WO2020119862A1 - Thermische solaranlage und verfahren zur wasserstofferzeugung - Google Patents

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WO2020119862A1
WO2020119862A1 PCT/DE2019/101075 DE2019101075W WO2020119862A1 WO 2020119862 A1 WO2020119862 A1 WO 2020119862A1 DE 2019101075 W DE2019101075 W DE 2019101075W WO 2020119862 A1 WO2020119862 A1 WO 2020119862A1
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Yves-Michael KIFFNER
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Kiffner Yves Michael
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    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
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    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a thermal solar system, a method for producing hydrogen by means of the thermal solar system, and the use thereof, which are particularly suitable for use near the coast in sunny regions.
  • DE 24 12 908 A1 discloses a weather power plant which uses electrical energy obtained from solar thermal energy to generate hydrogen electrolytically. Filtered and purified rainwater serves as the electrolyte.
  • DE 10 2013 022 004 A1 describes an apparatus and a method for the production of hydrogen by means of fuel glass technology on a seagoing ship. Accordingly, the solar thermal energy obtained by means of a fuel glass is converted into steam and used by means of heat exchangers or a steam turbine with a generator for direct current generation. The direct current generated is used for the electrolytic production of hydrogen.
  • the water required for electrolysis is removed from the water tanks that are carried along; The generation of hydrogen is therefore tied to the capacity of the water tanks and can only be carried out in batch mode.
  • the object of the invention is to provide a thermal solar system for hydrogen generation and a process for the production of hydrogen, which he make it possible to obtain hydrogen from fresh or salt water in continuous operation with efficient use of solar thermal energy.
  • This object is achieved by a thermal solar system for hydrogen production with the characterizing features of claim 1 and a method for the manufacture of hydrogen according to claim 8; Expedient developments of the invention are described in claims 2 to 7 and 9. Advantageous uses arise from claim 10.
  • the thermal solar system for hydrogen generation comprises a floating body, a thermal solar collector, a distillation device, a heat engine with a coupled electric generator and an electrolysis cell.
  • the floating body carries the components of the solar system; he is in an ambient water, d. H. a pond, lake, river or in the sea, buoyant.
  • the floating body can be composed of several components and, for example, comprise a hull container, buoyancy body and platform elements.
  • a heat transfer fluid is used for heat transfer, which flows in a closed primary circuit in the solar system.
  • the heated heat transfer fluid for example a thermal oil, is, according to the invention, conducted via a pipe of the primary circuit from the thermal solar collector to the heat engine, further from the heat engine to the distillation device and finally from the distillation device back to the solar collector.
  • the thermal solar collector is used to heat the heat transfer fluid.
  • the solar radiation if necessary bundled, is directed onto a region of the pipeline of the primary circuit guided by the solar collector, and the heat transfer fluid therein is heated or heated.
  • the ambient water is supplied to the distillation device when used as intended. It comprises at least one distillation chamber, having a chamber ceiling and a chamber floor, and a collector. In the respective distillation chamber, the ambient water is evaporated on the pipeline of the primary circuit, which is heated by means of the heat exchanger liquid. The water vapor condenses as distilled water within the respective distillation chamber. The Distilled water is then led out of the distillation chamber and collected in the collector.
  • the pipeline of the primary circuit is guided through the distillation chamber or the distillation chambers and is preferably arranged on the respective chamber bottom.
  • the distilled water flows in a pipeline of an open secondary run, where it is first led from the collector of the distillation device to the engine and then from the engine to the electrolysis cell.
  • the heat engine with the coupled generator is used to convert thermal energy into electrical energy.
  • the flowing from the solar collector, he heated heat transfer fluid acts as a heat source and the flowing from the distillation device distilled water as a heat sink;
  • the resulting from the temperature difference between the heat source and heat heat energy is first converted into mechanical energy, for example in rotational energy, by means of the heat engine, and then converted into electrical energy by means of the generator coupled to the heat engine.
  • the heat engine can be a steam turbine, which is driven with evaporated heat transfer fluid, or a Stirling engine.
  • the heat engine with the coupled generator is preferably a heat cycle machine according to DE 10 2016 122 156 B4; with regard to the characteristic features of this heat cycle machine, reference is made to or referred to DE 10 2016 122 156 B4.
  • the distilled water conducted through the pipeline of the secondary run to the electrolysis cell is electrolytically decomposed into hydrogen and oxygen in the electrolysis cell by means of the electrical energy generated by the heat engine with a coupled electrical generator.
  • the electrolysis of the distilled water can be carried out with the addition of a conductivity-increasing agent and / or with the use of a suitable catalyst.
  • the hydrogen produced is collected in suitable storage tanks or piped to a consumer.
  • An advantage in addition to the continuous operation of the solar system according to the invention or the process for the production of hydrogen, which make it possible to obtain water from sea or sea water by means of solar energy, is its high efficiency.
  • the thermal energy obtained by means of the solar collector is first led to the heat engine, in which part of the heat energy of the highly heated heat transfer fluid is converted into electrical energy.
  • the remaining heat energy of the heat transfer fluid is then used to distill the surrounding water.
  • the distilled water is used - as a heat sink - to cool the heat engine.
  • deposits, contamination or signs of corrosion when flowing through the heat engine are avoided or largely insulated.
  • Another advantage of the solar system according to the invention for hydrogen production and the method for producing hydrogen is the direct use of the distilled water for electrolysis. Irrespective of the quality of the surrounding water, the electrolytic cell is continuously supplied with high-purity distilled water, such as an electrolyte with a constant composition. Cleaning operations are therefore unnecessary. In addition, the elevated temperature of the distilled water - due to the residual heat present - has an advantageous effect on the efficiency of the electrolytic reaction.
  • the solar system can be operated independently, with little maintenance.
  • the solar generator comprises one or more curved mirrors, for example parabolic mirrors or channels, in the focal point of which the pipeline of the primary circuit is arranged.
  • the mirror or mirrors can be connected to a mechanism that aligns the mirrors according to the position of the sun with respect to azimuth and elevation in order to ensure the optimal orientation to the sun.
  • one or more cooling channels flooded with ambient water are arranged in the region of the chamber ceiling of the distillation chamber.
  • the cooling channels are tubular openings through the distillation device or the respective distillation chamber, ie the ambient water is passed through the cooling channels from the outside, from the surroundings of the float.
  • the ambient water is separated by the walls of the cooling channels from access to the distillation chamber, ie there is no mass transfer, but only the transition of the condensation heat through the walls of the cooling channels into the ambient water flowing through the cooling channels.
  • one or more draining ridges are advantageously attached along each cooling channel on the chamber side. Opposite the respective drainer, d. H. when used as intended, a drip channel inclined in the longitudinal direction is arranged underneath each drip board. After the condensation on the cooling channels, the distilled water runs from the draining board into the draining channel, through which it flows out of the distillation chamber due to its inclination.
  • the at least one distillation chamber can have an ambient water supply line for supplying the ambient water.
  • the level of the ambient water in the distillation chamber can be controlled or regulated by means of a control valve in the ambient water supply line.
  • the supply of the ambient water to the distillation chamber is preferably controlled by means of the control valve so that a constant level of the ambient water in the distillation chamber is set immediately above the pipeline of the primary circuit heated by heat transfer fluid.
  • the pipe through the at least one distillation chamber of the primary circuit is arranged on the chamber bottom of the distillation chamber. This ensures that the pipeline is covered even at low water levels.
  • the distillation device has a cascade of a plurality of distillation chambers arranged one above the other.
  • the pipeline of the primary circuit is led through the individual distillation chambers of this stack, the flow of the heat transfer liquid preferably taking place from bottom to top when used as intended.
  • the distillation device is introduced in a partial area (inside) of the float which is located below the water line of the ambient water when the solar system is floating in the ambient water, ie. that is, the distillation device is installed, for example, inside a buoyant hull container. This facilitates the removal of the ambient water, since the ambient water can flow through the ambient water supply lines into the distillation chambers without the need for pumping.
  • An advantageous use of the solar system according to the invention and / or of the method according to the invention consists in the production of salt during operation of the system in sea water or in saline inland waters, since salt is obtained as the distillate residue of the distillation process.
  • the solar system can be used to produce high-purity oxygen.
  • the high-purity oxygen that is generated in the electrolysis cell in addition to the hydrogen can - just like the hydrogen - be collected and stored - for example compressed in compressed gas containers.
  • Fig. 4 the solar system in a horizontal section in the area of heat
  • the solar system has the floating body 1, which comprises several parts, namely a cylindrical hull container in which the device 3 is introduced, as well as several (not designated) platform elements and buoyancy bodies.
  • the heat engine with a coupled generator 4 and the electrolysis cell 5 are located on the floating body 1.
  • the thermal solar collector 2 is attached to a frame (not designated) on the floating body 1. This includes five paraboirs, which can be aligned by means of a mechanism both in azimuth and in elevation.
  • the pipeline of the primary circuit 6, through which the heat transfer liquid 7, here a thermal oil, flows in the circuit, is ge through the area of the focal point of each of the parabouins to ensure a high heat input of the solar radiation in the heat transfer liquid 7.
  • the heated heat transfer fluid 7 flows in the pipeline of the primary circuit 6 first to the heat engine 4, in which part of the thermal energy of the heat transfer fluid 7 is converted into mechanical energy and then by means of the coupled generator 4 into electrical energy.
  • the heated heat transfer liquid 7 is then passed through the distillation device 3 and finally passed back to the solar collector 2.
  • the continuous flow of the heat transfer liquid 7 in the primary circuit 6 is ensured by means of a (not designated) pump.
  • the distillation device 3 introduced into the hull container of the floating body 1 comprises four distillation chambers 3.1, which are arranged one above the other in a stack.
  • the bottom of the distillation device 3 is the collector 3.2.
  • Each of the distillation chambers 3.1 has a chamber ceiling 3.1 1, an inclined chamber floor 3.12 and an ambient water supply line 3.13 for supplying the ambient water 9.
  • the inflow of the ambient water 9 can be gel valve 3.14 in each of the ambient water supply lines 3.13 controllable or regulatable.
  • the pipeline of the primary circuit 6 is guided in a meandering manner in a vertical orientation through the individual distillation chambers 3.1, it being arranged inside each of the distillation chambers 3.1 at the chamber floor 3.12 thereof.
  • the cylindrical hull container of the floating body 1 is located as intended under the water line of the ambient water 9, so that the inlet openings of the ambient water supply lines 3.13, which are located in the area of the control valves 3.14, are arranged under water.
  • the Ambient water 9, regulated by the control valves 3.14, can pass through the ambient water supply lines 3.13 into the distillation chambers 3.1 without the need for pumping.
  • the regulation of the inflow by means of the control valves 3.14 is set or regulated such that the water level 9.1 of the ambient water 9 is located within each of the distillation chambers 3.1 immediately above the pipeline of the primary circuit 6.
  • cooling channels 3.15 which are flooded with ambient water 9. They are designed as tubular openings through the hull container of the floating body 1 and the distillation chambers 3.1.
  • the ambient water 9 located in the individual distillation chambers 3.1 is evaporated on the pipe of the primary circuit 6 heated by the heat transfer liquid 7. It then condenses as distilled water 10 on the cooling channels 3.15.
  • a drip bar is attached to the underside of the cooling channels 3.15.
  • the distilled water 10 passes from the respective draining board into an inclined draining channel 3.16 located under each of the draining boards. Along the drainer 3.16, the distilled water 10 flows out of the respective distillation chamber 3.1 and reaches the collector 3.2 via a pipe (not shown).
  • the detail D on the right side of the picture shows one of the cooling channels 3.15 and the drainage channel 3.16 below it in cross section.
  • the distilled water 10 is led from the collector 3.2 to the heat engine 4 by means of the pipeline of the secondary run 8.
  • the heat engine with a coupled generator 4 is a heat cycle machine according to DE 10 2016 122 156 B4, which is supplied with heat by means of the heat source forming heat transfer liquid 7 and which is cooled by means of the distilled water 10 forming the heat sink.
  • the thermal energy is converted into mechanical work and into electrical energy by means of the integrated generator 4.
  • the electrical energy obtained is supplied to the electrolytic cell 5 by means of the electrical conductor 5.2.
  • the electrical energy is used to operate other units, such as pumps and controls.
  • the distilled water 10 which still has residual heat after the distillation and the flow through the heat engine 4, is conveyed via the pipeline of the secondary run 8 by means of a (not designated) pump to the electrolytic cell 5.
  • the decomposition of the distilled water 10 into hydrogen and oxygen takes place at the electrodes 5.1.
  • the hydrogen is collected in suitable tanks or hydride storage tanks or used directly via pipelines.
  • the high-purity oxygen can also be used after storage, for example after compression as pressurized oxygen in pressurized gas containers.
  • the distillate residues are removed from the distillation chambers 3.1 by means of a pump (not designated) and either returned to the ambient water 9 or used for the further extraction of raw materials, for example sea salt.
  • the horizontal sectional view of the distillation device 3 in the bottom region of the bottom distillation chamber 3.1 according to FIG. 2 illustrates the guidance of the pipe lines.
  • device of the primary circuit 6, which is arranged in the horizontal plane meandering within the distillation chamber 3.1.
  • the horizontal sectional view of the distillation device 3 in the ceiling area of the lowermost distillation chamber 3.1 according to FIG. 3 additionally shows the cooling channels 3.15 and the arrangement of the drip channels 3.16.
  • the heat engine with a coupled generator 4 according to FIG. 4 is a heat cycle machine according to DE 10 2016 122 156 B4, which is cooled by means of the distilled water 10 supplied via the pipeline of the secondary run 8. The heat is introduced by the heated heat transfer fluid 7 flowing in the pipeline of the primary circuit 6.
  • the structure and mode of operation of the heat cycle machine are described in detail in DE 10 2016 122 156 B4, to which reference is made here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, die unter effizienter Nutzung solarer Wärmeenergie in kontinuierlicher Arbeitsweise die Gewinnung von Wasserstoff aus Süß- oder Salzwassergewässern ermöglichen. Die thermische Solaranlage umfasst einen Schwimmkörper (1), einen thermischen Solarkollektor (2), eine Destilliervorrichtung (3), eine Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator (4) sowie eine Elektrolysezelle (5). Die mittels des Solarkollektors (2) gewonnene thermische Energie wird zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Destillation von Umgebungswasser (9) genutzt. Mittels des entstehenden destillierten Wassers (10) erfolgt zunächst die Kühlung der Wärmekraftmaschine (4); im Anschluss wird das restwarme destillierte Wasser (10) elektrolytisch in Wasser- und Sauerstoff zersetzt. Die Solaranlage sowie das Verfahren eignen sich insbesondere für den autarken, küstennahen Einsatz in sonnenreichen Gebieten. Die Solaranlage und das Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff können zudem zur Salz- und Sauerstoffgewinnung verwendet werden.

Description

Thermische Solaranlage und Verfahren zur Wasserstofferzeugung
Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage, ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mittels der thermischen Solaranlage sowie deren Verwendung, die sich insbesondere für den küstennahen Einsatz in sonnenreichen Gebieten eignen.
Bekannt ist, Sonnenergie nach Wandlung in elektrische Energie zur Wasserstoffge winnung durch elektrolytische Zersetzung von Wasser zu nutzen. So offenbart DE 24 12 908 A1 ein Wetter-Kraftwerk, das aus solarer Wärmeenergie gewonnene elektrische Energie nutzt, um elektrolytisch Wasserstoff zu erzeugen. Als Elektrolyt dient gefiltertes und gereinigtes Regenwasser.
Aus DE 41 37 569 A1 ist bekannt, mittels einer schwimmenden Anlage Sonnenener gie zur elektrolytischen Wasserstoffgewinnung zu nutzen. Die solare Strahlung wird mittels Fotovoltaikelementen in elektrische Energie gewandelt, die wiederum zur Wasserelektrolyse verwendet wird. Einzelheiten zum elektrolytischen Verfahren, ins besondere zum verwendeten Elektrolyt und der Einstellung der Elektrolytzusammen setzung sind nicht ausgeführt.
DE 10 2013 022 004 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Produkti on von Wasserstoff mittels Brennglastechnologie auf einem Seeschiff. Demgemäß wird die mittels eines Brennglases gewonnene solare Wärmeenergie in Dampf um gewandelt und mittels Wärmetauschern oder einer Dampfturbine mit Generator zur Gleichstromerzeugung genutzt. Der erzeugte Gleichstrom dient zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff. Hierbei wird das zur Elektrolyse erforderliche Wasser aus mitgeführten Wassertanks entnommen; die Wasserstofferzeugung ist insofern an die Kapazität der Wassertanks gebunden und kann nur im Batchbetrieb durchgeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeu gung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bereitzustellen, die es er möglichen, in kontinuierlicher Arbeitsweise Wasserstoff aus Süß- oder Salzwasser gewässern unter effizienter Nutzung solarer Wärmeenergie zu gewinnen. Diese Aufgabe wird durch eine thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Her stellung von Wasserstoff nach Anspruch 8 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 sowie 9 beschrieben. Vorteilhafte Verwen dungen ergeben sich aus Anspruch 10.
Nach Maßgabe der Erfindung umfasst die thermische Solaranlage zur Wasserstof ferzeugung einen Schwimmkörper, einen thermischen Solarkollektor, eine Destillier vorrichtung, eine Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator so wie eine Elektrolysezelle.
Der Schwimmkörper trägt die Bestandteile der Solaranlage; er ist in einem Umge bungswasser, d. h. einem Teich, See, Fluss oder im Meer, schwimmfähig. Der Schwimmkörper kann aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sein und zum Bei spiel einen Rumpfbehälter, Auftriebskörper und Plattformelemente umfassen.
Zur Wärmeübertragung dient eine Wärmeübertragerflüssigkeit, die in der Solaranla ge in einen geschlossenen Primärkreislauf strömt. Die erhitzte Wärmeübertragerflüs sigkeit, zum Beispiel ein Thermoöl, ist erfindungsgemäß über eine Rohrleitung des Primärkreislaufs vom thermischen Solarkollektor zur Wärmekraftmaschine, weiterhin von der Wärmekraftmaschine zur Destilliervorrichtung und schließlich von der Destil liervorrichtung zurück zum Solarkollektor geführt.
Der thermische Solarkollektor dient zur Erhitzung der Wärmeübertragerflüssigkeit. Hierzu wird die Solarstrahlung, ggf. gebündelt, auf einen durch den Solarkollektor ge führten Bereich der Rohrleitung des Primärkreislaufs gerichtet und die darin befindli che Wärmeübertragerflüssigkeit erwärmt bzw. erhitzt.
Der Destilliervorrichtung wird bei bestimmungsgemäßer Nutzung das Umgebungs wasser zugeführt. Sie umfasst mindestens eine Destillierkammer, aufweisend eine Kammerdecke und einen Kammerboden, sowie einen Sammler. In der jeweiligen Destillierkammer wird das Umgebungswasser an der mittels der Wärmeübertrager flüssigkeit erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs verdampft. Der Wasserdampf kondensiert als destilliertes Wasser innerhalb der jeweiligen Destillierkammer. Das destillierte Wasser wird anschließend aus der Destillierkammer geleitet und im Sammler aufgefangen. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs ist durch die Destillier kammer bzw. die Destillierkammern geführt und vorzugsweise am jeweiligen Kam merboden angeordnet.
Das destillierte Wasser strömt in einer Rohrleitung eines offenen Sekundärlaufs, wo bei es aus dem Sammler der Destilliervorrichtung zunächst zur Kraftmaschine und anschließend von der Kraftmaschine zur Elektrolysezelle geführt ist.
Die Wärmekraftmaschine mit dem gekoppelten Generator dient zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Die vom Solarkollektor zuströmende, er hitzte Wärmeübertragerflüssigkeit fungiert als Wärmequelle und das von der Destil liervorrichtung zuströmende destillierte Wasser als Wärmesenke; die sich aus dem Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und -senke ergebende Wärmeener gie wird zunächst mittels der Wärmekraftmaschine in mechanischen Energie, zum Beispiel in Rotationsenergie, und anschließend mittels des mit der Wärmekraftma schine gekoppelten Generators in elektrische Energie gewandelt.
Die Wärmekraftmaschine kann eine Dampfturbine, die mit verdampfter Wärmeüber tragerflüssigkeit angetrieben wird, oder ein Stirlingmotor sein. Vorzugsweise ist die Wärmekraftmaschine mit dem gekoppelten Generator eine Wärmezyklusmaschine nach DE 10 2016 122 156 B4; hinsichtlich der kennzeichnenden Merkmale dieser Wärmezyklusmaschine wird auf DE 10 2016 122 156 B4 Bezug genommen bzw. verwiesen.
Das über die Rohrleitung des Sekundärlaufs zur Elektrolysezelle geführte destillierte Wasser, wird in der Elektrolysezelle mittels der von der Wärmekraftmaschine mit ge koppeltem elektrischem Generator erzeugten elektrischen Energie elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Die Elektrolyse des destillierten Wassers kann unter Zugabe eines leitfähigkeitserhöhenden Agens und/oder unter Verwendung ei nes geeigneten Katalysators erfolgen.
Der entstehende Wasserstoff wird in geeigneten Speichern aufgefangen oder über Rohrleitungen zu einem Verbraucher geleitet. Ein Vorteil neben der kontinuierlicher Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Solaran lage bzw. des Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff, die es ermöglichen Was serstoff aus See- oder Meerwasser mittels Solarenergie zu gewinnen, ist deren hohe Effizienz. Die mittels des Solarkollektors gewonnene thermische Energie wird zu nächst zur Wärmekraftmaschine geleitet, in der ein Teil der Wärmeenergie der hoch erhitzen Wärmeübertragerflüssigkeit in elektrische Energie umgewandelt wird. Die restliche Wärmeenergie der Wärmeübertragerflüssigkeit wird anschließend zur Des tillation der Umgebungswassers genutzt.
Das destillierte Wasser wird - als Wärmesenke - zur Kühlung der Wärmekraftmaschi ne verwendet. Dadurch werden im Unterschied zur Nutzung ungereinigten Kühlwas sers Ablagerungen, Verunreinigungen oder Korrosionserscheinungen beim Durch strömen durch die Wärmekraftmaschine vermieden bzw. weitestgehend einge dämmt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Solaranlage zur Wasserstofferzeugung sowie des Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff ist die Direktnutzung des des tillierten Wassers zur Elektrolyse. Der Elektrolysezelle wird - unabhängig von der Qualität des Umgebungswassers - kontinuierlich hochreines destilliertes Wasser, al so ein Elektrolyt mit gleichbleibender Zusammensetzung, zugeführt. Reinigungsvor gänge sind mithin entbehrlich. Zudem wirkt sich die erhöhte Temperatur des destil lierten Wassers - infolge der vorhandenen Restwärme - vorteilhaft im Hinblick auf die Effizienz der elektrolytischen Reaktion aus.
Außerdem kann die Solaranlage autark, mit nur geringem Betreuungsaufwand be trieben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Solargenerator ein oder mehrere gekrümmte Spiegel, zum Beispiel Parabolspiegel oder -rinnen, umfasst, in deren Brennpunkt die Rohrleitung des Primärkreislaufes angeordnet ist. Der oder die Spiegel können mit einer Mechanik verbunden sein, die die Spiegel entsprechend des Sonnenstandes bezüglich Azimut und Elevation ausrichtet, um die optimale Orientierung zur Sonne zu gewährleisten. In einer Ausgestaltung sind im Bereich der Kammerdecke der Destillierkammer ein oder mehrere mit Umgebungswasser durchflutete Kühlkanäle angeordnet. Die Kühl kanäle sind rohrförmige Durchbrüche durch die Destilliervorrichtung bzw. die jeweili ge Destillierkammer ausgebildet, d. h. das Umgebungswasser wird von außen, aus der Umgebung des Schwimmkörpers, durch die Kühlkanäle hindurchgeführt. Das Umgebungswasser ist durch die Wandungen der Kühlkanäle vom Zutritt in die Destil lierkammer getrennt, d. h., es findet kein Stoffaustausch, sondern lediglich der Über gang der Kondensationswärme über die Wandungen der Kühlkanäle in das die Kühl kanäle durchflutende Umgebungswasser statt.
Vorteilhafterweise sind in dieser Ausgestaltung entlang jedes Kühlkanals kammerbo denseitig ein oder mehrere Abtropfstege angebracht. Gegenüberliegend zum jeweili gen Abtropfsteg, d. h. bei bestimmungsgemäßer Nutzung unterhalb jedes Ab tropfsteges ist eine in Längsausrichtung geneigte Abtropfrinne angeordnet. Nach der Kondensation an den Kühlkanälen rinnt das destillierte Wasser vom Abtropfsteg in die Abtropfrinne, über die es infolge ihrer Neigung aus der Destillierkammer fließt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Destilliervorrichtung der Solaranlage kann die mindestens eine Destillierkammer eine Umgebungswasserzuleitung zur Zuführung des Umgebungswassers aufweisen. Der Pegelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer ist mittels eines Regelventils in der Umgebungswasserzuleitung Steuer- oder regelbar. Die Zuführung des Umgebungswassers zur Destillierkammer wird mittels des Regelventils vorzugsweise so geregelt, dass sich ein konstanter Pe gelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer unmittelbar oberhalb der mittels Wärmeübertragerflüssigkeit erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs ein stellt.
Vorteilhafterweise ist die durch die mindestens eine Destillierkammer geführte Rohr leitung des Primärkreislaufs am Kammerboden der Destillierkammer angeordnet. Auch bei niedrigen Pegelstand kann so die Bedeckung der Rohrleitung gewährleistet werden. Die große Kontaktfläche zum Umgebungswasser, insbesondere bei einer mäanderartigen Anordnung der Rohrleitung des Primärkreislaufs in der Destillier- kammer, fördert infolge der geringen Umgebungswassermenge in der Destillierkam mer die schnelle Verdampfung des Umgebungswassers.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Destilliervorrichtung eine Kas kade aus mehreren übereinander angeordneten Destillierkammern. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs ist durch die einzelnen Destillierkammern dieses Stapels ge führt, wobei die Strömung der Wärmeübertragerflüssigkeit bei bestimmungsgemäßer Verwendung vorzugsweise von unten nach oben erfolgt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Destilliervorrichtung in einem Teilbe reich (innerhalb) des Schwimmkörpers eingebracht ist, der sich bei im Umgebungs wasser schwimmender Solaranlage unterhalb der Wasserlinie des Umgebungswas sers befindet, d. h., die Destilliervorrichtung ist zum Beispiel im Inneren eines schwimmfähigen bzw. schwimmenden Rumpfbehälters eingebaut. Dies erleichtert die Entnahme der Umgebungswassers, da das Umgebungswasser durch die Umge bungswasserzuleitungen in die Destillierkammern fließen kann, ohne das Pumpen erforderlich sind.
Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Solaranlage und/oder des er findungsgemäßen Verfahrens besteht in der Salzgewinnung bei Betrieb der Anlage in Meerwasser bzw. in salzhaltigen Binnengewässern, da Salz als Destillatrückstand des Destilliervorgangs anfällt.
Weiterhin kann die Solaranlage zur Herstellung von hochreinem Sauerstoff verwen det werden. Der in der Elektrolysezelle neben dem Wasserstoff entstehende hoch reine Sauerstoff kann - ebenso wie der Wasserstoff - aufgefangen und - zum Beispiel komprimiert in Druckgasbehältern - gespeichert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:
Fig. 1 : die Solaranlage im Vertikalschnitt,
Fig. 2: die Solaranlage in einem ersten Horizontalschnittschnitt im Bereich der Des tilliervorrichtung, Fig. 3: die Solaranlage in einem zweiten Horizontalschnittschnitt im Bereich der Destilliervorrichtung, und
Fig. 4: die Solaranlage in einem Horizontalschnittschnitt im Bereich der Wärme
kraftmaschine mit gekoppeltem Generator.
Gemäß der Fig. 1 besitzt die Solaranlage den Schwimmkörper 1 , der mehrere Teile umfasst, nämlich einen zylinderförmigen Rumpfbehälter in dem die Destilliervorrich tung 3 eingebracht ist, sowie mehrere (nicht bezeichnete) Plattformelemente sowie Auftriebskörper. Auf dem Schwimmkörper 1 befinden sich die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator 4 sowie die Elektrolysezelle 5.
An einem (nicht bezeichneten) Gestell auf dem Schwimmkörper 1 ist der thermische Solarkollektor 2 befestigt. Dieser umfasst fünf Paraboirinnen, die mittels einer Me chanik sowohl in Azimut als auch in Elevation ausrichtbar sind. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs 6, durch die die Wärmeübertragerflüssigkeit 7, hier ein Thermoöl, im Kreislauf strömt, ist durch den Bereich des Brennflecks jedes der Paraboirinnen ge führt, um einen hohen Wärmeeintrag der solaren Strahlung in die Wärmeübertrager flüssigkeit 7 sicherzustellen.
Die erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit 7 strömt in der Rohrleitung des Primärkreis laufs 6 zunächst zur Wärmekraftmaschine 4, in der ein Teil der thermischen Energie der Wärmeübertragerflüssigkeit 7 in mechanische Energie und anschließend mittels des gekoppelten Generators 4 in elektrische Energie gewandelt wird. Danach wird die erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit 7 durch die Destilliervorrichtung 3 geführt und schließlich zurück zum Solarkollektor 2 geleitet. Die kontinuierliche Strömung der Wärmeübertragerflüssigkeit 7 im Primärkreislauf 6 wird mittels einer (nicht bezeich neten) Pumpe sichergestellt.
Die im Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 eingebrachte Destilliervorrichtung 3 umfasst vier Destillierkammern 3.1 , die im Stapel übereinander angeordnet sind. Zu unterst in der Destilliervorrichtung 3 befindet sich der Sammler 3.2. Jeder der Destil lierkammern 3.1 besitzt eine Kammerdecke 3.1 1 , einen geneigten Kammerbo den 3.12 sowie eine Umgebungswasserzuleitung 3.13 zur Zufuhr des Umgebungs wassers 9. Der Zustrom des Umgebungswassers 9 ist mittels eines separaten Re- gelventils 3.14 in jeder der Umgebungswasserzuleitungen 3.13 Steuer- bzw. regel bar.
Die Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 ist in vertikaler Ausrichtung mäanderartig durch die einzelnen Destillierkammern 3.1 geführt, wobei sie innerhalb jeder der Des tillierkammern 3.1 an deren Kammerboden 3.12 angeordnet ist.
Der zylinderförmigen Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 befindet sich bestim mungsgemäß unter der Wasserlinie des Umgebungswassers 9, sodass die Ein gangsöffnungen der Umgebungswasserzuleitungen 3.13, die sich im Bereich der Regelventile 3.14 befinden, unter Wasser angeordnet sind. Das Umgebungswas ser 9 kann, geregelt über die Regelventile 3.14, durch die Umgebungswasserzulei tungen 3.13 in die Destillierkammern 3.1 gelangen, ohne das Pumpen erforderlich sind. Die Regelung des Zuflusses mittels der Regelventile 3.14 ist so eingestellt bzw. so geregelt, dass sich der Pegelstand 9.1 des Umgebungswassers 9 innerhalb jeder der Destillierkammern 3.1 unmittelbar oberhalb der Rohrleitung des Primärkreis laufs 6 befindet.
Im Bereich der Kammerdecke 3.1 1 jeder der Destillierkammern 3.1 , oberhalb der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 befinden sich die Kühlkanäle 3.15, die mit Umge bungswasser 9 durchflutet sind. Sie sind als rohrförmige Durchbrüche durch den Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 und die Destillierkammern 3.1 ausgebildet.
Das in den einzelnen Destillierkammern 3.1 befindliche Umgebungswasser 9 wird an der durch die Wärmeübertragerflüssigkeit 7 erhitzten Rohrleitung des Primärkreis laufs 6 verdampft. Es kondensiert als destilliertes Wasser 10 anschließend an den Kühlkanälen 3.15.
An der Unterseite der Kühlkanäle 3.15 ist jeweils ein Abtropfsteg angebracht. Vom jeweiligen Abtropfsteg gelangt das destillierte Wasser 10 in eine jeweils unter jedem der Abtropfstege befindliche, geneigte Abtropfrinne 3.16. Entlang der Abtropfrin nen 3.16 fließt das destillierte Wasser 10 aus der jeweiligen Destillierkammer 3.1 und gelangt über eine (nicht bezeichnete) Rohrleitung in den Sammler 3.2. Das Detail D an der rechten Bildseite zeigt einen der Kühlkanäle 3.15 sowie die darunter angeord nete Abtropfrinne 3.16 im Querschnitt.
Aus dem Sammler 3.2 wird das destillierte Wasser 10 mittels der Rohrleitung des Sekundärlaufs 8 zur Wärmekraftmaschine 4 geführt.
Die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator 4 ist eine Wärmezyklusma schine nach DE 10 2016 122 156 B4, der mittels der die Wärmequelle bildenden er hitzen Wärmeübertragerflüssigkeit 7 Wärme zugeführt und die mittels des die Wär mesenke bildenden destillierten Wassers 10 gekühlt wird. Die Wärmeenergie wird in mechanische Arbeit und mittels des integrierten Generators 4 in elektrischen Energie gewandelt.
Die gewonnene elektrische Energie wird der Elektrolysezelle 5 mittels der elektri schen Leiter 5.2 zugeführt. Zudem wird die elektrische Energie für den Betrieb von weiteren Aggregaten, wie zum Beispiel von Pumpen und Steuerungen, genutzt.
Das destillierte Wasser 10, welches nach der Destillation und dem Durchfluss durch die Wärmekraftmaschine 4 noch Restwärme aufweist, wird über die Rohrleitung des Sekundärlaufs 8 mittels einer (nicht bezeichneten) Pumpe zur Elektrolysezelle 5 ge fördert.
In der Elektrolysezelle 5 erfolgt an den Elektroden 5.1 die Zersetzung des destillier ten Wassers 10 in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird in geeigneten Tanks oder Hydridspeichern aufgefangen oder über Rohrleitungen einer direkten Nutzung zugeführt. Der hochreine Sauerstoff kann ebenfalls nach Speicherung, zum Beispiel nach Kompression als Drucksauerstoff in Druckgasbehältern, genutzt wer den.
Die Destillatrückstände werden aus den Destillierkammern 3.1 mittels einer (nicht bezeichneten) Pumpe entfernt und entweder ins Umgebungswasser 9 rückgeführt oder zur weiteren Gewinnung von Rohstoffen, zum Beispiel von Meersalz, genutzt.
Die Horizontalschnittdarstellung der Destilliervorrichtung 3 im Bodenbereich der un tersten Destillierkammer 3.1 gemäß der Fig. 2 verdeutlicht die Führung der Rohrlei- tung des Primärkreislaufs 6, die in der horizontalen Ebene mäandrierend innerhalb der Destillierkammer 3.1 angeordnet ist.
Die Horizontalschnittdarstellung der Destilliervorrichtung 3 im Deckenbereich der un- tersten Destillierkammer 3.1 gemäß der Fig. 3 zeigt zusätzlich die Kühlkanäle 3.15 und die Anordnung der Abtropfrinnen 3.16.
Die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator 4 gemäß der Fig. 4 ist eine Wärmezyklusmaschine nach DE 10 2016 122 156 B4, die mittels des über die Rohr- leitung des Sekundärlaufs 8 zugeführten destillierten Wassers 10 gekühlt ist. Die Wärme wird durch die in der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 strömende, erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit 7 eingebracht. Aufbau und Funktionsweise der Wär mezyklusmaschine sind detailliert in DE 10 2016 122 156 B4 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Schwimmkörper
2 Solarkollektor
3 Destilliervorrichtung
3.1 Destillierkammer
3.11 Kammerdecke
3.12 Kammerboden
3.13 Umgebungswasserzuleitung
3.14 Regelventil
3.15 Kühlkanal
3.16 Abtropfrinne
3.2 Sammler
4 Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator 5 Elektrolysezelle
5.1 Elektrode
5.2 elektrische Leiter
6 Primärkreislauf, Rohrleitung
7 Wärmeübertragerflüssigkeit
8 Sekundärlauf, Rohrleitung
9 Umgebungswasser
9.1 Pegelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer
10 destilliertes Wasser

Claims

Patentansprüche
1. Thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung umfassend
einen in einem Umgebungswasser (9) schwimmfähigen, die Bestandteile der So laranlage tragenden Schwimmkörper (1 ),
mindestens einen thermischen Solarkollektor (2) zur Erhitzung einer in einem geschlossenem Primärkreislauf (6) geführten Wärmeübertragerflüssigkeit (7), eine Destilliervorrichtung (3) zur Destillation des Umgebungswassers (9) zu des tilliertem Wasser (10) durch Erhitzen mittels der Wärmeübertragerflüssigkeit (7), wobei die Destilliervorrichtung (3) mindestens eine Destillierkammer (3.1 ), um fassend eine Kammerdecke (3.11 ) und einen Kammerboden (3.12), sowie einen Sammler (3.2) zum Auffangen des aus der mindestens einen Destillierkam mer (3.1 ) abgeführten destillierten Wassers (10) aufweist,
eine Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator (4) zur Um wandlung der Wärmeenergie der erhitzten Wärmeübertragerflüssigkeit (7) in elektrische Energie, und
eine Elektrolysezelle (5) zur Gewinnung von Wasserstoff durch elektrolytische Zersetzung des destillierten Wassers (10) mittels der von der Wärmekraftma schine mit gekoppeltem elektrischem Generator (4) erzeugten elektrischen Ener gie,
wobei
die Wärmeübertragerflüssigkeit (7) in einer Rohrleitung des geschlossenen Pri märkreislaufs (6) vom Solarkollektor (2) durch die Wärmekraftmaschine (4) und anschließend die Destillierkammern (3.1 ) der Destilliervorrichtung (3) zurück zum Solarkollektor (2) geführt ist,
das in der Destilliervorrichtung (3) aus dem Umgebungswasser (9) erzeugte des tillierte Wasser (10) in einer Rohrleitung eines offenen Sekundärlaufs (8) über die Wärmekraftmaschine (4) zur Elektrolysezelle (5) geführt ist, und
das destillierte Wasser (10) die Wärmesenke und die Wärmeübertragerflüssig keit (7) die Wärmequelle der in der Wärmekraftmaschine (4) gewandelten Wär meenergie bilden.
2. Thermische Solaranlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Be reich der Kammerdecke (3.11 ) der Destillierkammer (3.1 ) ein oder mehrere mit Um gebungswasser 9 durchflutete Kühlkanäle (3.15) angeordnet sind.
3. Thermische Solaranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedes Kühlkanals (3.15) kammerbodenseitig ein oder mehrere Abtropfstege ange bracht sind, wobei gegenüberliegend zu jedem der Abtropfstege jeweils eine in Längsausrichtung geneigte Abtropfrinne (3.16) angeordnet ist.
4. Thermische Solaranlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillierkammer (3.1 ) eine Umgebungswasserzuleitung (3.13) zur Zuführung des Umgebungswassers (9) aufweist, wobei der Pegelstand (9.1 ) des Umgebungswas sers (9) in der Destillierkammer (3.1 ) mittels eines Regelventils (3.14) in der Umge bungswasserzuleitung (3.13) Steuer- oder regelbar ist.
5. Thermische Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die durch die Destillierkammer (3.1 ) geführte Rohrleitung des Primär kreislaufs (6) am Kammerboden (3.12) der Destillierkammer (3.1 ) angeordnet ist.
6. Thermische Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Destilliervorrichtung (3) eine Kaskade aus mehreren übereinander angeordneten Destillierkammern (3.1 ) aufweist.
7. Thermische Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Destilliervorrichtung (3) in einem Teilbereich des Schwimmkör pers (1 ) eingebracht ist, der sich bei im Umgebungswasser (9) schwimmender Solar anlage unterhalb der Wasserlinie des Umgebungswassers (9) befindet.
8. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mittels einer thermischen Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Solaranlage schwimmend im Umge bungswasser (9) betrieben wird, umfassend die sich kontinuierlich wiederholenden Schritte:
- Erhitzen der Wärmeübertragerflüssigkeit (7) mittels des thermischen Solarkollek tors (2), - Zuführung der erhitzen Wärmeübertragerflüssigkeit (7) zur Wärmekraftmaschi ne (4) über die Rohrleitung des Primärkreislaufs (6),
- Zuführung des Umgebungswassers (9) in die Destillierkammer (3.1 ) der Destillier vorrichtung (3),
- Zuführung der erhitzten Wärmeübertragerflüssigkeit (7) von der Wärmekraftma schine (4) zur Destilliervorrichtung (3) über die Rohrleitung des Primärkreis laufs (6),
- Verdampfung des Umgebungswassers (9) an der mittels Wärmeübertragerflüssig keit (7) erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs (6) innerhalb der Destillierkam mer (3.1 ),
- Kondensation des verdampften Umgebungswassers (9) innerhalb der Destillier kammer (3.1 ) und Auffangen des destillierten Wassers (10) in dem Sammler (3.2) der Destilliervorrichtung (3),
- Zuführung des destillierten Wassers (10) von der Destilliervorrichtung (3) zur
Wärmekraftmaschine (4) über die Rohrleitung des Sekundärlaufs (8),
- Umwandlung der Wärmeenergie der erhitzen Wärmeübertragerflüssigkeit (7) in mechanischer Energie mittels der Wärmekraftmaschine (4), wobei die vom Solar kollektor (2) zuströmende Wärmeübertragerflüssigkeit (7) als Wärmequelle und das von der Destilliervorrichtung (3) zuströmende destillierte Wasser(10) als Wär mesenke dienen,
- Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie mittels dem mit der Wärmekraftmaschine gekoppelten Generator (4),
- Zuführung des destillierten Wassers (10) zur Elektrolysezelle (5),
- Elektrolyse des destillierten Wassers (10) mittels der vom Generator (4) erzeugten elektrischen Energie unter Bildung von Wasserstoff.
9. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff nach Anspruch 8 mittels einer Solaran lage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Umge bungswassers (9) zur Destillierkammer (3.1 ) mittels des Regelventils (3.14) so gere gelt wird, dass sich ein konstanter Pegelstand (9.1 ) des Umgebungswassers (9) in der Destillierkammer (3.1 ) unmittelbar oberhalb der mittels Wärmeübertragerflüssig keit (7) erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs (6) einstellt.
10. Verwendung der thermischen Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder des Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff nach Anspruch 8 oder 9 zur Salzgewinnung und/oder zur Herstellung von hochreinem Sauerstoff. - Hierzu drei Blatt Zeichnungen -
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