EP3347304A1 - Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür - Google Patents

Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür

Info

Publication number
EP3347304A1
EP3347304A1 EP16767131.2A EP16767131A EP3347304A1 EP 3347304 A1 EP3347304 A1 EP 3347304A1 EP 16767131 A EP16767131 A EP 16767131A EP 3347304 A1 EP3347304 A1 EP 3347304A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
hydride
hydrogen
sodium
metal hydride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16767131.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hanspeter Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3347304A1 publication Critical patent/EP3347304A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/065—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents from a hydride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/14—Alkali metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/02—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of alkali or alkaline earth metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to a process for releasing hydrogen. Furthermore, it relates to a use of the released hydrogen and a vehicle for such use.
  • the idea of the present invention was originally to bind the hydrogen atom to another atom so as to obtain a higher density, higher melting and boiling point substance.
  • the inventor came to a method of using elemental sodium or sodium hydride. This can decompose water and release hydrogen.
  • the resulting caustic soda is reused in a recycling process, thus closing the cycle.
  • the described method enables the replacement of energy production by nuclear energy and fossil fuels.
  • Sunlight can produce enough energy to meet today's electricity needs.
  • the waste product caustic soda is reused after thickening the same by fused-salt electrolysis of sodium hydroxide. This electrolysis makes a buffer of totally generated energy totally consumed.
  • Elemental sodium is stored in a first store. In a second vessel, water is stored. Hydrogen is released by the following reaction (see [1]):
  • the sodium hydroxide formed reacts with excess water with heat release to sodium hydroxide solution (see recycling process).
  • the energy indicated by f means the reaction enthalpy for water in the liquid state and that of g that for water in the gaseous state (water vapor).
  • This hydrogen can be burned in internal combustion engines or turbines or even for heating purposes, wherein the oxygen required for this purpose is preferably removed from the atmosphere.
  • Another possibility is to use a fuel cell to recover electrical energy from it. The recycling process
  • FIG. 1 shows that the solubility values can be interpolated approximately linearly over the temperature.
  • the hydrogen produced in the fused-salt electrolysis is combined with a part of the likewise resulting oxygen and reused in a fuel cell or heat engine.
  • the other oxygen content is released to the atmosphere.
  • the resulting metallic sodium is stored in a store.
  • Variant B recovery of sodium hydride from sodium hydroxide
  • the calorific value of 6 l diesel fuel is:
  • FIG. 1 shows the solubility of caustic soda in water. At an operating temperature of 70 degrees Celsius, about 2.5 kg of caustic soda can be dissolved in one liter of water.
  • Equations (9) and (13) allow the accumulation of NaOH to be calculated. With the just given information can then calculate the necessary additional amount of water.
  • the area can be calculated to generate this energy:
  • magnesium dihydride MgH 2 - also called simply magnesium hydride.
  • magnesium dihydride MgH2 is accessible from the elements at 500 ° C and 200 bar.
  • the substance is described in microcrystalline form, "activated MgH 2 ", which can be represented by catalytic reaction at lower pressure. However, this form is so reactive that the substance ignites in the air.
  • MgH2 represents a white, solid, non-volatile, organic-insoluble body with very polar bonds whose density (1.45 g / cm3)
  • MgH 2 Magnesium dihydride (MgH 2 ) reacts vigorously with hydrogen under evolution of hydrogen and, depending on the method of preparation, is resistant to air or self-igniting ("activated MgH 2"). At elevated temperature, it decomposes into the
  • Burning 2 kg of hydrogen releases 242 MJ. This corresponds to an amount of 242 MJ / 42.1 MJ / kg 5.7 kg fuel oil.
  • the volume of 5.7 kg fuel oil can be calculated with (8):
  • lower alcohols such as methanol or ethanol.
  • Particularly suitable lower alcohols are alcohols having 1 to 4 carbon atoms.
  • the hydrogen is used for the operation of a vehicle, for heating buildings or (chemical) reactors, for power generation, namely in
  • Thermal power plants or used in electrochemical cells.
  • the sodium component (sodium or sodium hydride) is contained in a first container, the proton-delivering liquid in a second container. By adding the liquid in the first container, hydrogen is released.
  • the materials may also be combined in a reaction chamber from which the products of the reaction are conveyed to a third vessel receiving the other products of the reaction, namely the caustic soda and the caustic soda respectively.
  • the chambers may also be combined as a unit, e.g.
  • the reaction chamber may form a unit with the first and third containers.
  • the liquid is to be directed into the reaction chamber, and the reaction products, which are not gaseous, remain in it. This eliminates the need to transport the reaction products into the separate third container.
  • alkali metals u.a.
  • lithium (Li) and potassium (K) preference is given to lithium (Li) and potassium (K), and alkaline earth metal hydrides, preferably calcium hydride and magnesium dihydride.
  • the temperature is set. •
  • a hydride other than magnesium dihydride is used.
  • the decomposition temperature is chosen according to the hydride.
  • the volume of a metal hydride from which hydrogen can be released at an elevated temperature is at most 5 times, preferably at most 3.5 times, the volume of a 40 MJ / kg calorific value fuel to release one volume of hydrogen of the same calorific value as the fuel ,

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Wasserstoff als Energieträger für die Verbrennung, z.B. als Treibstoff in Motoren oder für Heizzwecke, oder für die Gewinnung elektrischer Energie durch elektrochemische Umsetzung, z. B. in Brennstoffzellen, wird durch Reaktion von wenigstens einem Metall oder Metallhydrid, bevorzugt Natrium oder Natriumhydrid, mit einer protonenliefernden Flüssigkeit erzeugt, oder durch Erhitzen eines Metallhydrids, bevorzugt von Megnesiumhydrid, auf eine Temperatur, bei Wasserstoff abgegeben wird.Vorteilhaft ist der zwar höhere, aber insgesamt noch vorteilhafte Raumbedarf im Vergleich zu Mineralöltreibstoffen. Bevorzugt werden die entstehenden Abfallstoffe, meistens Natriumhydroxid in verschiedenen Formen, per Elektrolyse zu dem Ausgangsmetall oder Ausgangsmetallhydrid aufgearbeitet, so dass ein im wesentlichen geschlossener Kreislauf resultiert. Vorteilhafterweise wird für die Elektrolyse umweltschonend und insbesondere photovoltaisch hergestellter Strom eingesetzt.

Description

Verfahren zur Freisetzung von Wasserstoff, Verwendung desselben und Fahrzeug dafür
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Freisetzen von Wasserstoff. Des Weiteren bezieht sie sich auf eine Verwendung des freigesetzten Wasserstoffs und ein Fahrzeug für eine solche Verwendung.
Die Speicherung und der Einsatz von elementarem Wasserstoff zu Zwecken des Antriebs in Fahrzeugen und zur Beheizung von Gebäuden und Reaktorgefässen war bis anhin sehr problematisch, weil dieses Medium bei gängigen Temperaturen und Drücken ein Volumen in der Grössenordnung des Hundertfachen gegenüber jenem von Erdöl benötigt. Druckgefässe mit Kühlaggregaten waren unumgänglich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu beschreiben, Wasserstoff freizusetzen ausgehend von Stoffen, welche ein kleineres Volumen einnehmen, um Wasserstoff effizient und in der Praxis brauchbar für die Speicherung von Energie einsetzen zu können.
Ein Verfahren, das diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen, Verwendungen des freigesetzten Wasserstoffs und Fahrzeuge für diese Verwendungen an.
Die Idee der vorliegenden Erfindung war ursprünglich die, das Wasserstoffatom an ein anderes Atom zu binden, um somit einen Stoff mit höherer Dichte und höherem Schmelz- und Siedepunkt zu erhalten. Auf Umwegen gelangte der Erfinder zu einer Methode, elementares Natrium oder Natriumhydrid einzusetzen. Damit kann Wasser zersetzt und Wasserstoff freigesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die entstehende Natronlauge in einem Recycling-Verfahren wiederverwendet, womit der Kreislauf geschlossen wird.
Die Erfindung wird weiter an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert, wobei auf folgende Figuren Bezug genommen wird:
Figur 1 Löslichkeit von Natriumhydroxid (Ätznatron) in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur
Figur 2 Schema: Energierzeugung Die benötigten Speichervolumen der Ausgangsstoffe bei Normaldruck und Normaltemperatur liegen bei vergleichbarem Heizwert zu Erdöl, insbesondere einem aus Erdöl gewonnenen Kraftstoff, in der Grössenordnung des 7- bis 20-fachen. Dies ist eine brauchbare Ausgangslage zum Einsatz dieses Energieträgers in der Praxis.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird die Ablösung der Energieerzeugung von der Kernenergie und von den fossilen Brennstoffen ermöglicht.
Durch Sonneneinstrahlung kann genügend Energie produziert werden, um den heutigen Bedarf an Strom zu decken.
Das Abfallprodukt Natronlauge wird nach Eindickung derselben durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumhydroxid wiederverwertet. Diese Elektrolyse bildet einen Puffer von der total erzeugten zur total verbrauchten Energie.
Die nachfolgend für Zahlen in runden Klammern gemachten Angaben beziehen sich auf die Formeln und Reaktionsgleichungen im Kapitel "Ausführung des Ausführungsbeispiels der Erfindung". Die für Zahlen in eckigen Klammern aufgeführten Angaben beziehen sich auf die Literaturstellennummern im Literaturnachweis (s.u.).
(1 ) [1 ] Seite 1275
(1 B) Gemäss gerundeten Molzahlen [1 ] Tafel 1
(2) [1 ] Seite 1280. Die frei werdende Energie ist berechnet aufgrund der
Bildungsenthalpie von NaH ([1 ] Seite 1279)
(2B) Gemäss gerundeten Molzahlen [1] Tafel 1
(3) [1 ] Seite 50
(3B) Gemäss gerundeten Molzahlen [1 ] Tafel 1
(3C) Folgt aus (3B)
Tabelle 1 [1 ] Seite 1284
Figur Folgt unmittelbar aus Tabelle 1
(4) Benötigte Energie ist berechnet aus der Bildungsenthalpie von NaOH ([1 ]
Seite 1284)
(5) Benötigte Energie ist berechnet aus den Bildungsenthalpien von NaH ([1 ]
Seite 1279) und jener von NaOH ([1] Seite 1284)
(6) Dichte von Dieselkraftstoff ([2] Z5)
Heizwert Dieselkraftstoff ([2] Z10)
Formelangabe gemäss ([2] 02)
(6B) Keine weitere Erläuterung notwendig (7) Im Text erklärt
(8) [2] 01
(9) Keine weitere Erläuterung notwendig
(10) Dichte Na ([3] Seite 4-89)
(1 1 ) Keine weitere Erläuterung notwendig
(12) Dichte Wasser ([3] Seite 4-98)
(13) Keine weitere Erläuterung notwendig
(14) Dichte NaH ([3] 4-90)
(15) Keine weitere Erläuterung notwendig
(16) Dichte Wasser ([3] Seite 4-98)
(17) Keine weitere Erläuterung notwendig
(18) Keine weitere Erläuterung notwendig
(19) Keine weitere Erläuterung notwendig
(20) Keine weitere Erläuterung notwendig
Tabelle 2 Werte gerechnet aus Daten von [5], File shopdwhdata_ 5YD BER
Tabelle 3 und alle Angaben von [4] Kapitel 4.4 entnommen
Ausführung des ersten Ausführungsbeispieis der Erfindung
Der Wasserstoff-Erzeugungsprozess
Variante A
In einem ersten Speicher wird elementares Natrium gespeichert. In einem zweiten Gefäss wird Wasser gespeichert. Durch die folgende Reaktion wird Wasserstoff freigesetzt (s. [1]):
Zu den in (1 ) aufgeführten Substanzen wird im Folgenden entsprechend ihrer gerundeten Molmasse die jeweilige Masse in kg angegeben:
Das gebildete Natriumhydroxid wird sich mit überschüssigem Wasser unter Wärmeabgabe weiter zu Natronlauge lösen (siehe Recycling-Prozess). Variante B
In einem ersten Speicher wird Natriumhydrid (NaH) gespeichert. In einem zweiten Gefäss wird Wasser gespeichert. Durch die folgende Reaktion wird Wasserstoff freigesetzt (s. [1 ]):
Zu den in (2) aufgeführten Substanzen sind im Folgenden entsprechend ihrer gerundeten Molmasse die Massen in kg angegeben:
Das gebildete Natriumhydroxid reagiert mit überschüssigem Wasser unter Wärmeabgabe weiter zu Natronlauge (siehe Recycling-Prozess).
Wasserstoff- Verwertungsprozess
Wenn Wasserstoff verbrannt wird, geschieht dies nach der folgenden Gleichung (s. [1]):
Dabei bedeutet die mit f bezeichnete Energieangabe die Reaktionsenthalpie für Wasser in flüssigem Zustand und jene von g diejenige für Wasser in gasförmigem Zustand (Wasserdampf).
Für die in (3) aufgeführten Stoffe ist im Folgenden entsprechend ihren gerundeten Molmassen die Masse in kg angegeben:
Und (3B) umgerechnet auf 1 kg Wasserstoff:
Dieser Wasserstoff kann in Verbrennungsmotoren oder Turbinen oder auch nur zu Heizzwecken verbrannt werden, wobei der dazu benötigte Sauerstoff vorzugsweise der Atmosphäre entnommen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Brennstoffzelle zu verwenden, um daraus wieder elektrische Energie zu gewinnen. Der Recyling-Prozess
Wie aus den Gleichungen (1 ) und (2) hervorgeht, entsteht bei beiden Varianten bei der Freisetzung von Wasserstoff Natriumhydroxid (NaOH). Dieses "Ätznatron" löst sich beim Wasserstoff-Erzeugungsprozess mit überschüssigem Wasser zu Natronlauge (NaOHaq). Die folgende Tabelle gibt die Löslichkeit für drei Temperaturen an:
Tabelle 1 Pro Mol NaOH wird dabei eine Energie von 42.9 kJ frei. Figur 1 zeigt, dass sich die Löslichkeitswerte annähernd linear über die Temperatur interpolieren lassen.
Beim Recycling-Prozess muss aus dieser Natronlauge zuerst durch Eindicken wieder festes Natriumhydroxid gewonnen werden. Dieses lässt sich dann durch Schmelzflusselektrolyse, wie sie in der Literatur beschrieben ist (Castner-Verfahren), wieder in die Elemente zerlegen. Dabei liegt der Schmelzpunkt von Ätznatron bei 31 8 Grad Celsius (s. [1 ]).
Variante A (Rückgewinnung von Natrium aus Natriumhydroxid)
Der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Wasserstoff wird mit einem Teil des ebenfalls entstehenden Sauerstoffs zusammengeführt und in einer Brennstoffzelle oder Wärmekraftmaschine wiederverwertet. Der andere Sauerstoffanteil wird an die Atmosphäre abgegeben. Das entstehende metallische Natrium wird in einem Speicher gelagert.
Damit ist der Kreislauf zum Wasserstoff-Erzeugungsprozess geschlossen. Variante B (Rückgewinnung von Natriumhydrid aus Natriumhydroxid)
Der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Sauerstoff wird in die Atmosphäre abgegeben. Der entstehende Wasserstoff wird bei einer Temperatur von 250 bis 300 Grad Celsius wieder über das flüssige Natrium geleitet, was zur Bildung von Natriumhydrid führt. [1] Dieses Natriumhydrid wird in einem Speicher gelagert.
Damit ist der Kreislauf zum Wasserstoff-Erzeugungsprozess geschlossen.
Vergleichsrechnung
Zur Veranschaulichung des Nutzens der Erfindung soll eine Vergleichsrechnung ausgeführt werden. Es wird ausgegangen von einem heutigen, hochentwickelten Dieselmotor, welcher in einem Auto eingesetzt wird und für eine Distanz von 100 Kilometern 6 Liter Dieselkraftstoff verbraucht.
Der Heizwert von 6 I Dieselkraftstoff beträgt:
• Aufgrund von (3C) und (6B) kann nun berechnet werden, wie viel Wasserstoff diesen 6 I Dieselkraftstoff entspricht:
Aufgrund der Gleichungen (1 B) resp. (2B) und (7) können jetzt die Natrium- bzw. Natriumhydridmengen und die zugehörigen Wassermengen gerechnet werden. Die Rechnung bezieht sich vorerst auf die Masse, welche nachher mit der Dichte gemäss (8) auf das Volumen umgerechnet werden kann:
Variante Ä
Natriummenge:
Und mit (8):
Wassermenge:
Und mit (8) :
Variante B
Natriumhydridmenge:
Und mit (8):
Wassermenge:
Und mit (8):
Die in (12) und (16) angegebenen Wassermengen sind berechnet für die Bildung von
Ätznatron (Natriumhydroxid, NaOH). Dieser Stoff ist bei Raumtemperatur aber fest. In überschüssigem Wasser löst es sich zu (flüssiger) Natronlauge. Weil diese Lauge vor dem Recycling-Prozess wieder eingedickt werden muss, ist es sinnvoll, mit hohen Konzentrationen zu arbeiten. Figur 1 zeigt die Löslichkeit von Ätznatron in Wasser. Bei einer Betriebstemperatur von 70 Grad Celsius lassen sich somit ca. 2,5 kg Ätznatron in einem Liter Wasser lösen.
Mit den Gleichungen (9) und (13) lassen sich die anfallenden Mengen von NaOH berechnen. Mit der soeben gemachten Angabe lässt sich dann die nötige zusätzliche Wassermenge berechnen.
Variante A
Anfallende Menge an NaOH:
Zusätzlich benötigte Wassermenge:
Variante B
Anfallende Menge an NaOH:
Zusätzlich benötigte Wassermenge:
Mit (12) und (18) bzw. (16) und (20) erhalten wir die total benötigten Wassermengen: Variante A
31.3 Liter + 27.8 Liter = 59. Liter (21) Variante B
15.7 Liter + 13.9 Liter = 29.6 Liter (22)
Mit (10) und (21 ) bzw. (14) und (22) lassen sich dann im Vergleich zu den 6 Litern Dieselkraftstoff folgende Aussagen bezüglich der Volumina machen:
Variante A
Bei dem vorliegenden Verfahren mit Natrium wird im Vergleich zu Dieselkraftstoff bei Normaldruck und Normaltemperatur ein rund 7-faches Speichervolumen für Natrium und ein rund 10-faches Speichervolumen für Wasser benötigt.
Variante B
Bei dem vorliegenden Verfahren mit Natriumhydrid wird im Vergleich zu Dieselkraftstoff bei Normaldruck und Normaltemperatur ein rund 2,5-faches Speichervolumen für Natriumhydrid und ein rund 5-faches Speichervolumen für Wasser benötigt. Als prototypisch wird dabei von einem Heizwert von 40 MJ/kg für Dieselkraftstoff ausgegangen.
Vergleichsrechnung zur Stromerzeugung mittels Sonnenergie
Mittels Solarpanels wird möglichst viel elektrische Energie erzeugt. Der Überschuss kann dann an die Elektrolyse des Natriumhydroxids (s.o.) abgegeben und so gespeichert werden. Diese bildet somit einen Puffer zwischen der total erzeugten und der total verbrauchten Energie. In Wintermonaten, wenn die Sonneneinstrahlung gering ist, können die im Sommer gebildeten Reserven aufgebraucht werden. Die Fig. 2 veranschaulicht diesen Zusammenhang:
Die folgende Tabelle 2 gibt Aufschluss über die in der Schweiz in den letzten Jahren eingestrahlte Energie:
Die folgende Rechnung zeigt nun, welches Potential in dieser Form Energiegewinnung liegt:
Aufgrund obiger Angaben kann die Fläche gerechnet werden, um diese Energie zu erzeugen:
2
Verglichen mit der Gesamtfläche der Schweiz (41 '284 km ) kommen wir auf den folgenden Wert:
Mit anderen Worten gilt: Um den in der Schweiz mit fossilen Energieträgern und Kernenergie erzeugten Energiebedarf vollständig zu ersetzen, müssten bei angenommenem Wirkungsgrad der Panels von 100 % rund 15% der Fläche unseres Landes mit Solarpanels ausgestattet werden.
Diese Zahlen geben Anlass für viel Optimismus. Zweites Ausführungsbeispiel
Eine weitere, für die reversible Wasserstoffspeicherung geeignete Verbindung ist Magnesiumdihydrid MgH2-, auch einfach Magnesiumhydrid genannt. Für die Bildung von Magnesiumdihydrid gilt die Gleichung:
Aus [1] ist Folgendes bekannt:
—
In weniger reaktiver, makrokristalliner Form ist Magnesiumdihydrid MgH2 aus den Elementen bei 500 °C und 200 bar zugänglich. Ergänzend dazu wird der Stoff in mikrokristalliner Form, "aktiviertes MgH2", beschrieben, welches durch katalytische Reaktion bei niedrigerem Druck darstellbar sei. Diese Form sei aber so reaktiv, dass sich der Stoff an der Luft entzünde.
MgH2 stellt einen weissen, festen, nichtflüchtigen, in organischen Medien unlöslichen Körper mit sehr polaren Bindungen dar, dessen Dichte (1.45 g/cm3)
3
geringer ist als die von Mg (1.74 g/cm ).
Magnesiumdihydrid (MgH2) reagiert mit Wasser heftig unter Wasserstoffentwicklung und ist je nach Herstellungsart an Luft beständig oder selbstentzündlich ("aktiviertes MgH2"). Bei erhöhter Temperatur zerfällt es in die
Elemente (PH2 = 1 atm bei 284 °C), wobei katalytisch erzeugtes MgH2 in pyrophores, für die "H2-Speicherung" geeignetes Magnesium übergeht.
Verwendung. Es vermag mehr Wasserstoff (7.66 Gew.-%) als alle bisher bekannten Speicher aufzunehmen, so dass die mit Magnesium erzielbare
Energiedichte (9000 kJ/kg) sehr hoch ist (Beladung grösser als in flüssigem
Wasserstoff). Im Folgenden die Berechnungen zu den sich ergebenden Volumen:
Aus (23) können wir die Gleichung für die Stoffmengen ableiten:
Mit (8) folgt für das Volumen des Ausgangsstoffes:
Bei der Verbrennung von 2 kg Wasserstoff werden 242 MJ frei. Dies entspricht einer Menge von 242 MJ / 42.1 MJ/kg = 5.7 kg Heizöl.
Das Volumen von 5.7 kg Heizöl können wir wiederum mit (8) berechnen:
Durch einen Vergleich von (25) und (26) erhalten wir einen Faktor von
Somit fällt das benötigte Volumen für den Ausgangsstoff unter das 3-fache von jenem von Erdöl.
Diese Variante hat gegenüber der vorher beschriebenen den Vorteil, dass die Elektrolyse des Hydroxids hinfällig ist. weil kein solches anfällt. Nach der Freisetzung des Wasserstoffs (dies erfolgt - wie beschrieben - bei Normaldruck bei einer Temperatur von 284 °C) liegt wieder Magnesium in elementarer Form vor. Dieses kann zusammen mit Wasserstoff (z. B. katalytisch oder unter Druck) wieder zu MgH2 synthetisiert werden. Der dazu benötigte Wasserstoff kann per Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Diese ist wesentlich einfacher als eine Schmelzflusselektrolyse eines Hydroxids durchzuführen, u.a. weil sie bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann Abwandlungen und Ergänzungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
Denkbar ist insbesondere:
· Anstelle von Wasser oder in Mischung werden andere protonenliefernde Flüssigkeiten eingesetzt, bevorzugt niedere Alkohole wie Methanol oder Ethanol. Als niedere Alkohole werden insbesondere Alkohole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen angesehen.
• Der Wasserstoff wird zum Betrieb eines Fahrzeugs, zum Heizen von Gebäuden oder (chemischen) Reaktoren, zur Stromerzeugung, namentlich in
Wärmekraftwerken, oder in elektrochemischen Zellen eingesetzt.
• In einem Fahrzeug befinden sich die Natriumkomponente (Natrium oder Natriumhydrid) in einem ersten Behälter, die protonenliefernde Flüssigkeit in einem zweiten. Durch Zugabe der Flüssigkeit in den ersten Behälter wird Wasserstoff freigesetzt. Die Stoffe können auch in einer Reaktionskammer zusammengegeben werden, aus der die Produkte der Reaktion in einen dritten Behälter befördert werden, der die anderen Produkte der Reaktion aufnimmt, namentlich die Natronlauge bzw. das Ätznatron. Die Kammern können auch kombiniert als eine Einheit vorliegen, z. B. kann die Reaktionskammer mit erstem und drittem Behälter eine Einheit bilden. In dieser Ausführung ist die Flüssigkeit in die Reaktionskammer zu leiten, und die Reaktionsprodukte, die nicht gasförmig sind, verbleiben in ihr. Damit entfällt die Notwendigkeit, die Reaktionsprodukte in den separaten dritten Behälter zu befördern.
• Einsatz von anderen Metallen oder Metallhydriden, auch in Mischung untereinander oder mit Natrium, die mit der jeweils verwendeten protonenliefernden Flüssigkeit spontan reagiert unter Freisetzung von Wasserstoff. Insbesondere denkbar sind allgemein Alkalimetalle, u.a. aus Kostengründen bevorzugt Lithium (Li) und Kalium (K), und Erdalkalimetallhydride, bevorzugt Calciumhydrid und Magnesiumdihydrid.
• Die Bedingungen, unter denen Metall oder Metallhydrid und protonenliefernde Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, ist kontrolliert, so dass eine spontane
Reaktion stattfindet. Insbesondere ist die Temperatur eingestellt. • Bei der thermolytischen Wasserstofffreisetzung (Freisetzung durch Erwärmen) wird ein anderes Hydrid als Magnesiumdihydrid eingesetzt. Die Zersetzungstemperatur wird entsprechend dem Hydrid gewählt.
• Das Volumen eines Metallhydrids, aus dem bei einer erhöhten Temperatur Wasserstoff freigesetzt werden kann, beträgt höchstens das 5fache, bevorzugt höchstens das 3.5-fache, des Volumens eines Brennstoffs mit 40 MJ/kg Heizwert, um ein Volumen Wasserstoff desselben Heizwerts wie der Brennstoff freizusetzen.
Literaturnachweis
[1 ] Lehrbuch der Anorganischen Chemie
Hollemann Wiberg, 102. Auflage
ISBN 978-3-1 1 -017770-1
[2] Technische Formelsammlung
Gieck Verlag GmbH, 31 . erweiterte Auflage
ISBN 3 92037925 X
[3] CRC Handbook of Chemistry and Physics
W.M. Haynes, 95th Edition
ISBN 978-1 -4822-0867-2
[4] Statistisches Jahrbuch der Schweiz 2013
Verlag Neue Zürcher Zeitung
ISBN 978-3-03823-814-0
[5] Eidgenössisches Departement des Innern EDI
Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass eine protonenliefernde Flüssigkeit mit wenigstens einem Metallhydrid oder einem Metall, ausgewählt aus einem Metallhydrid oder einem Metall oder einer
Mischung von Metallen oder Metallhydriden, in Kontakt gebracht wird, wobei das wenigstens eine Metallhydrid oder Metall ausgewählt und die Bedingungen des Kontakts, insbesondere die Temperatur, so eingestellt ist, dass eine spontane Reaktion unter Freisetzung von Wasserstoff eintritt, oder das Metallhydrid auf eine erhöhte Temperatur erwärmt wird, bei der das Metallhydrid Wasserstoff freisetzt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Metall und Metallhydrid ausgewählt sind aus einem oder mehreren von: Lithium, Natrium, Kalium, Lithiumhydrid, Natriumhydrid, Kaliumhydrid, Magnesiumdihydrid, Calciumhydrid, und bevorzugt Natrium oder Natriumhydrid sind.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die protonenliefernde Flüssigkeit Wasser oder ein niederer Alkohol, insbesondere im Bereich von ein bis vier Kohlenstoffatomen, und weiter bevorzugt Methanol oder Ethanol ist.
4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen von dem wenigstens einen Metallhydrid, bevorzugt
Natriumhydrid, oder wenigstens einen Metall, bevorzugt Natrium, einerseits und protonenliefernder Flüssigkeit andererseits zusammengenommen bei
Verwendung des Metalls höchstens das 20fache und höchstens das 8fache bei Verwendung des Metallhydrids im Vergleich zum Volumens eines im
Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Treibstoffs für einen Verbrennungsmotor mit einem Heizwert von 40 MJ/kg beträgt.
5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bei der Wasserstoffentstehung aus dem wenigstens einen
Metallhydrid oder dem wenigstens einen Metall entstandenen und Metallkationen enthaltenden Substanz durch eine Elektrolyse das wenigstens eine Metall oder wenigstens eine Metallhydrid hergestellt wird.
6. Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Metallkationen Natrium-Kationen sind, die Natrium-Kationen enthaltende
Substanz bis auf Verunreinigungen Natronlauge ist, Natriumhydroxid aus der Natronlauge abgetrennt wird und das Natriumhydroxid einer
Schmelzflusselektrolyse unterworfen wird.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen oder mittels Solarpanels aus Sonnenenergie erzeugt wird.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Metallhydrids, aus dem Wasserstoff bei erhöhter
Temperatur freisetzbar ist, höchstens das 5fache, bevorzugt höchstens das 3.5- fache des Volumens eines im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen
bestehenden Treibstoffs für einen Verbrennungsmotor mit einem Heizwert von 40 MJ/kg beträgt.
9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Metallhydrid im wesentlichen Magnesiumhydrid ist und einer erhöhten
Temperatur von mindestens 250 °C, bevorzugt etwa 284 °C, ausgesetzt wird, um Wasserstoff freizusetzen.
10. Verwendung des im Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Wasserstoffs zum Betrieb eines Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Fahrzeugs, zur Beheizung von Gebäuden oder Reaktoren, insbesondere Reaktoren in der chemischen Industrie, oder zur Stromerzeugung durch
Verbrennung in Wärmekraftwerken oder durch elektrochemische Umsetzung, insbesondere in Brennstoffzellen
1 1 . Fahrzeug für die Verwendung gemäss Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass es einen ersten Behälter für das wenigstens eine Metall oder Metallhydrid, einen zweiten Behälter für die protonenliefernde Flüssigkeit, einen dritten Behälter für die bei der Wasserstofferzeugung entstehende
Substanz und eine Reaktionskammer für die Reaktion des wenigstens einen Metalls oder Metallhydrids mit der Flüssigkeit oder das Erhitzen des
Metallhydrids auf die erhöhte Temperatur zur Wasserstofffreisetzung umfasst.
12. Fahrzeug gemäss Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Reaktionskammer einen Teil von dem oder insgesamt den ersten oder dritten Behälter darstellt.
13. Fahrzeug gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der dritte Behälter und die Reaktionskammer eine Einheit darstellen, so dass das wenigstens eine Metall oder Metallhydrid in die Substanz umwandelbar ist, ohne dass das wenigstens eine Metall oder Metallhydrid einerseits und die Substanz andererseits zwischen den Behältern und der Reaktionskammer bewegt werden muss.
EP16767131.2A 2015-09-08 2016-09-02 Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür Withdrawn EP3347304A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH12962015 2015-09-08
PCT/CH2016/000114 WO2017041190A1 (de) 2015-09-08 2016-09-02 Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3347304A1 true EP3347304A1 (de) 2018-07-18

Family

ID=55182175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16767131.2A Withdrawn EP3347304A1 (de) 2015-09-08 2016-09-02 Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20190023566A1 (de)
EP (1) EP3347304A1 (de)
CN (1) CN108137317A (de)
WO (1) WO2017041190A1 (de)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3479165A (en) * 1966-06-28 1969-11-18 Exxon Research Engineering Co Hydrogen storage system

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19523939C2 (de) * 1995-07-05 1999-05-20 Ernst Dr Med Schaefer Anlage zur Speicherung und Nutzbarmachung von Solar-, Wind- und/oder Wasserkraftenergie
DE10261340A1 (de) * 2002-12-29 2004-07-15 Schlüter, Claus, Dipl.-Ing. 2-stufiges Verfahren zur Herstellung von H Stufe -1- Chemische Reaktion Na + H2O zu NaOH + H Stufe -2- Elektrolyse NaOH zu Na + OH mit Verwendung Reaktion OH zu H2O + O zur Stromerzeugung
CN101647145B (zh) * 2007-02-02 2015-06-24 法商Bic公司 氢气发生器
US7790133B2 (en) * 2007-05-15 2010-09-07 Uop Llc Multi-component hydrogen storage material
EP3984949A1 (de) * 2009-01-27 2022-04-20 H2Fuel-Systems B.V. Brennstoff für wasserstoffproduktion
WO2010140873A1 (ru) * 2009-06-05 2010-12-09 Kravecs Eduards Способ возобновляемого производства водорода из регенерируемых веществ
US8951312B2 (en) * 2011-11-09 2015-02-10 Alvin Gabriel Stern Compact, safe and portable hydrogen generation apparatus for hydrogen on-demand applications
SG2013022967A (en) * 2013-03-25 2014-10-30 Horizon Energy Systems Pte Ltd Method and generator for hydrogen production
CN103579652B (zh) * 2013-06-25 2016-05-11 哈尔滨工业大学（威海） 一种氢化镁水解供氢的燃料电池发电系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3479165A (en) * 1966-06-28 1969-11-18 Exxon Research Engineering Co Hydrogen storage system

Also Published As

Publication number Publication date
US20190023566A1 (en) 2019-01-24
WO2017041190A1 (de) 2017-03-16
CN108137317A (zh) 2018-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Faye et al. A critical review on the current technologies for the generation, storage, and transportation of hydrogen
Santos et al. Sodium borohydride as a fuel for the future
EP2947387B1 (de) Stoffverwertung der stoffe kohlenstoffdioxid und stickstoff mit elektropositivem metall
DE60108744T2 (de) Verfahren zur wasserstofferzeugung für brennstoffzellanwendungen und wasserstofferzeugungssystem
EP1824780B1 (de) Wasserstoff speicherndes kompositmaterial sowie seine verwendung in einer vorrichtung zur reversiblen speicherung von wasserstoff
DE102013219681B4 (de) Verfahren und System zur Speicherung von elektrischer Energie
DE102012216669A1 (de) Anordnung und Verfahren zur Energieversorgung von Schiffen
DE102012004444B4 (de) Anordnung und Verfahren zum Betrieb Von Wasserstofftankstellen
DE112005000402T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Wasserstoffproduktion
WO2013152748A1 (de) Speicherkraftwerk
EP3080038B1 (de) Verfahren zum transport und zur speicherung von wasserstoff
EP2892983A2 (de) Ökologische sequestrierung von kohlendioxid / vermehrung der durch biomasse erzielbaren bioenergie
DE102013223588A1 (de) Anlage und Verfahren zum Speichern von Energie
WO2011120706A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur speicherung von energie
EP3347304A1 (de) Verfahren zur freisetzung von wasserstoff, verwendung desselben und fahrzeug dafür
WO2016206669A1 (de) Boudouardreaktion in verbindung mit wasserhydrolysierung zur herstellung von methan
DE102015213484A1 (de) Dekarbonisierung der Kohleverstromung durch zweimalige Verbrennung von Kohlenstoff
DE102010056421A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum zeitweiligen Speichern von Energie aus regenerativen Energiequellen
Sürmen et al. Thermochemical conversion of residual biomass to hydrogen for Turkey
DE102013016528A1 (de) Emissionsfreie Mobilität mit Erdgas
Dunlap Chemical Energy Storage Methods
Srinivasan et al. Hydrogen energy technologies
DE19528681C2 (de) Verfahren zur Speicherung und Nutzbarmachung von Solar-, Wind- oder Wasserkraftenergie
DE102020210478A1 (de) Verfahren zur Wasserstoffsynthese unter Wärmenutzung aus einem Wärmenetzwerk mittels einem Hochtemperaturelektrolysesystem
AT503701A4 (de) Verfahren zum speichern und gezielten freisetzen von wasserstoff

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20180409

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20190806

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20220910