DE3735341A1 - Verfahren zum erzeugen von waermeenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In bekannter Weise kann Wasserstoff durch ein sehr aufwendiges, teures Elektrolyseverfahren durch Spalten von Wasser hergestellt werden, um durch späteres Verbrennen des Wasserstoffs Wärmeener­ gie gewinnen zu können. Einer großtechnischen Nutzung dieses Ver­ fahrens stehen jedoch erhebliche wirtschaftliche Nachteile gegen­ über.

Ferner ist es im Zusammenhang mit der Erzeugung von Brenngasen durch Vergasen von Brennstoffen bekannt, dem Prozeß zur Vergröße­ rung des Wasserstoffgehalts der Brenngase Wasser zuzusetzen, wo­ bei der beim thermischen Spalten von Wasser gleichzeitig entste­ hende Sauerstoff unmittelbar an den Kohlenstoff des zum Einsatz kommenden Brennstoffs gebunden werden muß. Die bei dieser Verga­ sung entstehenden Gase müssen anschließend gekühlt werden, ehe sie einem Motor zugeführt werden können. Bei dem Abkühlen fallen schädliche Stoffe aus, insbesondere Teer, die nur einen vorüber­ gehenden Betrieb der Anlage gewährleisten. Bei dem Verbrennen der entstandenen Gase wird atmosphärischer Sauerstoff eingesetzt.

Während bei der Elektrolyse reiner Wasserstoff erzeugt werden kann, der am Einsatzort wiederum mit atmosphärischem Sauerstoff verbrannt wird, läßt sich bei der bekannten Vergasung von Brenn­ stoffen nur ein Mischgas mit einem relativ kleinen Wasserstoff­ gehalt von zum Beispiel bis zu 17% erzielen. Ein größerer Wasser­ stoffgehalt ist nicht möglich, weil der bei dem Spalten von Was­ ser entstehende Sauerstoff unmittelbar an Kohlenstoff gebunden werden muß.

Es ist bekannt, daß zum Spalten von Wasser in Wasserstoff und Sau­ erstoff an sich weniger Energie benötigt wird, als beim Verbrennen von hierdurch entstandenem Wasserstoff Wärmeenergie entsteht. An­ dererseits hat sich jedoch gezeigt, daß das bekannte Elektrolyse­ verfahren insbesondere wegen der großen Investitionskosten und verschiedener Verluste für das Erzeugen von Wärmeenergie nicht be­ sonders geeignet ist. Auch das bekannte Vergasen von Brennstoffen ist ungeeignet, weil der Wasserstoffgehalt wegen der notwendigen Bindung des beim Spalten entstehenden Sauerstoffs an Kohlenstoff viel zu klein ist und weil das nachfolgende Abkühlen der Brenngase zu einem erheblichen Wärmeverlust führt, der die Energiebilanz drastisch verschlechtert. Außerdem haben alle bekannten Verfahren den Nachteil, daß das spätere Verbrennen von Wasserstoff bzw. Brenngas mit Umgebungsluft, also nicht mit reinem Sauerstoff, durchgeführt wird, was zum Erzeugen von schädlichen Abgasen, wie Stickoxiden, führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß sich eine umweltfreundliche und verfahrenstechnisch sowie wirt­ schaftlich optimale Ausnutzung der im Wasserstoff von Wasser ent­ haltenen Energiemengen erzielen läßt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art durch die im Kennzei­ chen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Demnach wird der Wasserstoff ohne zwischenzeitliches Abkühlen direkt in der Hoch­ temperaturzone verbrannt, und zwar zusammen mit dem gleichzeitig entstehenden reinen Sauerstoff. Somit muß für das Verbrennen von Wasserstoff keine Umgebungsluft eingesetzt werden, die allen­ falls - zumindest anfänglich - zum Betreiben des Temperaturgenera­ tors erforderlich sein kann. Insgesamt ist somit das vorliegende Verfahren äußerst umweltfreundlich, da im wesentlichen keine Stickoxide entstehen können. Die sich durch das Verbrennen von Wasserstoff ergebende große Energieausbeute entsteht direkt in der Hochtemperaturzone, also ohne zwischengeschaltete, zu Verlu­ sten führende Abkühlungsstufen. Somit kann sich der in der Hoch­ temperaturzone abspielende Wärmeerzeugungsprozeß sozusagen selbst aufschaukeln, weil zumindest ein Teil der entstehenden Wärmemenge direkt zum Aufrechterhalten bzw. Verstärken der Hochtemperaturzone benutzt wird.

Die Weiterbildung von Anspruch 2 ermöglicht das anfängliche Unter­ stützen des Wärmeenergievorrats in der Hochtemperaturzone bis zum Erreichen einer bestimmten Wärmemenge, um erst dann nutzbare Wär­ meenergie abzuführen. Hierdurch wird die Anlaufphase des Verfah­ rens begünstigt.

Die Weiterbildung von Anspruch 3 ist vorteilhaft, damit nicht an­ dere Energieträger zum Erwärmen von Wasser und gegebenenfalls zum Überhitzen des entstehenden Wasserdampfes beim laufenden Betrieb eingesetzt werden müssen, was nur in der Anlaufphase erforderlich ist.

Die Weiterbildung von Anspruch 4 ermöglicht den Einsatz klassi­ scher Energieträger, die insbesondere im Falle von Holz mit Wasser versetzt sein können. Feste Energieträger, wie Holz, lassen sich vorteilhaft in einem meilerartigen Gebilde einsetzen, dem in der Vergasungs- bzw. Hochtemperaturzone so viel Wasserdampf zugeführt wird, daß der durch Spalten entstehende Sauerstoff in bezug auf den Energieträger im Überschuß entsteht, damit der Wasserstoff mit diesem Sauerstoff in der Hochtemperaturzone verbrennen kann.

Auch ohne Einsatz klassischer Energieträger kann ein wirtschaftli­ cher Ablauf des Verfahrens gemäß der Weiterbildung von Anspruch 6 mit Hilfe einer Lichtbogenentladung zum Herstellen der Hochtempe­ raturzone erzielt werden.

Der Verfahrensablauf kann gemäß der Weiterbildung von Anspruch 7 durch die darin genannten verschiedenen Maßnahmen, einzeln oder kombiniert angewandt, gesteuert oder geregelt werden. Sobald die Zufuhr von Wasser bzw. Wasserdampf unterbunden wird, beschränkt sich die entstehende Wärmeenergie ausschließlich auf die vom Tem­ peraturgenerator erzeugte. Eine Steigerung der Zuführung von Was­ serdampf in die Hochtemperaturzone führt zu einer Steigerung der Wärmeenergie, solange die Spaltungstemperatur in der Temperatur­ zone eingehalten bzw. überschritten bleibt. Demnach ist die Was­ serdampf-Zufuhrmenge durch das Temperatur- bzw. Wärmeenergieniveau in der Hochtemperaturzone, also anfänglich durch den Energieaus­ stoß des Temperaturgenerators, nach oben beschränkt. Nach einge­ setztem Spaltungsprozeß kann die Wasserdampfmenge gesteigert wer­ den.

Die Weiterbildung von Anspruch 8 ermöglicht eine mehrstufige Stei­ gerung der Wärmeenergieausbeute, so daß auch mit sehr kleinen Tem­ peraturgeneratoren mit Hilfe der Wasserspaltung sehr große Wärme­ mengen erzeugt werden können.

Dabei ermöglicht die Weiterbildung von Anspruch 9, daß das heiße Abgas jeweils unter Eigendruck zur nächsten Stufe geleitet werden kann. Somit können aufwendige und empfindliche Saugeinrichtungen vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an einer in einer Figur schematisch dargestellten beispielhaften Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens näher erläutert.

Eine Hochtemperaturzone 10 innerhalb einer metallischen Ummante­ lung 12 wird im vorliegenden Fall anfänglich ausschließlich von einem Temperaturgenerator 14, wie beispielsweise einem Gasbrenner, erzeugt. Dabei kann über einen Lufteintrittsspalt 16 Verbrennungs­ luft in das Innere der Ummantelung 12 eintreten, wobei die heißen Abgase aus einem Auslaß 18 ausströmen können. In der Hochtempera­ turzone 10 soll eine Spaltungstemperatur von beispielsweise etwa 1200°C erzeugt werden.

Die Ummantelung 12 ist von einem Mehrkammer-Gehäuse 20 umgeben, dessen Innenräume in indirektem gutem Wärmekontakt mit der Hoch­ temperaturzone 10 stehen. In dem Mehrkammer-Gehäuse 20 befindet sich eine Wasser/Dampf-Kammer 22, der über einen Wasserzulauf 24 Wasser - gegebenenfalls vorerwärmt - bis zu einem gewissen Pegel­ stand zugeführt wird. Das in der Wasser/Dampf-Kammer 22 durch den innigen Wärmekontakt mit der Hochtemperaturzone 10 verdampfende Wasser gelangt als Wasserdampf über oberhalb des Wasserspiegels gelegene Dampföffnungen 26 in Pfeilrichtung in die Hochtemperatur­ zone 10, um dort in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten zu werden.

In dem Mehrkammer-Gehäuse 20 befindet sich ferner eine Warmwasser- Kammer 28, der über einen Einlaß 30 Kaltwasser zugeführt und über einen Auslaß 32 Warmwasser, wie z. B. Heizwasser, entnommen wird. Die gesamte Einrichtung ist von einer wirksamen Wärmeisolation 34 umgeben, damit möglichst wenig Wärmeenergie verlorengeht.

Entgegen der Darstellung können die aus dem Auslaß austretenden Abgase 18 wärmeenergiemäßig optimal ausgenutzt werden; beispiels­ weise können die Abgase weitere Wärmeaustauscher durchlaufen oder aber einer nachfolgenden Verfahrensstufe zugeführt werden, um de­ ren Hochtemperaturzone zu unterstützen und/oder deren Wasservor­ rat zu erwärmen.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine optimale Ausnutzung des Primärenergieträgers Wasser und eine Einbindung desselben in einen umweltfreundlichen, wirtschaftlichen Verfahrensablauf zum Erzeugen von Wärmeenergie für beliebige Anwendungszwecke.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Spalten von Was­ ser und dabei entstandenem Wasserstoff, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einem Temperaturgenerator eine nach außen thermisch isolierte beständige Hochtemperatur­ zone erzeugt wird, daß Wasserdampf in die Hochtemperaturzone eingeführt wird und daß der gesamte durch thermisches Spalten des Wasserdampfes freiwerdende Wasserstoff direkt in der Hoch­ temperaturzone mit dem bei dem Spalten frei werdenden Sauer­ stoff verbrannt wird, wobei maximal so viel Wasserdampf zuge­ führt bzw. nutzbare Wärmeenergie abgeführt wird, daß in der Hochtemperaturzone zumindest ein für das thermische Spalten ausreichendes Temperaturniveau aufrechterhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Verbrennen von Wasserstoff erzielte Wärmemenge anfäng­ lich nur zum Vergrößern des Wärmeenergieniveaus in der Hoch­ temperaturzone benutzt wird und daß erst danach nutzbare Wär­ meenergie aus der Hochtemperaturzone abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nutzbare Wärmeenergie zumindest teilweise zum Verdampfen von Wasser und/oder zum Überhitzen des hierdurch entstehenden, zu spaltenden Wasserdampfes benutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Erzeugen der Hochtemperaturzone klassische Energieträger eingesetzt werden, wie Kohle, Holz, Öl, Gas, Biomassen, Müll.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Wasser versetzte, wie getränkte, Energieträger, wie nasses Holz, eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Erzeugen der Hochtemperaturzone eine elek­ trische Lichtbogenentladung, wie eine solche zwischen Kohle­ elektroden, eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verfahrensablauf durch die Menge und/oder den Zustand des der Hochtemperaturzone zugeführten Wasserdamp­ fes und/oder durch die aus der Hochtemperaturzone abgeführte Wärmemenge und/oder durch die Speisung des Temperaturgene­ rators gesteuert oder geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere aufeinanderfolgende gleichartige Verfahrensstu­ fen, wobei der jeweils nachfolgenden Stufe nutzbare Wärmeener­ gie von der jeweils vorhergehenden Stufe zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär­ meenergie in Form von unter Eigendruck stehendem heißem Abgas zugeführt wird.