DE60032179T2 - Verfahren zur herstellung von wasserstoff aus der anaeroben zersetzung von organischen stoffen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus anaerob zersetzten organischen Materialien, einschließlich anaerob zersetzter organischer Materialien, wie sie in Landverfüllmaterialien und Faulschlamm vorgefunden werden.
  • Es ist anerkannt, dass weitere Energiequellen für ein nachhaltiges industrielles Wachstum von Nöten sind. Daher besteht die immerwährende Gefahr allzusehr von fossilen Brennstoffen abhängig zu sein. Fossile Brennstoffe (Kohlenwasserstoffe) stellen einen nur begrenzten Nachschub gespeicherter Energie dar, die in typischer Weise in Verbrennungsverfahren freigesetzt wird. Durch Verbrennen von Kohlenwasserstoffen hat die Menschheit Milliarden von Tonnen toxischer Umweltgifte in die Atmosphäre abgelassen. Es macht daher sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gründen Sinn, alternative Quellen erneuerbarer Brennstoffe zu entwickeln.
  • Wasserstoff ist ein Brennstoff, der keine Umweltgifte erzeugt, wobei Wasser das einzige Verbrennungsprodukt ist. Wasserstoff findet viele industrielle Verwendungen, z.B. in der Produktion von Düngemitteln, Farbstoffen, Arzneimitteln, Kunststoffen, hydrierten Ölen und Fetten und von Methanol, und er wird auch in vielen Industriezweigen angewandt. Er wird auch als Raketenbrennstoff verwendet und kann gemäß der vorliegenden Erfindung als Minus-Emission-Brennstoff verwendet werden, der es ermöglicht, gewöhnliche Motoren unter Sauberhaltung der Luft zu betreiben.
  • Die eingeführten Verfahren zur Erzeugung kommerziell signifikanter Wasserstoffmengen sind: (1) Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, (2) partielle Oxidation von Kohle, (3) Elektrolyse von Wasser und (4) direkte Nutzung von Sonnenstrahlung (fotovoltaische Verfahren).
  • Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen und partielle Oxidation von Kohle sind insofern von Nachteil, als fossile Kohlenwasserstoffbrennstoffe verbraucht werden. Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, ein relativ einfaches und nicht-schmutzendes Verfahren, ist kostspielig und daher für die meisten industriellen Anwendungen wirtschaftlich von Nachteil, weil die zur Elektrolyse von Wasser benötigte Energiemenge die aus der Verbrennung des entstandenen Wasserstoffs erhaltene Energie übersteigt. Fotovoltaische Verfahren der Wasserstoffproduktion sind durch den für den Großteil der Weltbevölkerung nur begrenzten Zugang zu Sonnenstrahlung eingeschränkt.
  • Ein Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Zuckern wie aus Glucose oder Maltose ist diskutiert in Energy and the Environment, Proceedings of the 1st World Renewable Energy Congress, Reading, UK 23-28 September 1990: "S. Roychowdhury und D. Cox ("Roychowdhury"). Dieses Verfahren beinhaltet die Zubereitung von "Landverfüll-Inokula" aus Materialien, die aus verschiedenen Tiefen in einer Landverfüllung durch Trocknung, Mahlen (zum Erhalt von "Landverfüll-Pulver") und durch in situ-Inkubation erhalten werden. Bei dem entstandenen inkubierten Kulturmedium wurde primär beobachtet, dass es Kohlendioxid und Methan und ansonsten wenig weitere Stoffe oder Substanzen erzeugt, was das Vorliegen einer hoch methanogenen Flora in den Inokula anzeigt. Allerdings wurde bei der Inokulation bzw. Impfung verschiedener Zuckerlösungen mit Überstand aus solchen Kulturmedien oder in bestimmten Fällen mit Landverfüll-Pulver herausgefunden, dass Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugt werden, ohne dass Methan oder Sauerstoff erzeugt werden. Dies zeigt das vorliegen von wasserstofferzeugenden Bakterien in den Landverfüll-Inokula und/oder den Einfluss von freigesetztem Wasserstoff auf die Landverfüll-Materialien und -Inokula an. Bei der Wasserstofferzeugung wurde beobachtet, dass sie mit steigender Azidität absinkt.
  • Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass anaerob zersetzte organische Materialien unter Hindurchleiten eines relativ kleinen und/oder unterbrochenen elektrischen Stroms behandelt werden können, um die Wasserstofferzeugung daraus zu steigern und die Bildung von Methan zu unterdrücken. Diese Behandlung ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff aus typischen Abfallmaterialien, wie sie in städtischen Abfallsammelstellen und Abwasserbehandlungsanlagen vorzufinden sind, und zwar in solchen Mengen, dass die chemisch gespeicherte potenzielle Energie des erzeugten Wasserstoffs die Energiemenge übersteigt, die zur Erzeugung des elektrischen Stroms benötigt wird, wobei gleichzeitig die Masse des Abfallmaterials und/oder die Zeit verringert werden, die benötigt wird, um dieses Material zu behandeln oder zu entsorgen. Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren zur Wasserstoffproduktion angegeben, das den Einsatz fossiler Brennstoffe nicht benötigt, nicht vom mehr oder weniger zufällig auftretenden Sonnenlicht abhängt und beispielsweise angewandt werden kann, um Gemeinden mit relativ unterentwickelten Elektrizitätsverteilungsnetzen und weiteren Energieinfrastrukturen mit einem System zu versorgen, das nützliche Energie aus gesammelten Abfällen bereitstellt.
  • Es ist von besonderem Interesse, Landverfüllmaterialien zu behandeln, weil diese Materialien für Städte und Gemeinden in der ganzen Welt allgegenwärtige Probleme als Brutplätze für Vektoren wie für Nager, Schaben und übertragbare Krankheitserreger und als Quellen von Gewächshausgasen und Grundwasserkontaminationen wegen Erzeugung giftiger Ausleckungen darstellen. Das Behandlungsverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Kohlenstoffnutzung aus Landverfüllungen, einschließlich derer, die Deponien für Faulschlamm darstellen.
  • Somit wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von anaerob zersetztem organischen Material angegeben, wobei ein elektrischer Strom im genannten Material so erzeugt wird, dass die wasserstofferzeugende Mikroorganismen-Aktivität gesteigert und die methanerzeugende Mikroorganismen-Aktivität verringert werden, und zwar unter Anlegen eines elektrischen Potenzials von 3 bis 6 V.
  • Anaerob zersetzte organische Materialien, die gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung behandelt werden können, schließen anaerob kompostierte Cellulosematerialien und anaerob abgebauten Klär/Faulschlamm ein. Anaerob kompostierte Cellulosematerialien werden in typischer Weise in Landverfüllmaterialien vorgefunden, die im Allgemeinen aus ca. 70 % Cellulosematerialien bestehen und einen Feuchtigkeitsgehalt von 36 bis 46 % aufweisen. Anaerob abgebauter Klär/Faulschlamm umfasst in typischer Weise einen Schlamm, der in städtischen Schlammbehandlungsanlagen vorzufinden ist; dieser ist in erster Linie flüssig und schließt 2 bis 3 % Feststoffe ein. Sowohl Landverfüllmaterialien als auch Klär/Faulschlamm enthalten ganz natürlich methanerzeugende bakterielle Species und wasserstofferzeugende bakterielle Species.
  • Weitere organische Materialien, die behandelt werden können, schließen Bauernhofmist, Ernteabfälle und Müll ein. Solche Materialien können in vorteilhafter Weise mit z.B. Proben aus Landverfüllmaterial oder Klär/Faulschlamm vor der elektrischen Behandlung geimpft werden. Die so eingesetzten Inokula bzw. Impfungen können gegebenenfalls durch Erzeugung eines elektrischen Stroms darin oder durch Abbau in der Gegenwart einer erhöhten Wasserstoff-Konzentration vorbehandelt werden.
  • Anaerobe Zersetzung betrifft einen Prozess, wobei organische Verbindungen, z.B. Kohlenhydrate der allgemeinen Formel CnH2nOn und weitere Nährstoffe, in Abwesenheit einer Sauerstoff-Donorumgebung zersetzt werden. Flüchtige Carbonsäuren wie Essigsäure werden in typischer Weise in relativ hohen Mengen bei einer derartigen anaeroben Zersetzung gebildet; Ammoniumbicarbonat stellt ein weiteres typisches Abbauprodukt dar. Obwohl vor der anaeroben Zersetzung in einigen Fällen eine aerobe Zersetzung ablaufen kann, stellt dies keine erforderliche Bedingung für das gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zu behandelnde anaerob zersetzte organische Material dar. Es sollte auch klar sein, dass das Verfahren auf die organischen Materialien in verschiedenen Stufen der anaeroben Zersetzung anwendbar ist und mit der Erzeugung des elektrischen Stroms vor oder beim Einsetzen dieser Zersetzungsreaktion begonnen werden kann.
  • Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass der elektrische Strom die Hydrolyse der flüchtigen Carbonsäuren, die dafür bekannt sind, als Elektrolyte zu wirken, und möglicherweise auch von Ammoniumbicarbonat zu begünstigen, um dadurch Wasserstoff zu erzeugen. Da eine Sauerstofferzeugung nicht beobachtet wird, würde es scheinen, dass eine Elektrolyse von Wasser bei dieser Wasserstofferzeugung nicht beteiligt ist. Des Weiteren kann davon ausgegangen werden, dass der so erzeugte Wasserstoff die Teilung, das Wachstum und die Aktivität methanogener Species inhibiert, während die Erzeugung Wasserstoff-freisetzender Enzyme stark gefördert ist.
  • Diese Ausführung der vorliegenden Erfindung kann z.B. in der Praxis in jeder größeren städtischen Landverfüll- oder Klärschlammbehandlungsanlage durchgeführt werden, die z.B. kontinuierlich in Klärschlammtanks betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in kleinerem Maßstab in der Praxis angewandt werden, wo immer anaerob zersetzte organische Materialien wie anaerob kompostierte Cellulosematerialien oder anaerob abgebauter Klär- bzw. Faulschlamm vorgefunden werden oder erzeugt werden können. So können beispielsweise Cellulosematerialien und/oder Klärschlamm anfallen, um "vor Ort", z.B. in einer örtlichen Tonne oder Kammer, eher als an einer zentralisierten Landverfüll- oder Klärschlammbehandlungsanlage zersetzt zu werden. Solche anaerob zersetzten organischen Materialien können dann gegebenenfalls zu einer Umsetzungsstation gebracht werden, die so ausgerüstet ist, dass Wasserstoff durch Behandlung gemäß der Erfindung erzeugt wird, oder sie können, alternativ dazu, so anfallen und aufbereitet sein, dass der Wasserstoff "vor Ort" durch Behandlung vor Ort an oder nahe der Tonne oder Kammer erzeugt wird. In solchen Ausgestaltungen kann der Wasserstoff gespeichert oder vor Ort eingesetzt werden, um nützliche Energieformen, einschließlich der relativ geringen Energiemenge, die zur Erzeugung des elektrischen Stroms benötigt wird, zu erzeugen.
  • Der elektrische Strom kann z.B. durch Anlegen eines elektrischen Potenzials an Elektroden in Kontakt mit dem organischen Material, z.B. an einen oder mehrere Sätze von Elektroden, die innerhalb des Materials angeordnet vorliegen, erzeugt werden. Derartige Elektroden können z.B. aus Blei, Kupfer, Stahl, Messing oder Kohlenstoff, bevorzugter aus gegossenen Eisenstäben und am meisten bevorzugt aus Metallimprägnierten oder weiteren Formen von Graphit mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sein. Die Elektrodensätze können jede geeignete Form, z.B. von Platten, Stäben, Gittern usw., aufweisen.
  • Die Behandlung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird ganz einfach durch Anlegen eines elektrischen Potenzials von 3 bis 6 und vorzugsweise von 3,0 bis 4,5 V bewerkstelligt.
  • Es ist erwünscht, einen elektrischen Strom mit niedriger Polarisation und ohmschen Verlusten zu erzeugen. Die Elektrodenanordnung und -abtrennung können so angepasst werden, um diese Bedingungen zu erfüllen, und es kann auch vorteilhaft sein, ein Programm zur Steuerung der Spannung, einschließlich einer gelegentlichen Polaritätsumkehr, anzuwenden. Die Spannung, der durchschnittliche Raumbedarf der Elektroden und die Anzahl der Elektroden können in Abhängigkeit von der Größe und der Zusammensetzung des zu behandelnden organischen Materials schwanken.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird jede individuelle Elektrode in Landverfüllmaterial eingebracht und von einem inerten "Käfig" umgeben, der in wirkungsvoller Weise gewährleistet, dass die Feuchtigkeitskomponente des Landverfüllmaterials und nicht eine Komponente, die mit der elektrischen Aktivität interferieren könnte, in unmittelbaren Kontakt mit jeder Elektrode gelangt. Es dürfte klar sein, dass eine optimale Anordnung jeder Elektrode innerhalb des Landverfüllmaterials das Prinzip von Versuch und Irrtum erforderlich machen mag.
  • Der elektrische Strom kann in vorteilhafter Weise intermittierend und vorzugsweise in Intervallen erzeugt werden, die so ausgewählt sind, dass der elektrische Energieverbrauch minimiert wird, während die Wasserstofferzeugung maximiert ist, z.B. in Intervallen, die im Hinblick auf die Gehaltsmengen von Wasserstoff und/oder Methan bestimmt werden, die im aus dem organischen Material erzeugten Gas detektiert werden. So kann z.B. ein Pflichtzyklus der elektrischen Potenzialanwendung adaptiv in Bezug auf eine Rückinformation aus einem Gas-Detektor und damit zusammenhängenden Steuerungsmitteln angepasst werden.
  • In einer solchen Ausgestaltung wird das elektrische Potenzial angelegt, wenn Spurenmengen von Methan detektiert werden, und es wird aufrecht erhalten, bis die Methanerzeugung im Wesentlichen vollständig unterdrückt ist; die einschlägige Zeitdauer wird festgehalten und aufgezeichnet. Nach Beendigung der Anwendung des elektrischen Potenzials gibt das Steuerungsmittel dann die Zeitdauer an, die abläuft, bis Methanspuren erneut detektiert werden, und danach wird ein Pflichtzyklus eingesetzt, worin das elektrische Potenzial über einen Zeitraum angelegt wird, der geringfügig länger als die zur Unterdrückung der Methanerzeugung angegebene Zeit ist, worauf er über einen Zeitraum abgeschaltet wird, der geringfügig kürzer als die zum erneuten Nachweis von Methanspuren angegebene Zeit ist. Die Spannung des angelegten elektrischen Potenzials kann gegebenenfalls in gesteuerter Weise als Teil der adaptiv angepassten Steuerung herabgesetzt werden, um eine Energievergeudung zu minimieren.
  • In einem typischen Beispiel des Behandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beginnt die Wasserstoffproduktion mit der Erzeugung eines elektrischen Stroms im anaerob zersetzten organischen Material und steigt auf 70 bis 75 Vol.-% des gesamten produzierten Gases an. Die Gehaltsmenge an produziertem Methan sinkt von einem Spitzenwert von ca. 70 Vol.-% der gesamten produzierten Gase beim ersten Anlegen des elektrischen Stroms auf stark verringerte Spurengehaltsmengen ab. Die Kohlendioxid- und Stickstofferzeugung bleibt relativ konstant und schwankt nicht signifikant mit der Methan- oder Wasserstoffproduktion.
  • Wesentliche Mengen an Kohlendioxid werden zusammen mit Wasserstoff aus anaerob zersetztem organischen Material produziert, das gemäß der Erfindung behandelt wird. Eine wirtschaftliche Abtrennung des Wasserstoffs von diesem Kohlendioxid ist erwünscht, um den Wert des Wasserstoffs zu erhöhen, z.B. durch Steigerung seiner Speicherdichte und Erleichterung seiner Verwendbarkeit in Brennstoffzellen- Anwendungen. Das abgetrennte Kohlendioxid kann z.B. in Gewächshäusern oder Hydroponika Verwendung finden.
  • Aus dem organischen Material produziertes Kohlendioxid wird vom aus dem organischen Material produzierten Wasserstoff durch die bevorzugte Absorption des genannten Kohlendioxids in einem unter Druck gesetzten Fluid abgetrennt, wobei sich der genannte Wasserstoff hin zu Sammelmitteln verflüchtigt.
  • Das unter Druck gesetzte Fluid ist in vorteilhafter Weise Wasser. Die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser beträgt ca. 21,6 Volumina Gas pro Volumen Wasser bei 25 Atmosphärendruck und 12°C (54°F). Bei Druckanstieg oder Temperaturabsenkung wird die Menge an pro Volumen Wasser gelöstem Kohlendioxid noch erhöht, wogegen bei Druckerniedrigung oder Temperaturanstieg gelöstes Kohlendioxid wieder freigesetzt wird. In den meisten Flächen der Erde liegt das Grundwasser bei einer Temperatur vor, die gleich der mittleren jährlichen Lufttemperatur plus 0,55°C (1,0°F) für alle 24,4 m (80') darüberliegender Bodenschichten bis zur gesättigten Zone ist.
  • Die gemischten Gase, z.B. aus Wasserstoff, Kohlendioxid und geringeren Mengen Stickstoff und weiterer Gase, können z.B. in den Boden einer Wassersäule einer Höhe von mindestens 300 m (ca. 1000'), gehalten bei einer Temperatur im Bereich von 4 bis 16°C (40 bis 60°F), zwangsweise eingeleitet werden. Eine derartige Säule kann z.B. einen Brunnen umfassen, der sich 300 m unterhalb der gesättigten Zone des örtlichen Grundwassers erstreckt. Dies ergibt einen extrem großen Wärmesenke-Vorteil des Suberdbodens, einschließlich des Grundwassers in der gesättigten Zone, wo die Temperatur im Allgemeinen konstant innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs für die meisten Klimazonen über das ganze Jahr hinweg sind. Wassersäulen, die sich entlang Gebirgsabhängen erhöhen, eignen sich ebenfalls, können aber unter Gefrierbedingungen im Winter und ungünstiger Erwärmung im Sommer leiden.
  • Kohlendioxid tritt rasch und unmittelbar in Lösung bei den gehaltenen Druck- und Temperaturbedingungen, wogegen gasförmiger Wasserstoff an der Oberfläche für verschiedene Anwendungen gesammelt und geliefert werden kann.
  • Wie nachfolgend noch in größerem Detail zu beschreiben sein wird, kann Kohlendioxid enthaltendes unter Druck gesetztes Fluid abgezogen und gegebenenfalls nach Wärmezufuhr zur Freisetzung von Kohlendioxid expandiert werden und Energie auf einen Motor übertragen. Das expandierte Fluid kann anschließend gekühlt, unter Druck gesetzt und zur weiteren Absorption von Kohlendioxid im Kreislauf geführt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den beigefügten Zeichnungen, die die Erfindung, ohne darauf eingeschränkt zu sein, erläutern, ist das Folgende dargestellt:
  • 1 ist ein Fließschema, das sowohl die Produktion von Wasserstoff und die Unterdrückung der Methanerzeugung aus anaerob zersetzten organischen Materialien unter einem angelegten Elektropotenzial als auch die Methanerzeugung aus anaerob zersetzten organischen Materialien ohne angelegtes Elektropotenzial aufzeigt;
  • 2 ist ein Fließschema, das ein Verfahren zur Produktion von Wasserstoff aufzeigt, das eine vor Ort durchgeführte anaerobe Zersetzung von organischem Material einschließt;
  • 3 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 1 von Beispiel 1;
  • 4 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 2 von Beispiel 2;
  • 5 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 3 von Beispiel 3;
  • 6 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 5 von Beispiel 5;
  • 7 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 6 von Beispiel 5;
  • 8 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 8 von Beispiel 6;
  • 9 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 9 von Beispiel 7;
  • 10 ist eine Balkendiagrammdarstellung der Information aus Tabelle 10 von Beispiel 8;
  • 11 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das adaptiv die Anwendung einer intermittierend angelegten Spannung steuert, um die Wasserstoffproduktion zu maximieren, wogegen die Methanproduktion minimiert wird;
  • 12 ist ein schematisch dargestelltes System, das die Spannungserzeugung zur Produktion von Wasserstoff gemäß der Erfindung zeigt;
  • 13 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems; und
  • 14 ist eine schematische Darstellung noch eines weiteren Systems.
  • Was nun die Zeichnungen in größerem Detail betrifft, zeigt 11 eine Ausgestaltungsform 200, worin geeignete Elektroden wie konzentrische Elektroden 202 und 204 eine intermittierend angelegte Spannung aufnehmen, um angelösten organischen Abfall zwischen den Elektroden zu beeinflussen, Wasserstoff zu produzieren. Im Betrieb wird die Spannung durch eine Spannungsquelle 16 gemäß einem Pflichtzyklus angelegt, der mit einem Relais 212 gesteuert wird, das von einem Steuerelement 210 konstant angepasst wird, um die Wasserstofferzeugung zu erleichtern und eine wesentliche Methanproduktion zu verhindern.
  • Die Rückinformation aus einem Gas-Detektor 206/208 wird an ein Steuerungselement 210 weitergegeben. Werden Spurenmengen von Methan detektiert, wird eine Spannung zwischen den Elektroden 202 und 204 die berichtete Zeitdauer lang angelegt, bis die Methanproduktion unterdrückt ist. Die Zeit bis zum Detektieren von Methanspuren wird erneut vom Steuerungselement 210 aufgeschrieben, und es wird ein Pflichtzyklus zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden 202 und 204 ein Zeitintervall lang angewandt, das geringfügig länger als die zur Unterdrückung der Methanproduktion aufgeschriebene Zeit ist, worauf ein neutraler Elektrodenbetrieb über eine Zeitdauer erfolgt, die geringfügig kürzer als die vorher zur Detektion der Methanspuren aufgeschriebene Zeit ist.
  • Dieser Pflichtzyklus wird adaptiv abgeändert, um die Zeit zum Anlegen der Spannung zu verkürzen und die Zeit zwischen dem Anlegen der Spannung zur Minierung der Methanproduktion bei Maximierung der Wasserstoffproduktion bei geringster Spannungsanwendung an den Elektroden 202 und 204 zu verlängern. Das Spannungsniveau wird herabgesetzt, um eine weitere Variable zu ergeben, wobei es adaptiv bezüglich der Zeit zum Anlegen der Spannung zur Minimierung der Energievergeudung angepasst wird. Dieser adaptive Steuerungsalgorithmus passt sich rasch den veränderten Verhältnissen bei der organischen Abfallzusammensetzung, dem Feuchtigkeitsgehalt, der Temperatur und bei weiteren Variablen an.
  • 12 zeigt eine Ausgestaltung, worin das Brennstoffgas, das mit dem Verfahren der Erfindung produziert wird, in der Gegenwart von Elektroden 230 und 232 teilweise zur Elektrizitätsumwandlung mit einer Brennstoffzelle oder einem Motorgeneratorsatz 240 verfügbar gemacht wird. Das adaptiv gesteuerte Anlegen der Spannung an die Elektroden 230 und 232 wird von einem Steuerungselement 236 und einem Relais 234, wie dargestellt, zur Minimierung des Energieverbrauchs pro Wärmeeinheit produziertem Wasserstoff bewerkstelligt. Außerdem liefert das adaptive Steuerungselement 236 einen Steuerungsalgorithmus zur Minimierung der Methanproduktion bei erleichterter maximaler Wasserstoffproduktion. Ein Solenoid-betriebenes Ventil 238 steuert die Lieferung von Brennstoffgas durch eine Leitung 242 zur Energieumwandlungseinheit 240 gemäß Bedarf, um den adaptiv angepassten Pflichtzyklus sowie weitere Elektrizitätserfordernisse gemäß der Leitung durch isolierte Kabel 244 zu erfüllen. Die jeweils entsprechende Energie für Pumpenwasser für einen Wärmepumpen-Zyklus oder zur Elektrizitätserzeugung bei 240 kann von einem Wärmemotor und -generator, einer Brennstoffzelle, einem thermoelektrischen Generator oder von weiteren Vorrichtungen geliefert werden, die Brennstoff-Potenzialenergie in Elektrizität umwandeln.
  • In vielen Anwendungen ist es bevorzugt, einen Kolbenmotor und -generator einzusetzen, worin der Motor mit einem SmartPlug-Kombinationskraftstoff-Injektor und einem Zündungssystem mit Kraftstoff versorgt und betrieben wird, da dadurch dessen extrem robuste Betriebsweise erleichtert wird. Eine SmartPlug-Betriebsweise ist in US 5,394,852 und 5,343,699 offenbart, und durch diese wird bewerkstelligt, dass eine Rohmischung aus Wasserstoff und Kohlendioxid als sehr niedergradiger Kraftstoff ohne weitere Konditionierung bei gleichzeitig sehr hohem Wärmewirkungsgrad und voller Energieleistung im Vergleich mit einem Motorantrieb mit Benzin- oder Dieselkraftstoff einzusetzen. Dies stellt einen besonders wichtigen Vorteil für dezentrale Betriebsweisen und zur Lieferung von Brennstoff und Energie an benachteiligte Wirtschaftsräume dar, in denen es prohibitiv ist, fossile Brennstoffe zu importieren.
  • Die bevorzugte Produktion von Wasserstoff ergibt thermodynmaische Vorteile auf der Grundlage einer schnelleren Brennstoffverbrennung und breiterer Luft/Brennstoffverhältnis-Verbrennungsgrenzen, und mit einer SmartPlug-Betriebsweise läuft ein Motor im Wesentlichen ohne Drosselventil-Verluste. Diese thermodynamischen Vorteile ergeben einen viel höheren Brems-Durchschnittseffektivdruck (brake mean effective pressure = BMEP) für die gleiche Wärmefreisetzung im Vergleich mit Benzin- oder Dieselkraftstoff.
  • Wie in Tabelle A gezeigt, ist es tatsächlich möglich, die Umgebungsluft mit einem Motorgenerator sauber zu halten, der mit einem Wasserstoff-gekennzeichneten Kraftstoff, der aus Landverfüll- oder Klär-Organoabfällen erzeugt ist, im Gegensatz zur Betriebsweise mit Benzin als Kraftstoff läuft.
  • Tabelle A
    Figure 00150001
    • Schlüssel: HC = Kohlenwasserstoff; CO = Kohlenmonoxid; NO = Stickoxid
  • 13 zeigt ein System zur Abtrennung von Kohlendioxid von Wasserstoff durch differenzielle Absorption von Kohlendioxid in einem geeigneten Medium wie Wasser oder einem gehinderten Amin. Im Betrieb werden gemischte Gase aus Wasserstoff, Kohlendioxid und geringeren Mengen Stickstoff und weiterer Gase zwangsweise in den Boden einer Wassersäule 302 geleitet, die ca. 300 m (1000') oder mehr hoch ist.
  • Die gemischten Gase werden zum Boden eines Rohrs 304 mit einer geeigneten Pumpe (nicht dargestellt) geleitet und treten in eine geeignete Wäscherzone wie eine mit Schraubenflossen 306 ein, die am Rohr 304 mit höherer Erhebung am Befestigungspunkt als an jedem weiteren Punkt auf dem Rotationsrohr befestigt sind, das die dargestellte Schraubenoberfläche beschreibt. Die Gase neigen somit dazu, nach oben zum Rohr 304 getragen zu werden, und zwar in dem Maße, wie sie vom absorbierenden Fluid ausgewaschen werden. Kohlendioxid geht rasch und unmittelbar in Lösung bei den gehaltenen Druck- und Temperaturbedingungen. Wasserstoff entweicht oben auf der Schraube in ein Rohr 308 und wird dort für die verschiedenen Anwendungen ausgetragen.
  • Kohlendioxid-reiches Wasser wird an der Oberfläche zu einem Koaxialrohr 310, wie dargestellt, geleitet. Mit Verringerung des Kopfdrucks entwickeln sich Kohlendioxidblasen und entweichen nach oben und erzeugen eine Mischung mit niedrigerer Dichte, die nach oben zu einem Gastrennabschnitt 312 getragen wird, wo dichteres Wasser, das seine Befähigung zum Rückbehalt von Kohlendioxid verloren hat, zu einem Ringraum 302 zurückgeleitet wird und zum Boden absinkt, um den nach oben steigenden Wasserbestand zu ersetzen, der im Rohr 310 nach oben getragen wird. Kohlendioxid wird im Oberteil von 310 durch ein Rohr 314 gesammelt.
  • 14 zeigt eine Ausgestaltung, worin Energie zur Druckerzeugung im Wasserstoff und Kohlendioxid mit einem Expansionsmotor regenerativ zurückgewonnen wird. Die Ausgestaltung 400 zeigt ein extrem schroffes und einfaches Energieumwandlungssystem, worin verschiedene erneuerbare Energiequellen wie Klärschlamm, Müll und landwirtschaftliche Abfälle mit Solarenergie kombiniert sind, um Elektrizität, Wasserstoff und Kohlendioxid zu liefern.
  • In vielen Situationen und Anwendungen ist es bevorzugt, Wasser in einem geeigneten Gefäß 402 unter Druck zu setzen, um eine gewünschte Auf- bzw. Abtrennung durch Löslichkeitsunterschiede zur Reinigung des Wasserstoffs zu ergeben. Im Betrieb werden Mischungen aus Wasserstoff und Kohlendioxid zwangsweise durch ein Rohr 404 in das Druckgefäß 402 beim Nominaldruck von 3100 kPa (450 psi) geleitet. Es ist bevorzugt, einen Spiralmischer mit Schraubenflossen 406 einzusetzen, womit die Mischung der Gase entlang der Oberfläche ausgewaschen und hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse gebildet werden. Die gemischten Gase folgen einem verlängerten Weg durch das Wasser, und zwar in dem Maße, wie Kohlendioxid absorbiert wird, um es zu ermöglichen, dass der Wasserstoff oben am Spiralwäscher 406 durch ein Rohr 408, wie dargestellt, gesammelt wird. Kohlendioxid wird im Wasser absorbiert, während Wasserstoff oben am Abscheider 406, wie dargestellt, gesammelt wird.
  • Der Wasserstoff wird durch eine Leitung 408 zum unmittelbaren Einsatz in einem Motor oder einer Brennstoffzelle geliefert oder kann für zukünftige Verwendungen nach Bedarf gespeichert werden. Kohlendioxid-gesättigtes Wasser wird aus dem Absorbergefäß 402 durch ein Rohr 410 zu einer Ventil-Sammelleitung 426 ausgetragen, worin Steuerungsventile enthalten sind, um den Fluss von Kohlendioxid-reichem Wasser in jede Gruppe von Wärmetauschern wie 414, 416, 418, 420, 422 und 424, wie dargestellt, zeitlich abzustimmen. Jeder Wärmetauscher ist mit einer Austrittsdüse ausgerüstet, die auf die Klingen oder Kolben eines angrenzenden Fluid-Motorrotors wie 430, 432, 434, 436, 438 und 440 abzielt und darauf ausgerichtet ist, die eine Arbeitsleistung an einen allgemeinen Ausstoßschaft, wie dargestellt, abgeben.
  • Der Bestand von Wasser und Kohlendioxid-Lösung unter Druck wird ganz plötzlich zwangsweise in einen vorerhitzten Wärmetauscher wie 444 durch kurzes Öffnen eines Steuerungsventil geleitet, das 444 bedient. Unter Erwärmung des Fluids werden die Temperatur und der Druck des Fluids erhöht, und es verdampft und wird mit sehr hohem Drehmoment auf einen Energiemotor 430 ausgetrieben. Jede der weiteren Wärmetauscherkammern nimmt eine Beladung mit Fluid auf abgestimmter Zeitbasis so auf, dass die Schaftenergie aus der dargestellten Gruppe von Motoren so angesehen werden kann, als verfügten sie über eine mehrphasige Drehmomentleistung wie von 6 Phasen, falls jeder Wärmetauscher den jeweiligen Fluss zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufnimmt oder von 3 Phasen, falls 2 Wärmetauscher gleichzeitig befüllt werden. Eine geeignete Anwendungsform des Ausstoßes des Fluid-Motors wird durch einen Generator 428 oder weitere geeignete Belastungsformen nach Bedarf dargestellt.
  • Es ist bevorzugt, eine konzentrierte Strahlung auf die Wärmetauscher mit einem entsprechend geeigneten Solarkollektor wie mit einem Umkreisfeld von Heliostaten oder Parabolschüsseln 442, wie dargestellt, zu übertragen. Zu Zeiten, wenn die Solarenergie unzureichend ist, um den Energieumwandlungsbedarf zu decken, kann Ergänzungswärme durch Verbrennung aus einem geeigneten Brenner 448 herangezogen werden. Für eine derartige Ergänzungserwärmung ist es bevorzugt, Mischungen aus Kohlendioxid und Wasserstoff und/oder weiteren brennbaren Gasen einzusetzen, die aus einem anaeroben Abbau von organischer Materie freigesetzt werden.
  • Nach Erwärmung und Expansion auf einen entsprechend niedrigen Druck wird das Kohlendioxid durch ein Rohr 458 gesammelt und einer entsprechenden Anwendungsform zugeführt. Das Wasser wird kondensiert und in einem Reservoir 450 gesammelt, das mit einem gegenläufigen Wärmetauscher 456 durch Zirkulation eines geeigneten Wärmetauscherfluids von 446 zu 456 und dann durch 448 zu einer geeigneten Cogenerationsanwendungsform gekühlt wird. Das gekühlte Wasser wird durch eine Pumpe 454 unter Druck gesetzt und zum Druckgefäß 402 zurückgeleitet, um den erneuten Zyklus von Kohlendioxid-Beseitigung und Energieumwandlung zu vervollständigen.
  • Die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele dienen einer weiteren Erläuterung der Erfindung.
  • Materialien und Verfahren
  • Die Elektroden waren gegossene Eisenstäbe, 300 mm lang, 25 mm breit und 2,5 mm dick. Weitere Metallelektroden wurden ebenfalls angewandt, einschließlich Blei-, Kupfer-, Stahl- und Messingelektroden. Ein Paar von Kupfer-imprägnierten Graphitelektroden der gleichen Größe wurde ebenfalls herangezogen; der Verschleiß der Graphitelektrode war nicht sehr spürbar.
  • Proben von Landverfüllmaterial wurden von einer Sanitärlandverfüllung aus Staten Island, New York, aus einer Tiefe von 9,1 bis 15,2 m (30 bis 50 Fuß) erhalten. Die Landverfüllmaterialien produzierten auf natürliche Weise Methan und Kohlendioxid als Primärgase (in Verhältnissen von 55:35) durch Methanogenese und wiesen einen pH-Wert von 6,5 bis 7,0 auf.
  • Schlammproben wurden aus einem primären Faulturm einer Klärschlammbehandlungsanlage aus Brooklyn, New York, herangezogen. Der Klärschlamm produzierte auf natürliche Weise Methan und Kohlendioxid (in Verhältnissen von 65:30) durch Methanogenese und wies einen pH-Wert von 7,0 bis 7,5 auf.
  • In einem Satz von Versuchen wurde jede Probe in einem 800 mL-Kolben mit einem 3-Loch-Gummistopfen untersucht. Die Elektroden wurden in die Probe durch 2 der Löcher eingeführt; das 3. Loch wurde mit einem Glas-Auslassrohr ausgerüstet, das an ein Gas-Analysegerät angeschlossen wurde. Die Elektroden wurden über zwei 1,5 Volt-Batterien in Serie angeschlossen, was ein angelegtes Potenzial von ca. 3,0 Volt ergab. Die Vorrichtung wurde in einen Inkubator gestellt, der entweder auf 37°C oder auf 55°C gesetzt wurde. Weitere Versuche wurden in einem New Brunswick-Fermenter in einem 6 bis 8 Liter-Glasgefäß durchgeführt, worin die Temperatur und Rührgeschwindigkeit nach Wunsch gesteuert werden konnten.
  • Beispiel 1
  • Als Versuchsvergleich wurde frisch erhaltener Klärschlamm in einem 800 mL-Kolben in einen Inkubator bei 37°C gegeben. Die Gase, hauptsächlich Methan, wurden, wie angegeben in Tabelle 1 und dargestellt in 3, produziert.
  • Tabelle 1 – Produktion von Methan und Kohlendioxid
    Figure 00200001
  • Beispiel 2
  • Klärschlamm aus dem Primär-Faulturm wurde in einen 800 mL-Kolben gegeben, der dann in einen vorerwärmten Inkubator bei 37°C gestellt wurde. Methangas wurde erzeugt. Sobald die Optimalproduktion von Methan erzielt war, wurde ein elektrischer Strom durch die Flüssigkeit im Kolben geleitet. Die Produktion von Methangas sank stufenweise ab, und Wasserstoff und Kohlendioxid wurden produziert. Methan wurde vollständig unterdrückt, als die Produktion von Wasserstoff ihren Spitzenwert erreichte, wie angegeben in Tabelle 2 und dargestellt in 4.
  • Tabelle 2 – Produktion von Wasserstoff und Unterdrückung von Methan
    Figure 00200002
    • * Einsetzen der Durchleitung von elektrischem Strom
  • Beispiel 3
  • Klärschlamm aus dem Primär-Faulturm wurde in einen 800 mL-Kolben gegeben, der dann in einen Inkubator bei 37°C gestellt wurde. Ein elektrischer Strom wurde durch den Schlamm unter Anlegen von 3 Volt mit den zwei 1,5 Volt-Batterien in Serie geleitet. Sehr wenig Methan wurde seit dem Einsetzen produziert. In 3 Tagen erreichte die Wasserstoffproduktion ihren Spitzenwert, und Methangas wurde eigentlich vollständig unterdrückt, wie angegeben in Tabelle 3 und dargestellt in 5.
  • Tabelle 3 – Produktion von Wasserstoff und Kohlendioxid bei Anlegen einer Spannung von Anfang an
    Figure 00210001
  • Beispiel 4
  • Eine Klärschlammprobe wurde in einen 5 Liter-Kolben im New Brunswick-Fermenter gegeben und 4 Elektroden eingeführt. Ein elektrischer Strom (2,5 Volt und 0,05 bis 0,07 Amp) wurde durch die Probe geleitet. Anfänglich wurden nur Methan und Kohlendioxid produziert, bei sehr geringer Erzeugung von Wasserstoff. Sobald die Spannung auf 4,0 bis 4,5 V und der Strom auf 0,11 bis 0,15 Amp angehoben waren, wurden Methan stufenweise unterdrückt und Wasserstoff produziert, wie in Tabelle 4 angegeben:
  • Tabelle 4 – Produktion von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Klärschlamm in einem 5 Liter-Behältnis
    Figure 00220001
  • Beispiel 5
  • Landverfüllmaterialien, gesammelt aus beliebigen Bohrungen, wurden zur Bestimmung der geringsten Energievergeudungen pro Einheit erzeugter Energie untersucht. Die Versuche wurden mit Landverfüllmaterialien (kompostierte städtische Feststoffabfälle) in zwei 800 mL-Kolben durchgeführt, und zwar (1) nur mit Landverfüllmaterialien und (2) mit den elektrisch behandelten Landverfüllmaterialien. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 5 und 6 angegeben und in den 6 und 7 dargestellt.
  • Tabelle 5 – Produktion von Gasen aus Landverfüllmaterialien
    Figure 00220002
  • Tabelle 6 – Produktion von Gasen aus elektrisch behandelten Landverfüllmaterialien
    Figure 00230001
  • Beispiel 6
  • Das Verfahren von Beispiel 5 wurde (1) nur mit Klärschlamm und (2) mit dem elektrisch behandelten Klärschlamm wiederholt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 angegeben und in 8 dargestellt.
  • Tabelle 7 – Produktion von Gasen aus Klärschlamm
    Figure 00230002
  • Tabelle 8 – Produktion von Gasen aus dem elektrisch behandelten Klärschlamm
    Figure 00240001
  • Beispiel 7
  • Ein Strom wurde durch Landverfüllmaterialien in einem 6 Liter-Gefäß mit Elektroden durch Anlegen eines elektrischen Potenzials von 3,5 Volt geleitet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 angegeben und in 9 dargestellt.
  • Tabelle 9 – Produktion von Gasen aus Landverfüllmaterialien in einem 6 Liter-Gefäß
    Figure 00240002
  • Beispiel 8
  • Landverfüllmaterialien in einem 6 Liter-Gefäß mit Elektroden wurden in einen vorerwärmten Inkubator bei 55°C gegeben. Nach 4 Tagen wurde ein elektrisches Potenzial von 3,5 Volt an die Elektroden gelegt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 angegeben und in 10 dargestellt.
  • Tabelle 10 – Produktion von Gas aus Landverfüllmaterialien
    Figure 00250001
    • * Einsetzen der Durchleitung von elektrischem Strom
  • Ähnliche Ergebnisse wurden durch Vermischen relativ kleiner Mengen von Inokula bzw. Impfungen aus menschlichem Klär- bzw. Faulschlamm mit landwirtschaftlichem Mist und/oder Ernteabfällen erzielt. Nach Inkubationszeiten, in denen die anaeroben Bedingungen erstellt wurden, wurden Methan und Kohlendioxid mit sehr wenig Wasserstoff produziert. Bei Anlegen eines elektrischen Potenzials von 2,0 bis 5,0 Volt zur Erzeugung eines Stroms von 0,10 bis 0,20 Amp wurden die Methan-Produktion abgesenkt und Wasserstoff in ähnlichen Mengen wie den in Tabelle 10 angegebenen produziert. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit Inokula bzw. Impfungen aus den vorherigen Durchläufen des Beispiels 4 erzielt.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Behandlung von anaerob zersetztem organischem Material, das das Erzeugen eines elektrischen Stroms im Material umfasst, um die Aktivität wasserstofferzeugender Mikroorganismen zu steigern und die Aktivität methanerzeugender Mikroorganismen zu reduzieren, worin ein elektrisches Potential von 3-6 Volt eingesetzt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das anaerob zersetzte organische Material anaerob kompostierte Zellulosematerialien und/oder anaerob abgebauten Klärschlamm umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der elektrische Strom durch Anlegen eines elektrischen Potentials über Elektroden im Kontakt mit dem organischen Material erzeugt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Teil des aus dem organischen Material erzeugten Wasserstoffs in einem Energierumwandlungsprozess verwendet wird, um Energie zur Erzeugung des elektrischen Stroms bereitzustellen.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der elektrische Strom unterbrochen erzeugt wird.
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