffekt bewirkt eine besonders verlustarme Aufheizung des eingeschlossenen Stoffes.

Diese Voraussetzung muß nicht für alle ansonsten für die thermochemische Wasserspaltung geeigneten Stoffe zutreffen. Für diesen Fall wird die Alternative gemäß dem Anspruch 5 vorgeschlagen, bei der die indirekte Aufheizung der Reaktanden dadurch bewerkstelligt wird, daß sie in einer Hülle aus einem Stoff mit guten Wärmeabsorptionseigenschaften eingeschlossen werden, die ihrerseits in gleicher Weise wie die Reaktanden selbst durch elektromagnetische Felder in ihrer Lage gehalten wird.

Geringwertige Wärme kann gemäß Anspruch 6 dadurch eingekoppelt werden, daß ein Fluid auf niedriger Temperatur mit einem durch Absorption von Sonnenenergie auf hohe Temperatur aufgeheizten Fluid so gemischt wird, daß das Mischfluid eine für einen bestimmten Prozeß gerade ausreichende Temperatur besitzt.

In dem oben angegebenen Beispiel eines Kreisprozesses läuft die Reaktion (1) bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen ab. Sie kann demgemäß, wie in Anspruch 7 vorgeschlagen, durch Einkoppelung verhältnismäßig geringwertiger Wärme, d. h., solcher mit einer Temperatur unter 1.000 °C betrieben werden, wie sie z. B. als Abwärme in anderen Verfahren anfällt. Thermodynamische Berechnungen zeigen z. B,, daß ein Drittel der in dem Kreisprozeß genutzten Wärme auf einer Temperatur von 600 ⁰C zugeführt werden kann, wenn das

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durch die Sonnenenergie aufgeheizte Fluid eine Temperatur von etwa 3.730 °C erreicht und die Pyrolysetemperatur des genutzten Prozesses etwa 1.730 ⁰C beträgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist sehematisch in der Zeichnung dargestellt,- und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Gesamtanlage, to

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch das Hochtemperaturreaktionsgefäß entsprechend der Linie II-II der Fig. 3,

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Linie I—I der Fig. 2.

Die Anlage weist eine Vielzahl von Spiegeln 1 auf, die mittels bekannter, hier nicht gezeigter Einrichtungen entsprechend dem jeweiligen Sonnenstand so geschwenkt werden, daß das von ihnen reflektierte Sonnenlicht (gestrichelt) in einem Brennpunkt konzentriert wird, in dem ein Hochtemperatur—Reaktionsgefäß 2 angeordnet ist. In diesem wird eine Temperatur erreicht, bei der das dem Reaktionsgefäß zugeführte Kohlenmonoxyd zu Sauerstoff und gasförmigem Kohlenstoff gespalten wird. Ersterer wird einer anderen Verwendung außerhalb der Anlage zugeführt, während der Kohlenstoff einem Wasserdampfvergaser 3 zugeführt wird, in dem er unter Wärmezufuhr mit dem gleichfalls zugeführten Wasserdampf reagiert. Gebildet werden Wasserstoff, der als gewünschtes Endprodukt an einen hier nicht gezeigten Verbraucher abgegeben wird, und Kohlenmonoxyd, das in das ?.eaktionsgefäß 1 zurückgeleitet wird zu erneuter Spaltung» Der Wasserdampfvergaser 3 ist auf eine

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Vielzahl von verschiedenen, an sich bekannten Weisen beheizbar; hier wird die Möglichkeit gezeigt, ihn mit dem Kühlmedium einer Wärmekraftanlage zu beheizen. Die Temperaturspanne, die unterhalb derjenigen liegt, in der die Wasserdampfvergasung durchgeführt werden kann, wird dazu genutzt, das als Rohstoff der Anlage zugeführte Wasser in einem Dampferzeuger 5 zu verdampfen. Ein Teil des Wasserdampfes wird in einer Turbine 6 entspannt, die einen Generator 7 antreibt, der den zur Aufrechterhaltung des Reaktionsgefäßes 2 erforderlichen Strom liefert.

Das Hochtemperatur-Reaktionsgefäß 2 wird (s. Fig. 2 und 3) durch magnetische Feldlinien (strichpunktiert) gebildet, die durch Spulen 10 erzeugt werden, die auf einen Eisenkern 11 gewickelt und stromdurchflössen sind (die elektrischen Zuleitungen sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt). Spulen und Kern sind zweckmäßigerweise verspiegelt, um sie vor der Wärmestrahlung zu schützen. Die Zufuhr des oder der Reaktanden, beispielsweise von CO, erfolgt durch ein erstes Rohr 12 aus keramischem, hitzebeständigen Werkstoff. Da Kohlenmonoxyd gute Absorptionsfähigkeit für Wärmestrahlung besitzt und ionisierbar ist, kann es unmittelbar durch das konzentriert auf das Reaktionsgefäß auftreffende Sonnenlicht auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die zu seiner Spaltung in Kohlenstoff und Sauerstoff führt. Diese Reaktionsprodukte werden durch ein zweites, ebenfalls aus keramischem Werkstoff bestehendes Rohr 13 abgeführt. Dabei fällt die Temperatur beim Verlassen des Reaktionsgefäßes 2 so schnell ab, daß eine Rekombination der Reaktanden verhindert wird und das Rohr 13 _f ggf, mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Kühlvorrichtung vor der Zerstörung bewahrt wird.

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Werden andere Reaktanden verwendet, deren Wärmeabsorptionseigenschaften weniger gut sind, können diese in einer materiellen Hülle 14 eingeschlossen werden, die durch ein elektromagnetisches Feld zusammengehalten wird; diese kann aus einem Stoff mit guten Wärmeabsorptionseigenschaften, ζ-. B. aus Kohlendioxyd bestehen, der die aufgenommene Wärme an die eigentlichen Reaktanden abgibt.

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Leers e r t e

Claims

INTERATOM 24.432.+ Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1 Anlage zur thermochemischen Wasserspaltung mit Sonnenenergie Patentansprüche 10

1. Anlage zur thermochemischen Wasserspaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere durch Absorption von Sonnenenergie auf eine Temperatur oberhalb von 1.100 C aufgeheizte, in elektromagnetischen Feldern eingeschlossene Stoffe enthält.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese heißen Stoffe die Reaktanden einer endothermen Reaktion sind.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese heißen Stoffe durch Wärmeleitung und/oder -strahlung mit den Reaktanden einer endothermen Reaktion verbunden sind. 08.02.1979 We/Fe

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4. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die in den elektromagnetischen Feldern eingeschlossenen Stoffe für Sonnenlicht durchlässig, für Wärmestrahlen jedoch undurchlässig sind.

5. Anlage nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Stoffe von einem weiteren Stoff eingeschlossen sind, der in elektromagnetischen Feldern eingeschlossen ist.

6. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß ein Teil der Reaktanden einer endothermen Reaktion durch Absorption von Sonnenenergie auf eine höhere Temperatur und ein Teil durch Absorption von auf anderem Wege erzeugter Wärme auf eine niedrigere Temperatur aufgeheizt ist, wobei ein Gemisch beider

Teile eine Temperatur oberhalb von 1.100 °C hat.

7. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Durchführung mehrstufiger endothermer Prozesse, von denen einige Stufen bei Temperaturen unterhalb, andere bei Temperaturen oberhalb von 1.100 °C ablaufen, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktanden der Hochtemperaturstufen (2) durch Sonnenenergie, die der Niedertemperaturstufen (3) durch auf anderem Wege erzeugte Wärme aufgeheizt sind.

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