EP4605579A2 - Verfahren zur erzeugung thermischer und/oder elektrischer energie - Google Patents

Verfahren zur erzeugung thermischer und/oder elektrischer energie

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Publication number
EP4605579A2
EP4605579A2 EP23772432.3A EP23772432A EP4605579A2 EP 4605579 A2 EP4605579 A2 EP 4605579A2 EP 23772432 A EP23772432 A EP 23772432A EP 4605579 A2 EP4605579 A2 EP 4605579A2
Authority
EP
European Patent Office
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unit
carbon dioxide
plant
liquid fuel
carbon
Prior art date
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Pending
Application number
EP23772432.3A
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English (en)
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Inventor
Frank Obrist
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.)
Obrist Technologies GmbH
Original Assignee
Obrist Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/15—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
    • C07C29/151—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C07C29/1516—Multisteps
    • C07C29/1518—Multisteps one step being the formation of initial mixture of carbon oxides and hydrogen for synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/50—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon dioxide with hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/081—Supplying products to non-electrochemical reactors that are combined with the electrochemical cell, e.g. Sabatier reactor

Definitions

  • Today's energy supply network which is used to distribute electricity and/or district heating in particular, is based on energy generation from nuclear fuels and mainly on the combustion of fossil fuels, particularly natural gas and coal. This is associated with high CCh emissions. CCh emissions have already been reduced through combined heat and power generation, particularly when waste is burned as fuel.
  • a global approach is appropriate that takes all processes leading to energy generation into account and, in particular, also takes into account the production of the fuel used.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for energy generation with the aim of a significantly improved CCh balance of the worldwide energy supply.
  • the invention solves the above-mentioned problem by a method for generating electrical energy and/or thermal energy with the following steps:
  • the negative proportion in the CCh balance of the process according to the invention is at least 5%, in particular at least 3%, in particular at least 10%, in particular at least 20%, in particular at least 30%, in particular at least 50%, in particular at least 100%, in particular at least 200%. It is expected that the current climate change caused by industrial development will be slowed in the short term, stopped in the medium term and reversed in the long term by a worldwide, widespread use of the invention.
  • the stationary thermal plant can be located where the thermal and/or electrical energy generated in the plant is needed, for example near an industrial production plant or a settlement.
  • the distance between the production plant and the stationary thermal plant can be at least 50 km, in particular at least 100 km, preferably at least 500 km.
  • the liquid fuel can be transported from the production plant to the stationary, calorific plant by at least one transport system, in particular a pipeline or a tank vehicle.
  • the production plant comprises a photovoltaic system as a renewable energy source.
  • the photovoltaic system can be located in a region with a global horizontal solar radiation per year of at least 1,500 kWh/m 2 , in particular 2000 kWh/m 2 .
  • the problem of increasing CCh emissions is global and therefore global efforts are required to solve this problem and save the global climate. It is therefore desirable to operate the method according to the invention efficiently on a large scale.
  • photovoltaics as a renewable energy source has the advantage that regions with high global horizontal solar radiation often also have access to the sea. Production plants for producing the liquid fuel required for the invention can thus be operated very efficiently, since all the necessary starting components, solar energy, CO2 and water, are available within a short distance.
  • energy generation using a photovoltaic system is very cost-effective. Compared to other technologies for generating renewable energy, energy generation using photovoltaics is three to ten times more cost-effective. This is particularly true if the process is carried out in a production facility located in a region with high hours of sunshine or high global horizontal solar radiation, for example in Saudi Arabia.
  • the carbon may be provided to produce the carbon by methanol synthesis and methanol cleavage.
  • the (waste) heat generated during carbonization in the carbonization unit can be fed to the carbon dioxide sorption unit and used there as energy for carbon sorption.
  • the (waste) heat from the fuel synthesis unit can be fed to the carbon dioxide sorption unit and used there as energy for carbon sorption. This further increases the efficiency of the overall process and reduces the primary energy requirement of the process.
  • the oxygen part and the purified ambient air are released into the outside atmosphere and the hydrogen part and the carbon dioxide are converted into water, carbon and heat in the carbonation unit.
  • This enables the carbon dioxide content in the atmospheric air to be reduced and thus an existing imbalance in the amounts of the air components to be balanced out.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing.
  • the single figure shows a perspective view of a production plant for producing a CO2-negative liquid fuel.
  • the invention essentially comprises two steps, the production of a CO2-negative liquid fuel in a production plant on the one hand and the use of this liquid fuel in a stationary, calorific plant for the generation of thermal and/or electrical energy on the other hand.
  • the CCh-neutral liquid fuel is preferably produced in a production plant 10 located in an area with high global horizontal solar radiation and near the sea, for example in Saudi Arabia.
  • the production plant 10 is preferably a large power plant.
  • the production plant 10 can have at least one assembly area 18 which is connected to a foundation of a building and/or structure.
  • the production plant 10 can comprise an electrolysis unit 11 for producing oxygen and a carbon dioxide sorption unit 12 for cleaning the ambient air UL of the outside atmosphere surrounding the production plant 10.
  • the electrolysis unit 11 and/or the Carbon dioxide sorption unit 12 are arranged in a common building or in separate buildings.
  • the production plant 10 can also have a power generation unit 31 for the autonomous power supply of the production plant
  • the electrolysis unit 11 is designed to absorb a water quantity M HZO by electrolysis into a partial quantity of oxygen M02 and a partial quantity of hydrogen.
  • the electrolysis unit 11 thus forms a unit for water electrolysis.
  • the electrolysis unit 11 is connected to a water supply line 13 for absorbing the water quantity M H2O.
  • a pump unit 25 is arranged between the electrolysis unit 11 and the water supply line 13.
  • the pump unit 25 has at least one pump for conveying water from a water reservoir 26.
  • the water reservoir 26 can be a sea with sea water.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur klimafreundlichen Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie unter Verwendung eines CO2-negativen Flüssigkraftstoffs zur Verbrennung in einem stationären, kalorischen Werk, in welchem thermische Energie aus der Verbrennung des Flüssigkraftstoffs nutzbar gemacht wird und/oder in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei der Flüssigkraftstoff in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess produziert wird, der mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie.
Seit dem Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1800 ist die CO2- Konzentration in der Atmosphäre von zuvor stabilen 280 ppmv (parts per million by volume) auf 410 ppmv im Jahr 2020 gestiegen. Es wird vorhergesagt, dass sich dieser Anstieg fortsetzen bzw. noch verstärken wird, wenn keine Techniken zur Eindämmung der Kohlenstoffemissionen eingesetzt werden.
Das ratifizierte Pariser Abkommen nennt als Hauptziel, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur unter 2° C über dem vorindustriellen Niveau zu halten, was eine Reduzierung der CCh-Emissionen auf Null bis 2050 erfordert. Zu den Vorschlägen zur Begrenzung dieser Emissionen gehören der Einsatz von Biokraftstoffen, Solarenergie und Windkraftanlagen. Die Verringerung der bisherigen CCh-Emissionen und damit die Begrenzung des Anstiegs des CO2- Anteils in der Atmosphäre reicht langfristig allerdings nicht aus, um das Ungleichgewicht zwischen Sauerstoff und CO2 in der Atmosphäre zu beheben, das durch die bisherige Überproduktion von CO2 entstanden ist.
Das heutige Energieversorgungsnetz, mit welchem insbesondere elektrischer Strom und/oder Fernwärme verteilt wird, basiert neben der Energieerzeugung durch nukleare Brennstoffen hauptsächlich auf der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen, insbesondere Erdgas und Kohle. Damit gehen hohe CCh-Emissionen einher. Zwar wurden durch Kraft-Wärme-Kopplung bereits CCh-Emissionen reduziert, insbesondere auch bei der Verbrennung von Müll als Kraftstoff. Für eine klimafreundlichere, insbesondere klimaneutrale bzw. CCh-neutrale, Energieversorgung ist jedoch ein globaler Ansatz zweckmäßig, der alle Prozesse hin zur Energieerzeugung im Blick hat und insbesondere auch die Herstellung des verwendeten Kraftstoffs berücksichtigt. Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren zur Energieerzeugung mit dem Ziel einer erheblich verbesserten CCh-Bilanz der weltweiten Energieversorgung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.
Die Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder thermischer Energie mit den folgenden Schritten:
- Produzieren eines Flüssigkraftstoffs in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess, der mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird und die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen von Sauerstoff in einer Elektrolyseeinheit, die durch mindestens eine Wasserzuführleitung eine Wassermenge, insbesondere aus dem Meer, aufnimmt und die aufgenommene Wassermenge in eine Sauerstoffteilmenge und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt; b) Leiten eines ersten Teils der Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit zu einer Karbonisierungseinheit und eines zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge zu einer Kraftstoff- Syntheseeinheit; c) Reinigen von Umgebungsluft in mindestens einer Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit, wobei die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit die Umgebungsluft durch mindestens einen Lufteinlass aufnimmt und eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft in mindestens einer nachgeordneten Sorbereinrichtung extrahiert; d) Leiten eines ersten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit und eines zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Kraftstoff-Syntheseeinheit; e) Herstellen von Kohlenstoff in der Karbonisierungseinheit, insbesondere durch Methansynthese und Methanspaltung und/oder durch Methanolsynthese und Methanolspaltung, und f) Kombinieren des zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge und des zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge in der Kraftstoff- Syntheseeinheit zur Herstellung des Flüssig Kraftstoffs, und
- Verwenden des Flüssigkraftstoffs zur Erzeugung einer Wärmeenergiemenge und/oder elektrische Energiemenge in einem stationären, kalorischen Werk.
Die Erfindung ermöglicht es, thermische und/oder elektrische Energie nicht nur CCh-neutral sondern sogar CCh-reduzierend bzw. CCh-negativ zu erzeugen. Durch die Sorption von CO2 aus der Umgebungsluft wird der CCh-Anteil in der Erdatmosphäre gesenkt und so die in den letzten Jahrzehnten und Jahrhunderten stetige Steigerung der CCh-Belastung sukzessive rückgängig gemacht. Die Erfindung ermöglicht gleichzeitig die Herstellung von reinem Sauerstoff und reduziert auch insoweit den CCh-Anteil in der Erdatmosphäre. Der bei der Erfindung eingesetzte Flüssigkraftstoff ist folglich CCh-negativ, d.h. bei der Herstellung des Flüssigkraftstoffs wird der Erdatmosphäre mehr CO2 entzogen als durch dessen spätere Verbrennung wieder freigesetzt werden.
Vorzugweise beträgt der negative Anteil in der CCh-Bilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 3%, insbesondere wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20%, insbesondere wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 100%, insbesondere wenigstens 200%. Es wird erwartet, dass der derzeitige, durch die industrielle Entwicklung erzeugte, Klimawandel durch einen weltweiten, flächendeckenden Einsatz der Erfindung kurzfristig gebremst, mittelfristig gestoppt und langfristig umgekehrt wird.
Um den CCh-Anteil in der Atmosphäre aktiv zu reduzieren, wird der in der Karbonisierungseinheit erzeugte Kohlenstoff vorzugsweise einem Kohlenstoffspeicher zugeführt. Der Kohlenstoffspeicher kann insbesondere ein Meer bzw. ein Meeresboden sein. Mit anderen Worten kann der Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, dauerhaft auf dem Meeresboden gelagert werden. Insoweit ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Schritt e) des Prozesses zum Produzieren des Flüssigkraftstoffs das Transportieren des Kohlenstoffs, insbesondere zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher, insbesondere einem Bereich des Meeresbodens, umfasst.
Das stationäre, kalorische Werk kann ein turbinengetriebenes Kraftwerk und/oder ein motorbetriebenes Kraftwerk und/oder ein Kraft-Wärme-Kopplungswerk und/oder ein Heizwerk sein.
Es ist vorteilhaft, wenn der Flüssigkraftstoff in einer Produktionsanlage produziert wird, die von dem stationären, kalorischen Werk räumlich getrennt ist. Die Trennung der Kraftstoffproduktion von der Kraftstoffverwendung ermöglicht es, einerseits die Produktion des Flüssigkraftstoffs dort vorzunehmen, wo die für die Produktion erforderliche, vorzugsweise regenerativ erzeugte, Energie verfügbar ist. Dies kann beispielsweise in der Nähe eines Offshore-Windparks oder einer Photovoltaikanlage sein, wobei sich diese an Orten auf der Welt befinden können, die einen hohen Wirkungsgrad der regenerativen Energieerzeugung ermöglichen. Das können beispielsweise Regionen sein, die einen hohen und konstanten Wind oder eine hohe Sonneneinstrahlung aufweisen.
Andererseits kann das stationäre, kalorische Werk dort angesiedelt sein, wo die im Werk erzeugte thermische und/oder elektrische Energie benötigt wird, bspw. in der Nähe einer Industrieproduktionsanlage oder einer Siedlung. Die Entfernung zwischen der Produktionsanlage und dem stationären, kalorischen Werk kann wenigstens 50 km, insbesondere wenigstens 100 km, vorzugsweise mindestens 500 km betragen.
Insbesondere bei räumlich voneinander getrennter Kraftstoffproduktion und Kraftstoffverwendung kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Flüssigkraftstoff durch mindestens ein Transportsystem, insbesondere eine Pipeline oder ein Tankfahrzeug, von der Produktionsanlage zum stationären, kalorischen Werk transportiert werden kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Produktionsanlage als regenerative Energiequelle eine Photovoltaikanlage. Die Photovoltaikanlage kann sich in einer Region mit einer globalen horizontalen Sonneneinstrahlung pro Jahr von mindestens 1.500 kWh/m2, insbesondere 2000 kWh/m2, befinden. Das Problem der steigenden CCh-Emissionen ist global und daher sind globale Bestrebungen erforderlich, um dieses Problem zu lösen und das globale Klima zu retten. Daher ist es wünschenswert, das erfindungsgemäße Verfahren in großem Maßstab effizient zu betreiben. Die Verwendung von Photovoltaik als regenerative Energiequelle hat den Vorteil, dass die Regionen mit hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung oft auch Zugang zum Meer haben. So können Produktionsanlagen zur Produktion des für die Erfindung notwendigen Flüssigkraftstoffs sehr effizient betrieben werden, da alle notwendigen Ausgangskomponenten, Sonnenenergie, CO2 und Wasser, in geringer Entfernung zur Verfügung stehen. Zudem ist die Energieerzeugung mittels einer Photovoltaikanlage sehr kostengünstig. Gegenüber anderen Technologien zur regenerativen Energieerzeugung ist die Energieerzeugung mittels Photovoltaik um das Dreifache bis Zehnfache kostengünstiger. Dies gilt insbesondere, wenn das Verfahren in einer Produktionsanlage ausgeführt wird, die sich in einer Region mit hoher Sonnenstundendauer oder hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung, beispielsweise in Saudi-Arabien, befindet.
Die Extraktion der Kohlenstoffkomponente aus der Atmosphäre kann durch einen zweistufigen Prozess erfolgen, beispielsweise durch eine Methansynthese gefolgt von einer Methanspaltung. Bei der Methansynthese wird der der Karbonisierungseinheit zugeführte Wasserstoff mit dem ebenfalls zugeführten Kohlenstoff zu Methan umgewandelt, das anschließend durch die Methanspaltung wieder getrennt wird. Dabei kann ein Kvaerner-Prozess verwendet werden. Alternativ kann die Methanspaltung einen Methanpyrolyse-Prozess, genannt Monolith-Prozess, umfassen. Vorteilhaft wird eine Methanspaltungsmethode verwendet, bei welcher der abgespaltene Kohlenstoff als Feststoff ausgegeben wird. Dies ist beispielsweise bei einem Kvaerner-Prozess erfüllt.
Ferner kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, den Kohlenstoff durch Methanolsynthese und Methanolspaltung herzustellen. Die bei der Karbonisierung in der Karbonisierungseinheit anfallende (Ab-)Wärme kann zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die (Ab-) Wärme aus der Kraftstoff-Syntheseeinheit zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Gesamtverfahrens wird dadurch weiter erhöht und der Primärenergiebedarf des Verfahrens reduziert.
Vorzugweise werden die Sauerstoffteilmenge und die gereinigte Umgebungsluft an die Außenatmosphäre abgegeben und die Wasserstoffteilmenge und die Kohlenstoffdioxidmenge in der Karbonisierungseinheit in Wasser, Kohlenstoff und Wärme umgewandelt. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Kohlenstoffdioxidanteils in der atmosphärischen Luft und damit den Ausgleich eines bestehenden Ungleichgewichts der Mengen der Luftbestandteile.
Die Erfindung wird nachstehend anhand weiterer Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur eine perspektivische Ansicht einer Produktionsanlage zur Produktion eines CO2- negativen Flüssigkraftstoffs.
Die Erfindung umfasst im Wesentlichen zwei Schritte, die Produktion eines CO2- negativen Flüssigkraftstoffs in einer Produktionsanlage einerseits und die Verwendung dieses Flüssigkraftstoffs in einem stationären, kalorischen Werk zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie andererseits.
Die Produktion des CCh-neutralen Flüssigkraftstoffs erfolgt vorzugsweise in einer Produktionsanlage 10, die sich in einem Gebiet mit hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung und in Meeresnähe befindet, beispielsweise in Saudi-Arabien. Bei der Produktionsanlage 10 handelt es sich vorzugsweise um ein Großkraftwerk. Die Produktionsanlage 10 kann mindestens einen Montagebereich 18 aufweisen, der mit einem Fundament eines Gebäudes und/oder Bauwerks verbunden ist.
Die Produktionsanlage 10 kann eine Elektrolyseeinheit 11 zur Herstellung von Sauerstoff und eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 zum Reinigen der Umgebungsluft UL der die Produktionsanlage 10 umgebenden Außenatmosphäre umfassen. Generell ist es möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 und/oder die Kohlenstoffdioxid-Sorptionsei nheit 12 in einem gemeinsamen Gebäude oder in separaten Gebäuden angeordnet sind. Die Produktionsanlage 10 kann ferner eine Stromerzeugungseinheit 31 zur autarken Stromversorgung der Produktionsanlage
10 umfassen, auf die später näher eingegangen wird.
Die Elektrolyseeinheit 11 ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge M HZO durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge aufzunehmen. Die Elektrolyseeinheit 11 bildet somit eine Einheit zur Wasserelektrolyse. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit einer Wasserzuführleitung 13 zur Aufnahme der Wassermenge M H2O verbunden. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, ist zwischen der Elektrolyseeinheit 11 und der Wasserzuführleitung 13 eine Pumpeneinheit 25 angeordnet. Die Pumpeneinheit 25 weist mindestens eine Pumpe zum Beförderung von Wasser aus einem Wasserreservoir 26 auf. Das Wasserreservoir 26 kann ein Meer mit Meerwasser sein.
Um das Meerwasser für den Elektrolysevorgang über die Elektrolyseeinheit 11 aufzubereiten, kann die Produktionsanlage 10 eine Meerwasserentsalzungseinheit 27 aufweisen. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist dazu angepasst, aus der geförderten Meerwassermenge M H2O einen bestimmten Salzanteil herauszutrennen, so dass das Meerwasser nach dem Entsalzungsvorgang durch die Meerwasserentsalzungseinheit 27 einen verringerten Salzgehalt aufweist. Die entsalzte Meerwassermenge M H2O entspricht der Wassermenge M H2O, die durch die Elektrolyseeinheit 11 in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit der Meerwasserentsalzungseinheit 27 durch mindestens eine Rohrleitung verbunden. Zur Ausgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M02 weist die Elektrolyseeinheit
11 einen Sauerstoffauslass 16 auf, der in die Außenatmosphäre mündet. Es ist möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 einen oder mehrere Sauerstoffauslässe 16 zur Ausgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M02 aufweist.
Die Produktionsanlage 10 weist des Weiteren wenigstens eine (nicht dargestellte) Wasserstoff-Transporteinrichtung auf, die dazu angepasst ist, einen ersten Teil der von der Wassermenge M H2O abgetrennten Wasserstoffteilmenge einer Karbonisierungseinheit 34 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Ein zweiter Teil der Wasserstoffteilmenge kann einer Kraftstoff-Syntheseeinheit 37, beispielsweise einer Methanol-Syntheseeinheit, zugeführt werden. Gemäß Fig. 1 weist die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen Lufteinlass 14 zur Zufuhr der Umgebungsluft UL und eine nachgeordnete Sorbereinrichtung 15 auf. Es ist möglich, dass die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen oder mehrere Lufteinlässe 14 aufweist. Die Sorbereinrichtung 15 ist mit dem Lufteinlass 14 verbunden. Die Sorbereinrichtung 15 ist dazu angepasst, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 weist des Weiteren einen Luftauslass 17 auf. Der Luftauslass 17 dient zur Abgabe der von Kohlenstoffdioxid gereinigten Umgebungsluft UL'. Der Luftauslass 17 kann in Vertikalrichtung nach oben ausgerichtet und/oder Teil eines Kamins 19 sein.
Konkret ist die Sorbereinrichtung 15 zwischen dem Lufteinlass 14 und dem Luftauslass 17 angeordnet. Im Betrieb strömt die Umgebungsluft UL durch den Lufteinlass 14 zur Sorbereinrichtung 15, die eine bestimmte Kohlenstoffdioxidmenge aus der Luft UL abtrennt, insbesondere filtert, wobei die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Sorbereinrichtung 15 durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre strömt.
Die Produktionsanlage 10 umfasst des Weiteren eine Kohlenstoffdioxid- Transporteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die aus der Umgebungsluft UL abgetrennte Kohlenstoffdioxidmenge einem Kohlenstoffdioxidzwischenspeicher und/oder der Karbonisierungseinheit 34 der Produktionsanlage 10 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise werden der Karbonisierungseinheit 34 somit der erste Teil der Wasserstoffteilmenge und der erste Teil der Kohlenstoffdioxidmenge zugeführt, sodass die extrahierte Kohlenstoffdioxidmenge mit der abgetrennten Wasserstoffteilmenge zu weiteren Zwischen- und/oder Endprodukten verarbeitet wird. Konkret können der erste Teil der Kohlenstoffdioxidmenge und der zweite Teil der Wasserstoffteilmenge durch die in der Karbonisierungseinheit 34 durchgeführte Methanisierung in Wasser, Kohlenstoff (Graphit) und Wärme umgesetzt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Produktionsanlage 10 einen flächigen Anlagenbereich 23 auf. Der flächige Anlagenbereich 23 schließt vorzugsweise an die Elektrolyseeinheit 11 direkt an. Auf dem flächigen Anlagenbereich 23 ist eine Stromerzeugungseinheit 31 angeordnet, die eine Photovoltaikanlage 24 ist. Die Photovoltaikanlage 24 ist mit den jeweiligen Einheiten der Produktionsanlage 10 zur Stromversorgung verbunden. Die Photovoltaikanlage 24 ist derart angepasst, dass die gesamte Produktionsanlage 10 energieautark betreibbar ist. Darunter ist zu verstehen, dass der elektrische Strom zum Betrieb der gesamten Produktionsanlage 10 ausschließlich durch Sonnenenergie mittels der Photovoltaikanlage 24 bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten werden für den Betrieb der Produktionsanlage 10 vorzugweise keine fossilen Energiequellen verwendet. Die Stromerzeugungseinheit 31 umfasst vorzugsweise einen (nicht dargestellten) Energiespeicher, der dazu angepasst ist, die Produktionsanlage 10 während des Nachtbetriebs mit Strom zu versorgen. Alternativ zur Photovoltaikanlage 24 können auch andere Einheit zur Erzeugung regenerativer, elektrischer Energie, beispielsweise Windenergieanlagen, insbesondere Offshore- Windparks, eingesetzt werden.
Die vorstehend beschriebene Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit einer Wasserrückführleitung 28 verbunden, durch die eine rückzuführende Meerwassermenge M'HZO mit erhöhtem Salzgehalt in das Meer zurückgeführt wird. Konkret wird aus der entnommenen Meerwassermenge ein bestimmter Salzgehalt extrahiert und anschließend mit einem Teil der entnommenen Meerwassermenge als rückzuführende Wassermenge M 'HZO wieder in das Meer zurückgeführt. Dadurch ist ein Wasserkreislauf bereitgestellt, der für die Natur unschädlich ist.
Die Produktionsanlage 10 umfasst ferner eine Kraftstoff-Syntheseeinheit 37. Die Kraftstoff-Syntheseeinheit 37 ist mit der Elektrolyseeinheit 11 oder einem Wasserstoffzwischenspeicher durch eine Wasserstoff-Transporteinrichtung und mit der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 durch eine Kohlenstoffdioxid- Transporteinrichtung verbunden. Aus dem zugeführten Wasserstoff und Kohlenstoff synthetisiert die Kraftstoff-Syntheseeinheit 37 einen Flüssig Kraftstoff, vorzugsweise Methanol, das über einen Kraftstoffauslass 38 aus der Produktionsanlage 10 entnommen werden kann. Der Kraftstoff kann insbesondere mittels eines Kraftstoffverteilsystems, das Pipelines, Schiffe, insbesondere Tankschiffe, Tankgüterzüge und/oder Tanklastwagen umfassen kann, an dezentrale Kraftstofflager weltweit verteilt werden. Die Kraftstofflager können insbesondere an stationäre, kalorische Werke angeschlossen sein, um den Kraftstoff dort zum Betrieb des jeweiligen Werks zur Verfügung zu stellen. Durch eine entsprechende Steuerung des Verfahrens in der Produktionsanlage 10 kann eingestellt werden, welcher Anteil des in der Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit sorbierten Kohlenstoffs für die Produktion des Flüssig kraftstoffs oder für die Produktion von Graphit zur Speicherung in einem Kohlenstoffspeicher genutzt wird. Anfangs wird voraussichtlich ein Verhältnis von 20% Graphit und 80% Flüssigkraftstoff zweckmäßig sein, wobei der Anteil an Flüssigkraftstoff im Verlauf sukzessive reduziert und der Anteil an Graphit erhöht werden kann, wenn der Bedarf an der Produktion von Flüssigkraftstoff, insbesondere durch den Bau weiterer Produktionsanlagen 10, sinkt.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Betreiben der Produktionsanlage 10 und damit zum Herstellen von CCh-negativem Kraftstoff näher beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird mittels der Elektrolyseeinheit 11 zur Sauerstoffherstellung durch die Wasserzuführleitung 13 eine Wassermenge M HZO aufgenommen. Die aufgenommene Wassermenge M HZO wird anschließend durch einen Elektrolysevorgang in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt. Die Wasserstoffteilmenge wird durch mindestens eine Wasserstoff-Transporteinrichtung einer Karbonisierungseinheit 34 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt, wobei die Karbonisierungseinheit 34 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Methanisierungsprozess bewirkt, der eine Methansynthese und eine Methanspaltung umfasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird Umgebungsluft UL einer die Produktionsanlage 10 umgebenden Außenatmosphäre durch die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 gereinigt. Die Umgebungsluft UL wird durch mehrere Lufteinlässe 14 in die Strömungskanäle 21 eingeleitet, insbesondere eingesaugt, und den nachgeordneten Sorbereinrichtungen 15 zugeführt. Anschließend extrahieren die Sorbereinrichtungen 15 eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der zugeführten Umgebungsluft UL. Ein erster Teil der Kohlenstoffdioxidmenge wird durch die Kohlenstoffdioxid- Transporteinrichtung der Karbonisierungseinheit 34 zur Methanisierung zugeführt. Anschließend wird die gewonnene Sauerstoffteilmenge M02 nach dem Zerlegungsvorgang und die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Extraktion der Kohlenstoffdioxidmenge in die Außenatmosphäre abgegeben. Dadurch wird der Sauerstoffanteil in der Lufterhöht und der CCh-Anteil in der Luft verringert. Der erste Teil der Wasserstoffteilmenge wird ferner gemeinsam mit dem ersten Teil der Kohlenstoffdioxidmenge mittels des Methanisierungsprozesses in Wasser, Kohlenstoff bzw. Graphit und Wärme umgewandelt.
Bei dem Verfahren wird Meerwasser entsalzt und das entsalzte Meerwasser anschließend mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Sauerstoff O2 wird an die Umgebungsluft, insbesondere in die Atmosphäre, abgeben, so dass der Sauerstoffanteil in der Umgebung der Produktionsanlage erhöht wird. Parallel dazu wird Kohlenstoffdioxid CO2 mittels einer Kohlenstoffdioxidsorption aus der Umgebungsluft UL, insbesondere der Atmosphäre, gesammelt. Wie bei dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff bzw. der Wasserstoffteilmenge wird auch der erste Teil der aus der Umgebungsluft UL entnommenen Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit 34 geleitet.
Der Kohlenstoff bzw. Graphit kann anschließend über die Kohlenstofftransporteinrichtung 35 einem Kohlenstoffspeicher zugeführt werden. Der Kohlenstoffspeicher kann beispielsweise das Wasserreservoir 26 bzw. das Meer sein. Da der in dem Methanisierungsprozess entstehende Graphit kaum bis keine Verunreinigungen aufweist und gesteinsähnlich verfestigt ist, bestehen keine Bedenken, den Graphit im Meer zu verklappen.
Neben dem oben erwähnten Kohlenstoff-reduzierenden Prozess werden ein zweiter Teil der Wasserstoffteilmenge und ein zweiter Teil der Kohlenstoffdioxidmenge der Kraftstoff-Syntheseeinheit 37 zugeführt und dort zur Herstellung des CCh-negativen Flüssigkraftstoffs kombiniert. Abfallprodukte, wie Wasserstoff und/oder Sauerstoff, aus dem Methanisierungsprozess können für die Kraftstoffsynthese verwendet werden.
Die für die Elektrolyse, die Kohlenstoffdioxidsorption und die Methanisierung benötigte Energie stammt aus regenerativen Energiequellen, konkret der Photovoltaikanlage 24, so dass hier keine zusätzliche Produktion von Kohlenstoffdioxid erfolgt.
Durch das hier beschriebene Verfahren ist es daher möglich, Kohlenstoffdioxid effizient aus der Erdatmosphäre zu entfernen und es in seine Bestandteile Graphit und Sauerstoff zu zerlegen, während gleichzeitig ein Flüssig Kraftstoff erzeugt wird, der weniger Auswirkungen auf den Klimawandel hat als jeder bekannte fossile Kraftstoff. Der Sauerstoff kann in die Atmosphäre zurückgeführt und das Graphit dauerhaft in einem Kohlenstoffspeicher, beispielsweise dem Meer, gelagert werden. Bei der Herstellung des CCh-negativen Flüssigkraftstoffs wird CO2 aus der atmosphärischen Luft entfernt und der überschüssige Kohlenstoff in einem Kohlenstoffspeicher gespeichert. Auf diese Weise erzielt das Verfahren effizient eine Verbesserung der atmosphärischen Luftqualität.
Bezuaszeichenliste
10 Produktionsanlage
11 Elektrolyseeinheit
12 Kohlenstoffdioxid -Sorptionseinheit
13 Wasserzuführleitung
14 Lufteinlass
15 Sorbereinrichtung
16 Sauerstoffauslass
17 Luftauslass
18 Montagebereich
19 Kamin
23 Flächiger Anlagenbereich
24 Photovoltaikanlage
25 Pumpeinheit
26 Wasserreservoir
27 Meerwasserentsalzungseinheit
28 Wasserrückführleitung
29 Teillängserstreckung
31 Stromerzeugungseinheit
32 Längserstreckung
33 Quererstreckung
34 Karbonisierungseinheit
35 Kohlenstofftransporteinrichtung
36 Kohlenstoffauslass
37 Kraftstoff-Syntheseeinheit
38 Kraftstoffauslass
UL Umgebungsluft
UL' Gereinigte Umgebungsluft
MH2O Entnommene Wassermenge M'H2O Rückgeführte Wassermenge MQ2 Sauerstoffteilmenge

Claims

Ansprüche Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder thermischer Energie mit den folgenden Schritten:
- Produzieren eines Flüssig raftstoffs in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess, der mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird und die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen von Sauerstoff in einer Elektrolyseeinheit (11), die durch mindestens eine Wasserzuführleitung (13) eine Wassermenge (MHZO), insbesondere aus dem Meer, aufnimmt und die aufgenommene Wassermenge (MHZO) in eine Sauerstoffteilmenge (M02) und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt; b) Leiten eines ersten Teils der Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit (11) zu einer Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge zu einer Kraftstoff-Syntheseeinheit (37); c) Reinigen von Umgebungsluft (UL) in mindestens einer Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12), wobei die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) die Umgebungsluft (UL) durch mindestens einen Lufteinlass (14) aufnimmt und eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft (UL) in mindestens einer nachgeordneten Sorbereinrichtung (15) extrahiert; d) Leiten eines ersten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Kraftstoff- Syntheseeinheit (37); e) Herstellen von Kohlenstoff in der Karbonisierungseinheit (34), insbesondere durch Methansynthese und Methanspaltung und/oder durch Methanolsynthese und Methanolspaltung, und f) Kombinieren des zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge und des zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge in der Kraftstoff- Syntheseeinheit (37) zur Herstellung des Flüssig Kraftstoffs, und Verwenden des Flüssig raftstoffs zur Erzeugung einer Wärmeenergiemenge und/oder elektrischen Energiemenge in einem stationären, kalorischen Werk.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dad u rch geken nzeich net, dass
Schritt e) das Transportieren des Kohlenstoffs, insbesondere zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher, insbesondere einem Bereich des Meeresbodens, umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dad u rch geken nzeich net, dass das stationäre kalorische Werk ein turbinengetriebenes Kraftwerk und/oder ein motorbetriebenes Kraftwerk und/oder ein Kraft-Wärme- Kopplungswerk und/oder ein Heizwerk ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dad u rch geken nzeich net, dass der Flüssig Kraftstoff in einer Produktionsanlage produziert wird, die von dem stationären, kalorischen Werk räumlich getrennt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dad u rch geken nzeich net, dass der Flüssigkraftstoff durch mindestens ein Transportsystem, insbesondere eine Pipeline oder ein Tankfahrzeug, von der Produktionsanlage zum stationären, kalorischen Werk transportiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dad u rch geken nzeich net, dass die Produktionsanlage als regenerative Energiequelle eine Photovoltaikanlage umfasst und sich in einer Region mit einer globalen horizontalen Sonneneinstrahlung pro Jahr von mindestens 1.500 kWh/m2 befindet.
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