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Verfahren und Vorrichtung zur größtmöglichen Ausnutzung von
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elektrischer Energie mit Hilfe Alkali-Elektrolytischer Wasserstofferzeugung.
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Einer der Hauptprobleme unserer Zeit besteht in der Energieversorgung,
durch die immer knapper werdende Energie.
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Energieversorgung bedeutet aber nicht nur Energieerzeugung, eine sinnvolle
Energieversorgung beinhaltet auch eine sinnvolle Energieverwendung und auch dementsprechend
eine Energiespeicherung.
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Die günstigste Energieform (schon wegen ihrer leichten Transportierbarkeit)
ist die elektrische Energie. Die direkte Speieherung der elektrischen Energie ist
zur Zeit sehr kostspielig, materialaufwendig und daher auch unwirtschaftlich. Daher
wird die Speicherung der elektrischen Energie nur mittelbar vorgenommen. Es gibt
zur Zeit eine Reihe bekannter Speicherverfahren wie z.B.: le Wärmespeicherung in
Wasser oder Mineralien.
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2. Wasserpumpapeicherwerke.
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3. Elektrochemische Speicherung in batterien oder Accumulatoren.
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4. Elektrolytische Wasserstofferzeugung.
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Das Problem der Energiespeicherung hängt natürlich eng mit der Energieerzeugung
zusammen, wir speichern natürlich nur etwas, was wir im Moment im tberfluß haben.
Die Frage,ob wir überhaupt Energie im Uberfluß haben muß mit ja beantwortet werden,
wir haben ein sehr großes Energiereservoir, die Natur selbst bietet soviel Energie,
wie die Menschheit nicht verbrauchen kann. Leider haben wir es verlernt die Energie,
welche uns die Natur bietet sinnvoll zu nutzen. Die vorliegende Erfindung stellt
einen Beitrag zur solchen sinnvollen "Naturenergie -Nutzung. Diese Erfindung erlaubt
es Naturenergieformen,wie z.B.: Windenergie, Sonnenenergie und Meeresgezeitenenergie,
welche in stetig wechselnder Intensität vorhanden sind, fast vollständig zu Nutzen.
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Da es unzweckmäßig wäre die Naturenergieformen'' ohne Anpaßung an
unsere Bedürfnisse zu benutzen, müßen wir diese "Naturenergie" in eine uns genehme
Energieform umwandeln. Die praktisch sinnvollste Energieform stellt jedoch der elektrische
Strom dar. Den elektrischen Strom können wir auf vielfälltige Weise erzeugen, wie
z.B.: 1. Rotierende Stromgeneratoren, 2. Halbleiter-Grenzschichtelemente, s.g. Solarzellen,
3. Thermoelektrische Generatoren u.s.w.
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Diese genannten generatoren sind keine Energieerzeuger, sondern Energieumformer,und
man kann nur das-und-EovielUmformen was
zur Verfügung steht. Da
aber die Natur uns einmal viel und das andermal wenig zur Verfügung stellt, liefern
unsere Energieumwandler ebenfalls mal viel und mal wenig. Hier haben wir bereits
mit dem Rauptproblem zu tun; eine industrielle Nutzung ist auf Kontinuität angewiesen
Wnd hat deshalb sich nur wenig um die natürlichen Energien gekUmmert, man konnte
Ja aus dem Vollen" schöpfen, zumal die Nutzung von Wind- oder Wasserkraft große
und komplizierte Regelvorrichtungen bedingten.
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So z.B! Die wechselnden Windgeschwindigkeiten mußten durch Rotorverstellmechanissmen
ausgeglichen werden um eine einigermaßen konstante Generatorgeschwindigkeit zu erreichen.
Solche Regelvorrichtungen sind natürlich sehr schwer, kompliziert und daher auch
teuer und unrentabel, also ließ man Wind Wind und Meer Meer sein und verbrannte
Kohle, Erdöl, unsere Wälder und schuf i sich ein neues, aber gefährliches Energiepotential,
die WKernenergie" mit all ihren menschlichen und unmenschlichen Problemen, natürlich
auch der Atom- Wasserstoff- und Neutronenwaffen.
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Die Aufgabe, welche durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst
werden soll, besteht in der Schaffung einer realen und wirtschaitlichen Möglichkeit
der Nutzung von Energie; diese erfindungsgemäße Form der Energienutzung besteht
in der elektrolytischen Wasserstofferzeugung als Energiespeichermethode, welche
erst die wirtschaftliche Ausnutzung von "Maturenergie" ermöglicht.
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Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch in der
Schaffung einer Alkalielektrolytischen-Wasserzersetzungs unter der Verwendung Ton
wechselnden Stromspannungen, wie diese beim Betrieb von elektrischen Generatoren
mit "Naturenergien" vorkommen. Speziell kann die Ausnutzung der Wind-, Sonnen- und
Wasserenergie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wirtschaftlich, rentabel betrieben
werden.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird durch die erfinddungsgemäß
konstruierte Alkalielektrolysevorrichtung zur WasserstofferzeugungJunter der Verwendung
von Ionendurchlässigen Elektroden, wie z.E Loch- oder GitterelektrodenJgelöst. Die
erfindungsgemäße Schaltung und Steuerung der Elektroden gestattet die Ausnutzung
einer breiten Stromspannungspalette, d.h die Elektrolyse kann bereits mit 0,6 V
in Gang gestetzt und bis zu einer Höchst spannung von 380 V betrieben werden.
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Da die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung für die Alkalische
Wasserstofferzeugung konzipiert wurde, werden Eisen- oder andere elektrisch leitende
Elektroden verwendet, welche innerhalb der Elektrolysevorrichtung, Jedoch außerhalb
des Elektrolyten, mit einer temperatur- und chemikalienbeständigen Kunststoffbeschichtung,aus
Gründen des Korrosionsschutzes und der Wartungsfreiheit, versehen sind, Der Betrieb
der erfindungsgemäßen Alkali-Elektrolysevorrichtung erfolgt unter erhöhtem Druck,
um die Verdampfungewärme, d.h. die Verdampfungstemperatur des Elektrolytlösungsmittels
heraufzusetzen und den erzeugten Wasserstoff( bereits vorkomprimiert> in ein
Reservoir einzufüllen.
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Die Druckerzeugung innerhalb der Elektrolysevorrichtung erfolgt durch
den erzeugten Wasserstoff selbst.
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Im Folgenden soll an Hand eines Ausführungsbeispiels der Aufbau, die
Elektrodenschaltung und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtungl beschrieben
werden: In der Zeichnung auf Seite 6., bedeuten: 1. Wasserzufuhrleitung.
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2. Wasserstoffleitung zum Reservoir.
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3. Gehäuseoberteil, abnehmbar und mit einer chemisch resistenten Dichtung
versehen.
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4. Elektrolysebehälter, aus GfK, oder Kunststoffbeschichtetem Metall
bestehend.
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5. Elektrodenanordnung.
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6. Draufsicht auf die Elektrolyseanlage ohne Gehäuseoberteil.
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70 Elektrodenschaltung.
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8o Regelschalter.
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In der Zeichnung auf Seite 7., bedeuten: 1. Loehelektrode, als eine
togliche Form einer Diffusionselektrode.
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2. Ionenbewegung bei Diffusionsfesten-Plattenelektroden.
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3. Ionenbewegung bei Lochelektroden.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung
für die alkalielektrolytische Wasserstofferzeugung beschrieben.
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Allgemeines zum Thema der Elektrolyse: Die Elektrolyse beruht auf
der Fähigkeit des elektrischen Gleichstroms1 Ladungsträger zu transportieren.
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Elektrische Ladungsträger liegen in Elektrolyten in Form von, stich
in Lösung oder Elektrolytschmelzea freibeweglichen Ionen (Ladungsträgeri tor.Die
Ionen stellen positiv oder negativ geladene Ladungsträger dar, welche durch ein
elektrisches Feld zu ihrem "Gegenpol" transportiert werden können.
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Am Ziel der "Ionenreise"/d.h. bei der Ankunft an der Elektrode, wird
der "Ladungsträger" seiner Ladung entledigt.
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Ein Elektrolyt ist dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Lösungsmittel
oder in geschmolzenem Zustand sein Molekularverband löst und sich in Anionen und
Kationen trennt, welche frei beweglichin der Lösung (oder Schmelze) schwimmen. Wird
nunmehr, mittels sich nicht berührender Elektroden'ein Gleichstrom in die Elektrolytlösung
hinein geschickt, so werden die Anionen und entsprechend auch die Kationen durch
das elektrisches Feld "sortiert" und durch entgegengesetzt geladene Elektroden angezogen,
schliesslich "entladen", d.h. sie verlieren an der Elektrode ihre."Ladung" und vereinigen
sicht wie z.B. Wasserstoff H + H - H21zu einem neutralem Molekel Die Wasserstofferzeugung
durch Wasserzersetzung mit Hilfe von Alkalielektrolyse erfolgt nach dem Reaktionsschema:
Die erfindungsgemäße Form der Elektroden und ihre Schaltung wurden
aus mehreren Gründen, welche nachfolgend aufgeführt sind, geschaffen: 1. Es sollen
auch minimale Stromspannungen, welche bei geringeren Drehzahlen von Stromgeneratoren,
oder geringem Lichteinfall bei Solarzellen entstehen, für die elektrolytische Wasserstofferzeugung
benutzt werden können.
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Diese Möglichkeit besteht nur beim geringem Elektrodenabstand, welcher
es ermöglicht, ein wirksames elektrisches Feld, bei kleinen Stromspannungen'aufzubauen
und die Ionen zu transportieren.
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20 Stehen aber größere Stromspannungen zur Verfügung, würde die elektrische
Stromquellel bei dem bestehenden Elektrodenabstands zu einer Überlastung führen.
Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird ein zweites Elektrodenpaar, welches einen
größeren Elektrodenabstand hat, in den Stromkreis eingeschaltet und entsprechend,
der erste Stromkreis ausgeschaltet. In der praktischen Ausführung würde es aber
bedeuten, daß die sich zwischen den tätigen Elektroden befindlichen "stillstand-Elektroden"
einen "Schatten" bilden würden, d.h. der Ionentransport würde nur auf die Randbezirke
der Elektroden beschränkt werden. Dies würde zu "Stromspitzen", einer-8berhitzung
des Elektrolyten und-folglich zur (Lösungsmittel-verdampfung) Wasserverdampfunglführen.
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3o Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Loch- bzw.
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Gitterelektroden werden die im Pkt. 2. beschriebenen Ladungsvorgängemit
folgerichtig auftretenden "Feldschatten", vermieden und dem Ionentransport somit
geringerer Wiederstand geleistet; die gesammte Elektrodenoberfläche steht demlonentransport
zur Verfügung.
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4. Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung wurde aus nachfolgenden
Gründen als eine Hochdruckelektrolyseanlage konzipiert: a. Durch die Erzeugung einer
HochdruckatmosphäreEüber dem Elektrolyten, wird einer unerwünschten Verdampfung
des Lösungsmittels, d.h. des Wassers vorgebeugt.
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be Der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte Wasserstoff
wird vorkomprimiert1 in einen Lagerbehälter hinein gedrückt.
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c. Der in der Elektrolysevorrichtung herrschende Druck hat keinen
Einfluß aur den Ionentransport und damit auf die elektrischen Vorgänge innerhalb
des Elektrolysators.
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Nach der Theorie von Debye-Onsager gilt für die molare Leitfähigkeit
das Grenzgesetz:
Die Äquivalentleitfähigkeit ergibt sich folglich für NaOH zu 217,4
Mol/m3 und für H2S04 384 Mol/m3, da aber bei einer Elektrolyse, in Schwefelsauremmedium1
auch Sauerstoff entwickelt wird, wurde aus Sicherheitsgründen zu Gunsten der Alkalielektrolyse,
bei welcher nur Wasserstoff gewonnen wird, entschieden.
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Eine der wesentiichsten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Alkalielektrolysevorrichtung
zur Gewinnung von Wasserstoff, besteht in der wahlweisen Schaltung, der in verschiedenen
Abständen angeordneten Elektrodenpaare. Erst durch diese erfindungsgemäße Elektrodenschaltung
ist ein Elektrolysebetrieb, mit unterschiedlichen StromspannungenWmöglich und damit
eine wirtschaftliche Ausnutzung elektrischer Generatoren, unterschiedlicher Bauweise,
gegeben.
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Die Leistungfähigkeit der erfindungsgemäßen Alkalielektr.lyse-Anlagen
beträgt zwischen 7 und 70 m3 Wasserstoff/h (und mehr), da 7 Nm3 Wasserstoff - 14
kg wiegen, beträgt der Heizwert des erzeugten Wasserstoffs 476 000 kcal X 2 000
000 kJ/h. Dieser Heizwert entspricht dem Heizwert von 50 kg Heizöl.
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Der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Alkalielektrolysevorrichtung
zur Wasserstofferzeugung, erstreckt sich z.3. auf: le Solargeneratoren, (Grenzschichtelemente)
welche bei einem geringem Lichteinfall nur geringe Stromspannungen liefern.
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2e Thermoelektrische Generatoren, z.B. mit Sonne betriebene.
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3e Dreh-, Wechsel- und Gleichstromgeneratoren mit wechselnder Stromspannungsbilanz.