WO2020200341A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen rohstoff - Google Patents

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Lang, Ina
Kowa, Herbert
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating hydrogen from a carbon-containing raw material, the raw material being introduced into a container and exposed to pressureless, superheated steam in the container, so that carbon-containing constituents of the raw material are converted into a gaseous state to thereby form hydrogen .
  • the present invention also relates to a device for carrying out a method for generating hydrogen from a carbonaceous raw material, with a container, the raw material being introduced into the container and being exposed to unpressurized, superheated steam in the container in such a way that carbonaceous constituents of the raw material can be converted into a gaseous state in order to form hydrogen.
  • carbon-containing raw material generally means materials or substances that have a carbon content suitable for the production of hydrogen. Not only raw materials in the narrower sense are meant, but also compounds and any combination of raw materials and mixtures of different substances and compounds.
  • a process is described as photocatalysis which, when exposed to electromagnetic radiation, primarily in the visible wave range, either significantly reduces the application temperature during synthesis processes or converts it with very few by-products, i.e. H. with high concentration and high purity of the desired products.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for generating hydrogen from a carbonaceous raw material, according to which a comparatively simple and safe generation of hydrogen is made possible even in small systems with structurally simple means.
  • the above object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 13.
  • a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 13. it has been recognized that it is entirely possible to produce hydrogen in a safe and simple manner from a carbon-containing raw material, in particular in smaller plants that also operate inexpensively.
  • pressureless, superheated steam is used in a concrete way, with which the raw material is treated.
  • complex safety-related measures for handling a pressurized medium or raw material are no longer necessary. This makes the entire system structure much simpler and cheaper. This increases the profitability of hydrogen generation significantly.
  • the raw material introduced into a suitable container or reactor can be exposed to pressureless, superheated steam in such a way that carbon-containing constituents of the raw material are converted into a gaseous state to thereby form hydrogen.
  • the water vapor can be used here as a circulating medium, which due to its pressurelessness in addition to its function as an essential part of the fiction, contemporary method also serves as a safety means, since with the pressureless a safe use of the device with which he inventive method is possible.
  • the carbon-containing raw material used in the method according to the invention and the device according to the invention can be solid, liquid or gaseous. Mixed phases can also be used.
  • the carbon-containing raw material can essentially be solid biomass. Such biomass can be used as a renewable raw material in a particularly environmentally friendly way in the production of hydrogen.
  • the raw material can be exposed to an only slightly superheated water vapor or a low-temperature water vapor at less than 100 ° C in a first step before the step of exposure to the superheated water vapor.
  • a first step before the step of exposure to the superheated water vapor.
  • These dissolved and / or extracted constituents can be removed from the process in a further advantageous manner or can be recycled. Removing these partly high-quality components from the raw material is particularly advantageous in that these components are not only lost when the temperature is increased further, but also cause problems with regard to the formation of unwanted hydrocarbon compounds.
  • the water vapor formed in the first step with vapors contained therein and / or dissolved and / or extracted components can be condensed by means of a first condenser, with thermal energy preferably contained in the water vapor being transferred to a first evaporator and more preferably a temperature control takes place by means of a first compressor.
  • the Temperaturni level of the water evaporator can be slightly below the steam temperature of the water vapor inside the container.
  • a catalyst can be added after the first step in order to promote hydrogen formation.
  • the only slightly superheated water vapor or low-temperature water vapor can, in particular after the removal or extraction of components not required for the further process from the biomass by means of a ner heating device or a heating register.
  • the required temperature for example up to 1200 ° C, can take place through any type of energy transfer.
  • a burner for gas, liquid fuel or solid fuel can be used.
  • a fuel from renewable raw materials or from the gas phase of the gas produced in the process itself can be used. It is particularly advantageous if the water vapor required for the process arises from heat recovery from the process and only superheating is required in order to bring the water vapor into the required superheated state.
  • a gas mixture formed when the raw material is exposed to the superheated steam can be subjected to a second heat treatment, the gas mixture preferably being made to interact with a catalyst or passed over a catalyst in order to promote hydrogen formation.
  • This second heat treatment can in particular serve to homogenize the raw mixed gas generated in the first heating step.
  • the gas mixture heated by means of the second heat treatment can be cooled by means of a second condenser, with thermal energy contained in the gas mixture preferably being transferred to a second evaporator and, more preferably, pressure regulation to compensate for a pressure loss by means of a second compressor he follows.
  • This second condenser can be designed as a water evaporator, with excess steam being condensed out and the heat being recuperated.
  • the constituents of the raw material converted into a gaseous state or the gas mixture for generating a photocatalytic reaction to increase the hydrogen concentration can be exposed to lighting with a specifiable wavelength, preferably between 400 nm and 700 nm .
  • Electrically induced photo catalysis is a particularly simple type of quality assurance, even if the efficiency is not very high.
  • a bulk aid or a means to improve the conveyability and / or flowability and / or a catalyst for conveying can be added to the raw material before, during or after being introduced into the container are added to the hydrogen formation. When choosing the specific bulk aid or catalyst, the respective application must be taken into account.
  • coal gasification can be carried out by burning a solid portion of coal that has formed.
  • a high-purity and clean coal fraction can be partially burned in order to maximize the total yield of hydrogen.
  • a further process step can be a cooling of a solid coal fraction formed with means of non-superheated steam or by means of a mixture of steam and hot water, with further heated steam and / or generated steam being used to heat raw material and thereby a heat recovery is achieved.
  • the steam can be used as a circulating medium in the method, the steam being able to be used at the same time as a starting material - reducing or oxidizing agent - in the sense of a chemical synthesis and as a safety-related agent.
  • the process can therefore be referred to as a raw material vapor process or, if biomass is used, as a biomass vapor process.
  • biomass as a raw material is described by way of example. However, this is not a limitation understand the use of biomass as a raw material. As explained above, any carbon-containing raw materials can be used in the same way and just as before geous as raw material. In this respect, in the following further explanation, the term “biomass” can always be replaced by the term “raw material” without any restriction of the meaning or the advantages explained.
  • the proportion of a given biomass is converted into the gaseous state by means of pressureless, superheated steam, which on the one hand corresponds to the mass proportion of CO - carbon monoxide - and CH 4 - methane gas - of the initial mass and, on the other hand, the proportional heat capacity of the superheated portion of the steam corresponds to the heat capacity of the solid biomass in terms of balance sheet technology or energy.
  • the method according to the invention and the device according to the invention make use of chemical reactions which are known per se, but which have not yet been used and practiced in this way.
  • both the aspect of thermal recuperation and heat recovery from waste heat and the aspect of the possibility of integrating a high-temperature heat pump based on water vapor compression are important.
  • This inventive method or biomass vapor method is a universal method to produce different products from solid biomass - in the broadest sense carbon-containing solids of biogenic origin with a high proportion of bound oxygen. These products are liquid products, primarily carbon-containing derivatives, solid carbon - biochar - and gaseous products, here primarily hydrogen and carbon dioxide.
  • the special thing is that the comparatively simple fractionation of the biomass enables a complete but differentiated - both energetic and material - use. Most of these fractions can be fed into existing markets such as energy, biochar or CO 2 . For a distillate fraction that is in high quantity and composition Depending on the raw materials used, it can be used in cosmetics and pharmaceuticals as well as energy recovery.
  • the biomass steam process is ideally suited as a component of a sustainable energy supply with simultaneous material utilization of biomass fractions.
  • the inventive method is preferably to be carried out at atmospheric pressure level.
  • the pressure range can be up to 0.5 bar below or above atmospheric pressure.
  • a specific method or a specific device is therefore subject to no or only very low safety requirements, so that the method can be used in virtually any environment.
  • solid carbonaceous raw materials or constituents are converted to gas in a closed reactor with superheated but pressureless steam in such a way that the purity is as high as possible with high efficiency of hydrogen and carbon dioxide at the same time.
  • the possible proportion of raw materials or biomass that can be converted into gas in a simple manner by heating corresponds to the mass proportion that results from C and O to carbon monoxide on the one hand and C and H to methane on the other.
  • These components in the Has been converted into a gas state there is usually only solid carbon with a proportion of minerals. This state is almost reached at a final temperature of approx. 850 ° C, with gas production falling to almost zero in this state.
  • Mineral elemental carbon requires a melting temperature of 3500 ° C, which is why an overlap of the method according to the invention with the process of coal gasification can be excluded. This ensures that, in practice, a clear differentiation between coal gasification and the desired goal of partial gasification can be carried out and measured.
  • the process described here shows in practice that the partial pressureless raw material vapor gasification or biomass vapor gasification is clearly differentiated from coal gasification and known pyrolysis and partial combustion processes.
  • the process ensures a safe, fast and direct binding of the oxygen contained in the stable CO2, without detours or the formation of fertilization of problematic substances via uncontrollable partial oxidation in allothermal processes, of pyrolysis gases in autothermal operation or of substoichiometric combustion products such as in wood gasification plants.
  • the water-gas shift reaction for hydrogen production is primarily used in large-scale plants.
  • the focus in the method according to the invention is on a device that is as simple in terms of design as possible with maximum efficiency for small performance sizes within the scope of a decentralized energy supply.
  • the implementation of large-scale equipment, each with its own equipment solution for the corresponding subtasks, is not suitable for small services. Apparatus-related losses in large-scale systems can be more or less neglected when considering the energy of these systems. In contrast, the technical losses in small systems play an essential role in the energy balance.
  • a targeted use of electrical energy is very important for the method according to the invention, since in the case of small systems and devices, classic systems technology can be very expensive due to their complexity. It is also not possible to use different pressure levels, since the method according to the invention is a pressureless method.
  • the targeted influence on the gas or syngas generated by means of light with wavelengths between 400 nm and 700 nm can significantly improve the quality of the synthesis process, even with low specific efficiencies. Due to its specific properties - penetration in the room - light achieves a given volume flow very well without large technical devices such as heat exchangers. With photocatalytic and possibly photocatalytic effects, the proportion of CO in the gas flow can also be reduced, which corresponds to a second pressure stage.
  • the pressureless steam process can fall back on various process improvements such as catalysts and other types of synthesis. This could include the following improvements, for example:
  • auxiliaries Using one or more auxiliaries - mixtures - to improve the conveyability and flowability 2. Use of one or more mixtures or catalysts in these auxiliaries
  • the process described involves breaking down solid hydrocarbon compounds - including carbon compounds from artificial production such as PE, PP, etc. - by converting them into a gaseous state.
  • the digestion takes place primarily through the thermal energy of the proportionate overheating energy of a water vapor, which is in principle unpressurized, which is introduced directly into a container or process room.
  • a partial flow of the pressureless, non-superheated steam is used to recover the thermal energy of the biochar that has to be produced, namely by cooling the charcoal using pressureless steam.
  • a major advantage of this process is the exclusion of the gases contained in the air, primarily nitrogen, in order to generate pure gas flows in the form of hydrogen and carbon dioxide.
  • the calorific value of the products is in the form of H2.
  • Processing in a fuel cell enables a highly efficient “green” overall process. Due to the energetically favorable process, pure carbon dioxide gas with a positive energy balance can be made available for further processes. There are neither nitrogen oxides nor fine dust.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 and 2 show two different embodiments of the inventive device for generating hydrogen from a carbonaceous raw material.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 1 has an elongated container 2 or reactor 2 extending in the vertical direction.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 has an elongated container 2 or reactor 2 extending in the horizontal direction.
  • the terms “container” and “reactor” are used synonymously.
  • An essential difference between fossil carbonaceous raw materials and biogenic raw materials lies in the proportion of oxygen. Because of the only partial charring, the brown coal occupies an intermediate position with a relatively high proportion of oxygen.
  • the composition of renewable biomass consists essentially of carbon, oxygen and hydrogen.
  • the distribution of the mass fractions is approximately: 50% carbon, 43% oxygen and 6% hydrogen.
  • the ash content is usually between 0.5% and 10%. The fluctuation in the ash content primarily influences the carbon content.
  • Fresh biomasses also contain very complex compounds that have both water-soluble and non-water-soluble components. These products either dissolve or volatilize with prolonged storage.
  • inertization is carried out by means of low-temperature steam 4. I.e. This low-temperature steam 4 is given up close to the raw material feed 3. As a result, the air is displaced back out of the inlet opening into the atmosphere, similar to the outgassing of steam drums. A resulting water phase with contained water-soluble components, mostly sugar-like complexes, is washed out in the condensate 5.
  • the raw material As the raw material is heated to 100 ° C, it is simultaneously steamed and low-boiling components (essential oils, terpenes, etc.), if they are present, are converted into the gas phase. The residual moisture contained in the raw material is also evaporated by overheating the steam accordingly.
  • low-boiling components essential oils, terpenes, etc.
  • the resulting steam with the vapors contained - Hydrocarbon compounds - are condensed in a first condenser 5.1.
  • the energy contained in the steam / vapor mixture is transferred to a water-based evaporator 20.1.
  • the temperature level of the water evaporator is slightly below the steam temperature of the steam inside the reactor 2.
  • the control takes place by means of a first compressor 7.1, which is suitable for water vapor and accordingly compensates for the necessary pressure loss.
  • the COP ratio of the necessary electrical drive work to the pumped heat energy can be up to 1:20. Since in the future more and more electrical energy will come from renewable energy generation, this system will have an almost 100% neutral C0 2 balance in the future.
  • the raw material or biomass can be further heated. This is done by means of strongly superheated, but basically pressureless, steam.
  • the low-temperature steam is further superheated with a heating register 17 after the water vapor compressors.
  • the necessary temperature of up to 1200 ° C can take place through any type of energy transfer. In principle, this can be done with a burner for gas, liquid or solid fuel. Renewable raw materials or gas produced in-house from the gas phase or self-produced coal or fuel from the liquid phase inherent in the process can preferably be used as fuel. However, an electric heater can also be used.
  • the steam is generated from the heat recovery and it only needs superheating to transfer the energy by means of direct steaming 11 to the reactor 2 and thus to the raw material or the material directly without apparatus, depending on the gas formation.
  • An alternative to external steam recompression can be an external steam source, which is available as exhaust steam, for example.
  • the recooling would then have to take place in a conventional manner (recooling plant with dissipation of energy to the environment).
  • Selected raw materials, and in particular biomass are characterized by the fact that, if they are heated sufficiently, carbonaceous components are formed in gaseous form, primarily CO and ChU. If the proportions of oxygen and hydrogen that were contained in the starting raw material or in the starting biomass are used up, the possible outgassing process is ended.
  • the outgassing does not take place suddenly but over a more or less long period of time.
  • the outgassing process depends on various parameters, which are: particle size, type of raw material or biomass, heating curve, etc. Since the method presented here is pressureless, the behavior is comparable to that of atmospheric outgassing.
  • Elemental carbon requires significantly higher temperatures (> 3,500 ° C) for a phase transition, which is why the separation between coal gasification and biomass, for example, is clear. The remaining carbon is not or only very slowly changed by the temperatures of the superheated steam.
  • a catalyst can be added directly after the extraction phase, see connection 8. This is intended to start a water-gas shift reaction as early as possible in order to support the overall process with an exothermic reaction, albeit a weak one.
  • the syngas flows in countercurrent to the raw material and can only escape from the apparatus at one connection 9.
  • the water-gas shift reaction with direct heat recuperation to the solid raw material takes place between connections 9 and 11.
  • the gas phase at connection 9 has cooled to near the level from the steam extraction stage. This means that the gas mixture was created between a relatively low temperature and a relatively high temperature and is therefore not homogeneous.
  • the gas mixture contains water vapor, CO, hte, CH4 and non-condensed vapors from the 1st stage.
  • this raw mixed gas In order for this raw mixed gas to be homogenized, it has to be brought to a high temperature and over a catalyst again.
  • the gas will heat itself up / cool down in countercurrent.
  • the gas with the live steam 12 is heated to the maximum temperature by means of a classic heat exchanger.
  • a catalyst which in the simplest case can be the heat exchanger itself, is present in order to carry out the water-gas shift reaction in a second step.
  • the homogenized gas primarily CO2, hydrogen and a small proportion of CO, is cooled down via the countercurrent section.
  • the gas is cooled and dried by means of a second condenser 5.2, here again running as a water evaporator.
  • the excess steam is condensed out and the heat is recuperated in a water evaporator in the steam phase.
  • the pressure loss is also measured here with a suitable water steam compressor balanced.
  • the function here is also that of a heat pump.
  • the quality in terms of the hydrogen concentration is improved by means of a photocatalytic reaction 15, so that a high to very high hydrogen concentration is ensured.
  • Electrically induced photocatalysis is the simplest way of quality assurance, even if the efficiency is only low. Using light to form radicals at this point, which further minimize the low CO concentration, requires very little electrical power. The light penetrates the gas flow directly and immediately without the need for expensive equipment.
  • the gas phase leaves the apparatus in a very high hydrogen concentration 16.
  • the other gases are primarily CO2 and moisture.
  • the remaining carbon has almost warmed up to the high inlet temperatures of the superheated steam.
  • this energy should remain within the process and, on the other hand, the coal must be cooled and moistened so that any embers that may exist within pieces of coal can be avoided or excluded.
  • a 2-phase mixture of steam and hot water is sprayed into the end 13 of the reactor 2.
  • the liquid part is absorbed by the porous structure of the carbon.
  • the steam is heated by the coal, which in turn is cooled down.
  • the steam is driven towards the high temperature and is heated to almost the same temperature as the Live steam. Furthermore, the steam closes the apparatus off from the atmosphere on the outlet side.
  • the 2-phase mixture injection keeps the thermal energy in the process without the need for special equipment (heat exchangers).
  • the cooled and humidified biochar can be discharged from the reactor 2 via a simple discharge 14.
  • the embodiment according to FIG. 2 has a screw conveyor in order to carry out the transport of the solid raw materials or constituents in this horizontally arranged container 2.
  • appropriate locks or rotary feeders can be provided.
  • a simple heat recuperation from the condensates by means of a heat exchanger can be provided, for example for a possible fresh water heating or drying of the raw material.
  • different separation techniques for separating water / any solids / liquid hydrocarbons can be provided.
  • biomass for example, behaves differently in principle than coal from fossil fuels.
  • Biomass comes from water-based photosynthesis, you can call this also natural water chemistry.
  • the water vapor also plays the role of an inert gas in order to avoid the entry of oxygen and to expel existing atmospheric oxygen. This also drives out the volatile substances, in order to remain in the chemical language.
  • the temperature of the water vapor is increased, the biomass begins to give off the bound oxygen with its carbon compounds in the form of carbon monoxide.
  • This process is fundamentally different from coal gasification.
  • thermal energy is required to generate carbon monoxide.
  • carbon monoxide is only given off when the temperature rises. Due to this fact, coal gasification cannot be compared with gasification of raw materials or biomass gasification, at least for the gaseous portion. No catalysts are required for this process.
  • Lumpy material as well as pourable material can be used as raw material. It can consist of a mixture of different components or just one component.
  • a loose catalyst as well as other auxiliaries can be added to the raw material or material made from solid biomass. The materials and auxiliaries can be homogenized in an upstream mixing section.
  • the first capacitor 5.1 and the second capacitor 5.2 can also be arranged in series, the component 10 preferably being arranged between the first capacitor 5.1 and the second capacitor 5.2.
  • the component 15 can be arranged for a photocatalytic synthesis.
  • Condenser 1 The focus here is on the condensation of condensable vapors such as essential oils and hydrocarbon compounds. The cooling is achieved by water evaporation. A compressor generates the necessary pressure difference.
  • Condenser 2 The focus here is on the condensation of moisture / water vapor, as this is also generated by the synthesis process. Condensation of higher boiling hydrocarbon compounds. The cooling is achieved by water evaporation. A compressor generates the necessary pressure difference.
  • Superheater Overheating of the pressureless low-temperature steam. The necessary energy can also be made available electrically.
  • the superheater can also be a burner.
  • Connection return superheater Cooled gas / medium if a physical medium is used.
  • Condenser 1 as an evaporator for water
  • Condenser 2 as an evaporator for water

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Abstract

Im Hinblick auf eine einfache und sichere Erzeugung von Wasserstoff ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff an- gegeben, wobei der Rohstoff in einen Behälter (2) eingebracht wird und in dem Behälter (2) einem drucklosen überhitzten Wasserdampf ausgesetzt wird, sodass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden. Des Weiteren ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff angegeben, wobei die Vorrichtung einen Behälter (2) aufweist und wobei der Rohstoff in den Behälter (2) eingebracht ist und in dem Behälter (2) derart einem drucklosen überhitzten Wasserdampf aussetzbar ist, dass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden. Des Weiteren kann aufgrund der drucklosen Dampfanwendung eine Rekuperation über eine externe Brüdenverdichtung erfolgen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON WASSERSTOFF AUS EINEM KOHLENSTOFFHALTIGEN
ROHSTOFF
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff, wobei der Rohstoff in einen Behälter eingebracht wird und in dem Behälter einem drucklosen überhitzten Wasserdampf ausgesetzt wird, sodass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff, mit einem Behälter, wobei der Rohstoff in den Behälter eingebracht ist und in dem Behälter derart einem drucklosen überhitzten Wasserdampf aussetz- bar ist, dass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass mit kohlenstoffhaltigem Rohstoff ganz allgemein Materialien oder Substanzen gemeint sind, die einen für die Her stellung von Wasserstoff geeigneten Kohlenstoffgehalt aufweisen. Es sind also nicht nur Rohstoffe im engeren Sinn gemeint, sondern auch Verbindungen und beliebige Kombinationen von Rohstoffen sowie Mischungen unterschiedlicher Substanzen und Verbindungen.
Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung fester Kohlenstoffe in gasförmige Kohlenstoffe, in der Regel Mischgase, sind seit Anfang des 19. Jahrhunderts be kannt und werden in der Fachwelt als Kohlechemie bezeichnet. Die für eine Koh levergasung benötigten Temperaturen werden meist durch eine unterstöchiometri sche Verbrennung oder Teilverbrennung der Kohle selbst erzeugt.
Beginnend mit der Entwicklung des Kunstdüngers im frühen 20. Jahrhundert wur de das sogenannte Dampfreforming entwickelt und teilweise auch schon in der Kohlechemie als nicht inertes Verfahren eingesetzt. Bis heute ist dieses Verfahren eines der wichtigen chemischen großtechnischen Herstellungsverfahren zur Er zeugung von Wasserstoff (Wassergas-Shift-Reaktion).
Als Fotokatalyse wird ein Prozess beschrieben, der unter Einwirkung elektromag netischer Strahlung vornehmlich im sichtbaren Wellenbereich entweder eine deut liche Absenkung der Anwendungstemperatur bei Syntheseprozessen oder eine Umsetzung mit sehr wenigen Nebenprodukten, d. h. mit hoher Konzentration und hoher Reinheit der gewünschten Produkte, bewirkt.
Des Weiteren ist in der Literatur das Winkler-Verfahren der Wirbelschichttechnik beschrieben. Dieses Verfahren hat sich in kleineren Einheiten und in verschiede nen Projekten als nicht durchführbar erwiesen. Entweder ist das Verfahren und die dazugehörige Anlagentechnik zu teuer oder das Verfahren ist beispielsweise nicht für Biomasse geeignet, die einen für die Herstellung von Wasserstoff bedeutsa men Rohstoff bildet. Hierzu wird beispielhaft auf die DE 10 149 649 A1 verwiesen. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine reine Kohlevergasung, die mit Wasserdampf und unterstöchiometrischer Teilverbrennung arbeitet. Jedoch be dingt die Anwendung eines Wirbel/Fließbetts ein unter Druck stehendes Gas. Dies schließt eine hocheffiziente Betriebsweise von vornherein aus, da die Erzeugung von Druck meist einen hohen Energieaufwand bedeutet. Gerade in kleineren An lagen verschlechtert das Erfordernis einer Kompression die Effizienz des Verfah rens signifikant.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff anzugeben, wonach eine vergleichsweise einfache und sichere Erzeu gung von Wasserstoff auch bei kleinen Anlagen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass es durchaus möglich ist, Wasserstoff auf sichere und einfache Weise aus einem kohlenstoffhaltigen Roh stoff herzustellen und zwar insbesondere in kleineren Anlagen, die auch kosten günstig arbeiten. Hierzu wird in konkreter Weise druckloser überhitzter Wasser dampf verwendet, mit dem der Rohstoff behandelt wird. Durch die Behandlung des Rohstoffs mit drucklosem Wasserdampf sind aufwändige sicherheitstechni sche Maßnahmen zur Handhabung eines unter Druck stehenden Mediums bzw. Rohstoffs nicht mehr erforderlich. Der gesamte Anlagenaufbau wird hierdurch we sentlich einfacher und kostengünstiger. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit der Wasserstofferzeugung signifikant. Dabei ist in weiter erfindungsgemäßer Weise erkannt worden, dass druckloser überhitzter Wasserdampf völlig ausreicht, um die erforderlichen kohlenstoffhaltigen Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand zu überführen, der für die Erzeugung von Wasserstoff erforderlich ist. Ei ne Behandlung des Rohstoffs mit unter Druck stehendem Wasserdampf ist nicht erforderlich.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der in einen geeigneten Behälter oder Reaktor eingebrachte Rohstoff derart einem drucklosen überhitzten Wasserdampf aussetzbar, dass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmi gen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden. Der Wasser dampf kann hier als Kreislaufmedium eingesetzt werden, das aufgrund seiner Drucklosigkeit neben seiner Funktion als wesentlicher Bestandteil des erfindungs gemäßen Verfahrens auch als sicherheitstechnisches Mittel dient, da mit der Drucklosigkeit eine aus sich heraus sichere Nutzung der Vorrichtung mit dem er findungsgemäßen Verfahren ermöglicht ist.
Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine vergleichsweise einfache und sichere Erzeugung von Wasser stoff auch bei kleinen Anlagen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrich tung eingesetzte kohlenstoffhaltige Rohstoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Es können auch Mischphasen eingesetzt werden. In besonders vorteilhafter Wei se kann der kohlenstoffhaltige Rohstoff im Wesentlichen feste Biomasse sein. Derartige Biomasse kann als nachwachsender Rohstoff in besonders umwelt freundlicher Weise bei der Herstellung von Wasserstoff dienen.
Im Hinblick auf eine besonders sichere und effiziente Erzeugung von Wasserstoff kann der Rohstoff vor dem Schritt des Aussetzens mit dem überhitzten Wasser dampf in einem ersten Schritt einem nur leicht überhitzten Wasserdampf oder ei nem Niedertemperatur-Wasserdampf mit weniger als 100 °C ausgesetzt werden, um ein Lösen und/oder Extrahieren von wasserlöslichen und wasserunlöslichen Bestandteilen aus dem Rohstoff zu erreichen. Diese gelösten und/oder extrahier ten Bestandteile können in weiter vorteilhafter Weise aus dem Verfahren entfernt oder einer stofflichen Verwertung zugeführt werden. Ein Entfernen dieser teils hochwertigen Bestandteile aus dem Rohstoff ist dahingehend besonders vorteil haft, dass diese Bestandteile bei einer weiteren Temperaturerhöhung nicht nur verloren gehen, sondern auch Probleme hinsichtlich der Bildung von ungewollten Kohlenwasserstoffverbindungen mit sich bringen.
In weiter vorteilhafter Weise kann der in dem ersten Schritt entstandene Wasser dampf mit darin enthaltenen Brüden und/oder gelösten und/oder extrahierten Be standteilen mittels eines ersten Kondensators kondensiert werden, wobei vor zugsweise in dem entstandenen Wasserdampf enthaltene Wärmeenergie auf ei nen ersten Verdampfer übertragen wird und weiter vorzugsweise eine Tempera turregelung mittels eines ersten Verdichters erfolgt. Dabei kann das Temperaturni veau des Wasserverdampfers etwas unterhalb der Dampftemperatur des Wasser dampfs innerhalb des Behälters liegen. Mittels dieses Einsatzes eines ersten Kon densators kann eine Wärmerückgewinnung für das gesamte Verfahren bereitge stellt werden, wodurch die Effizienz der Wasserstofferzeugung weiter erhöht wird.
Ebenfalls im Hinblick auf eine besonders hohe Effizienz des Verfahrens kann nach dem ersten Schritt ein Katalysator beigemischt wird, um eine Wasserstoffbildung zu fördern.
Des Weiteren kann der nur leicht überhitzte Wasserdampf oder Niedertemperatur- Wasserdampf insbesondere nach dem Entfernen oder Extrahieren von für das weitere Verfahren nicht erforderlichen Bestandteilen aus der Biomasse mittels ei- ner Heizeinrichtung oder eines Heizregisters erwärmt werden. Dabei kann die er forderliche Temperatur, beispielsweise bis zu 1200 °C, durch jedwede Art von Energieübertragung stattfinden. Dabei kann ein Brenner für Gas, Flüssigbrennstoff oder Festbrennstoff eingesetzt werden. In besonders vorteilhafter Weise kann ein Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen oder aus der Gasphase des im Ver fahren selbst hergestellten Gases verwendet werden. Dabei ist besonders vorteil haft, wenn der für das Verfahren benötigte Wasserdampf aus einer Wärmerück gewinnung aus dem Verfahren entsteht und es nur einer Überhitzung bedarf, um den Wasserdampf in den erforderlichen überhitzten Zustand zu verbringen.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein bei dem Aussetzen des Rohstoffs mit dem überhitzten Wasserdampf entstandenes Gas gemisch einer zweiten Hitzebehandlung unterzogen werden, wobei vorzugsweise das Gasgemisch mit einem Katalysator zur Wechselwirkung gebracht oder über einen Katalysator geführt wird, um die Wasserstoffbildung zu fördern. Diese zweite Hitzebehandlung kann insbesondere einer Homogenisierung des bei dem ersten Erwärmungsschritt erzeugten rohen Mischgases dienen.
Im Anschluss an die zweite Hitzebehandlung kann eine Abkühlung des mittels der zweiten Hitzebehandlung erwärmten Gasgemischs mittels eines zweiten Konden sator erfolgen, wobei vorzugsweise in dem Gasgemisch enthaltene Wärmeenergie auf einen zweiten Verdampfer übertragen wird und weiter vorzugsweise eine Druckregelung zum Ausgleich eines Druckverlusts mittels eines zweiten Verdich ters erfolgt. Dieser zweite Kondensator kann als Wasserverdampfer ausgeführt sein, wobei überschüssiger Dampf auskondensiert und die Wärme rekuperiert werden kann.
Hinsichtlich der Bereitstellung einer weiterhin besonders hohen Wasserstoffkon zentration können die in einen gasförmigen Zustand überführten Bestandteile des Rohstoffs oder das Gasgemisch zur Erzeugung einer fotokatalytischen Reaktion für eine Erhöhung einer Wasserstoffkonzentration einer Beleuchtung mit einer vorgebbaren Wellenlänge, vorzugsweise zwischen 400 nm und 700 nm, ausge setzt werden. Eine elektrisch induzierte Fotokatalyse ist eine besonders einfache Art einer Qualitätssicherung, auch wenn der Wirkungsgrad nicht sehr hoch ist. Weiterhin im Hinblick auf das Erreichen einer besonders hohen Wasserstoffkon zentration in einem erzeugten Gas kann dem Rohstoff vor, während oder nach dem Einbringen in den Behälter ein Schütthilfsmittel oder ein Mittel zur Verbesse rung der Förder- und/oder Rieselfähigkeit und/oder ein Katalysator zur Förderung der Wasserstoffbildung zugesetzt werden. Bei der Wahl des konkreten Schütt hilfsmittels oder Katalysators ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen.
Hinsichtlich einer vorteilhaften Verfahrenserweiterung kann nach dem Aussetzen des Rohstoffs mit dem überhitzten Wasserdampf eine Kohlevergasung durch Ver brennung eines gebildeten festen Kohleanteils erfolgen. Hierbei kann eine Teilver brennung einer hochreinen und sauberen Kohlefraktion erfolgen, um die Gesamt ausbeute an Wasserstoff zu maximieren.
Im Hinblick auf eine energetisch vorteilhafte Wärmerückgewinnung kann als ein weiterer Verfahrensschritt eine Kühlung eines gebildeten festen Kohleanteils mit tels nicht überhitztem Wasserdampf oder mittels eines Gemischs aus Dampf und Heißwasser erfolgen, wobei hierbei weiter erwärmter Wasserdampf und/oder ge bildeter Wasserdampf zur Erwärmung von Rohstoff genutzt wird und hierdurch eine Wärmerückgewinnung erreicht ist.
Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Details von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert:
In vorteilhafter Weise kann der Wasserdampf als Kreislaufmedium in dem Verfah ren verwendet werden, wobei der Wasserdampf gleichzeitig als Edukt - Redukti- ons- oder Oxidationsmittel - im Sinne einer chemischen Synthese und als sicher heitstechnisches Mittel eingesetzt werden kann. Das Verfahren kann daher als Rohstoffdampfverfahren oder beim Einsatz von Biomasse als Biomassedampfver fahren bezeichnet werden.
Bei der folgenden weiteren Erläuterung wird beispielhaft eine Verwendung von Biomasse als Rohstoff beschrieben. Allerdings ist dies nicht als Einschränkung auf die Verwendung von Biomasse als Rohstoff zu verstehen. Wie oben erläutert, können beliebige kohlenstoffhaltige Rohstoffe in gleicher Weise und genauso vor teilhaft als Rohstoff eingesetzt werden. Insoweit kann bei der folgenden weiteren Erläuterung der Begriff„Biomasse“ immer auch gegen den Begriff„Rohstoff“ ohne irgendwelche Einschränkung des Bedeutungsgehalts oder der erläuterten Vorteile ausgetauscht werden.
Bei dem Verfahren wird mittels drucklosem überhitztem Wasserdampf der Anteil einer gegebenen Biomasse in den gasförmigen Zustand überführt, der einerseits maximal dem massentechnischen Anteil von CO - Kohlenmonoxid - und CH4 - Methangas - der Ausgangsmasse und andererseits der anteiligen Wärmekapazi tät des überhitzten Anteils des Dampfers entsprechend der Wärmekapazität der festen Biomasse bilanztechnisch oder energetisch entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung greifen auf an sich bekannte chemische Reaktionen zurück, die allerdings so bisher nicht zur Anwendung kommen und praktiziert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist sowohl der Aspekt der wärmetechnischen Rekuperation und Wärme rückgewinnung von Abfallwärme als auch der Aspekt der Möglichkeit einer Einbin dung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe auf Basis einer Wasserdampfverdich tung von Bedeutung.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren oder Biomassedampfverfahren ist ein uni verselles Verfahren, um aus festen Biomassen - im weitesten Sinne kohlenstoff haltige Feststoffe biogener Herkunft mit hohem Anteil gebundenen Sauerstoffs - unterschiedliche Produkte herzustellen. Diese Produkte sind flüssige Produkte, in erster Linie kohlenstoffhaltige Derivate, fester Kohlenstoff - Biokohle - und gas förmige Produkte, hier in erster Linie Wasserstoff und Kohlendioxid.
Das Besondere ist, dass durch die vergleichsweise einfache Fraktionierung der Biomassen eine vollständige aber differenzierte - sowohl energetische als auch stoffliche - Nutzung ermöglicht wird. Diese Fraktionen können überwiegend in vorhandene Märkte, beispielsweise Energie, Biokohle oder CO2, eingespeist wer den. Für eine Destillatfraktion, die in Quantität und Zusammensetzung in hohem Maß von den eingesetzten Rohstoffen abhängt, ist außer der energetischen Ver wertung auch eine Verwendung im Bereich der Kosmetik und Pharmazie möglich. Als ein Baustein einer nachhaltigen Energieversorgung mit gleichzeitig stofflicher Verwertung von Biomassefraktionen ist das Biomassedampfverfahren bestens geeignet.
Aufgrund des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten drucklosen Dampfes mit entsprechend niedrigem Dampfdruckniveau ist eine einfache Einbin dung vorhandener thermischer Energieströme - indirekte Wärmerekuperation - wie auch eine direkte Wärmerekuperation mittels Wasserdampfwärmepumpe und auch eine Wärmerückgewinnung auf effiziente Weise ermöglicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, zukünftige energetisch aufwändige Verfahren insbesondere unter Einsatz nachwachsender Rohstoffe energetisch sehr günstig bei effizienter Roh stoffnutzung und im Wesentlichen C02-neutral bzw. mit äußerst geringer CO2- Umweltbelastung durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise auf atmosphärischem Druck niveau durchzuführen. In Abhängigkeit der eingesetzten Rohstoffe und gewünsch ten Endprodukte kann der Druckbereich bis 0,5 bar unterhalb oder oberhalb des atmosphärischen Drucks liegen. Damit unterliegt ein konkretes Verfahren oder eine konkrete Vorrichtung keiner oder nur sehr geringen sicherheitstechnischen Anforderungen, womit das Verfahren in quasi jedweder Umgebung anwendbar ist.
Es werden mit überhitztem, aber drucklosem Wasserdampf beispielsweise feste kohlenstoffhaltige Rohstoffe oder Bestandteile in einem abgeschlossenen Reaktor so zu Gas überführt, dass eine möglichst hohe Reinheit bei gleichzeitig hoher Effi zienz an Wasserstoff und Kohlendioxid vorliegt.
Der mögliche Anteil von Rohstoffen oder Biomassen, der durch Erwärmung in ein facher Art zu Gas überführt werden kann, entspricht dem Massenanteil, der sich gemäß den jeweiligen Verhältnissen zum einen aus C und O zu Kohlenmonoxid und zum anderen aus C und H zu Methan ergibt. Sind diese Bestandteile in den Gaszustand überführt worden, liegt meist nur noch fester Kohlenstoff mit anteili gen Mineralstoffen vor. Bei einer Endtemperatur von ca. 850 °C ist dieser Zustand nahezu erreicht, wobei in diesem Zustand die Gasproduktion auf nahezu 0 zu rückgeht. Mineralisch elementar vorliegender Kohlenstoff benötigt eine Schmelz temperatur von 3500 °C, weshalb eine Überschneidung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Prozess der Kohlevergasung ausgeschlossen werden kann. Dadurch wird gewährleistet, dass in der Praxis ein eine deutliche Differenzierung zwischen einer Kohlevergasung und dem angestrebten Ziel der anteiligen Verga sung durchführbar und messtechnisch erfassbar ist.
Der hier beschriebene Prozess zeigt in der Praxis, dass die anteilige drucklose Rohstoffdampfvergasung oder Biomassedampfvergasung deutlich gegenüber ei ner Kohlevergasung und bekannten Pyrolyse- und Teilverbrennungsverfahren ab gegrenzt ist.
Dabei gewährleistet die drucklose Dampfatmosphäre die folgenden wichtige Ei genschaften und Vorteile:
1. Eine Inertisierung des Prozessraums in dem Behälter (Luftabschluss)
2. Ein identisches Entgasungsverhalten der Ausgangsrohstoffe wie bei einer atmosphärischen Verbrennung
3. Extrem schnelle und nahezu ideale, direkte Wärmeübertragungseigenschaften durch das Edukt in Form des Wasserdampfs selbst
4. Dies erschließt die sichere direkte Umwandlung der CO-Potenziale (Wasser- gas-Shift-Reaktion) zu CO2 und H2, wodurch wiederum gewährleistet wird, dass
5. Keine nennenswerte Bildung möglicher Zwischenprodukte, beispielsweise Teere, PAKs (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) etc., auftritt.
Das Verfahren gewährleistet eine sichere, schnelle und direkte Bindung des ent haltenen Sauerstoffs in das stabile CO2, wobei dies ohne Umwege oder die Bil- düng von Problemstoffen über unkontrollierbare Teiloxidationen bei allothermen Prozessen, von Pyrolysegasen bei autothermer Fahrweise oder von unterstöchi ometrischen Verbrennungsprodukten wie bei Holzvergasungsanlagen erfolgt.
Dampf in dem oben genannten Druckbereich, d. h. in einem im Wesentlichen drucklosen Bereich kann auch bei niedrigeren Temperaturen als 100 °C eingesetzt werden. Der Dampf kondensiert an dem Rohstoff oder an einer Biomasse mit ei nem extrem hohen Wärmeübergang, sodass - beginnend bei Umgebungstempe raturen - ein schnelles und schonendes Lösen von wasserlöslichen und wasser unlöslichen Fraktionen wie beispielsweise ätherische Öle, Wachse, Zucker in einer flüssigen Mischphase vor der Überführung der kohlenstoffhaltigen Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand, d. h. vor der eigentlichen Synthese, abgetrennt und einer stofflichen Verwertung zugeführt werden können.
Des Weiteren ist es aufgrund des niedrigen Dampfdrucks möglich, aktive und pas sive Energierückgewinnungsmaßnahmen in einem entscheidenden Bereich der Energiebilanzen in das Verfahren zu integrieren.
Die Erzeugung von Wasserdampf benötigt den anteilig oder vergleichsweise höchsten Energieaufwand - etwa 90 % - für den Phasenübergang, also für die Umwandlung oder den Übergang von Wasser in Dampf. Drucklosen Wasserdampf aus Abwärme zu generieren, bedeutet allerdings einen relativ geringen apparati ven Aufwand. Ein Pumpen von Energie mittels Wasserdampfverdichter im Kreis lauf ist mit hohen COP-Werten - Einsatz elektrischer Energie zu gepumpter ther mischer Energie - durchführbar.
Erst mit der Anwendung drucklosen Dampfs erschließt das Verfahren Möglichkei ten indirekter oder direkter Wärmerekuperation, was mit hohen Dampfdrücken sehr schwer, sehr teuer oder technisch gar nicht durchführbar ist.
Die Wassergas-Shift-Reaktion zur Wasserstoffherstellung kommt in erster Linie in großtechnischen Anlagen zur Anwendung. Demgegenüber liegt die Fokussierung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einer konstruktiv möglichst einfachen Vorrichtung bei maximaler Effizienz für kleine Leistungsgrößen im Rahmen einer dezentralen Energieversorgung. Die Umsetzung großtechnischer Apparate mit jeweils für die entsprechenden Teilaufgaben eigenen Apparatelösungen eignet sich nicht für kleine Leistungen. Apparatetechnische Verluste in großtechnischen Anlagen können bei einer Energiebetrachtung bezüglich dieser Anlagen mehr oder weniger vernachlässigt werden. Demgegenüber spielen die apparatetechni schen Verluste bei kleinen Anlagen eine wesentliche Rolle in der Energiebilanz.
Aus diesem Grund ist es weiterhin vorteilhaft, Prozesstemperaturen bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglichst niedrig zu halten. Gerade der technische Aufwand bei drucktechnischer Dampfer zeugung spielt bei der Implementierung kleiner Anlagen eine entscheidende Rolle.
Ein gezielter Einsatz elektrischer Energie ist für das erfindungsgemäße Verfahren sehr wichtig, da bei kleinen Anlagen und Vorrichtungen eine klassische Anlagen technik aufgrund deren Komplexität sehr aufwendig werden kann. Auch ist es nicht möglich, verschiedene Druckstufen anzuwenden, da es sich bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren ja um ein druckloses Verfahren handelt.
Die gezielte Einflussnahme auf das erzeugte Gas oder Syngas mittels Licht mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm kann die Qualität des Synthesepro zesses auch bei geringen spezifischen Wirkungsgraden entscheidend verbessern. Licht erreicht aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften - Durchdringung im Raum - einen gegebenen Volumenstrom ohne große technische Apparate wie beispielsweise Wärmeübertrager sehr gut. Mit foto- und eventuell fotokatalytischen Effekten kann der Anteil von CO im Gasstrom ebenfalls verringert werden, was quasi einer zweiten Druckstufe entspricht.
Das drucklose Dampfverfahren kann auf unterschiedliche Verfahrensverbesse rungen wie beispielsweise Katalysatoren und weitere Synthesearten zurückgrei fen. Hierbei kann es sich beispielsweise um die folgenden Verbesserungen han deln:
1. Zuhilfenahme eines oder mehrerer Hilfsmittel - Mischungen - zur Verbesserung der Förder- und Rieselfähigkeit 2. Zuhilfenahme eines oder mehrerer Mischungen oder Katalysatoren in diesen Hilfsmitteln
3. Verfahrenserweiterungen wie beispielsweise eine sich anschließende Kohle vergasung durch Teilverbrennung der hochreinen und sauberen Kohlefraktion, um die Gesamtausbeute an Wasserstoff zu maximieren.
Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich um die Aufschließung fester Kohlenwasserstoffverbindungen - auch Kohlenstoffverbindungen aus künstlicher Herstellung wie beispielsweise PE, PP etc. - durch Überführung in einen gasför migen Zustand. Der Aufschluss erfolgt vornehmlich durch die thermische Energie der anteiligen Überhitzungsenergie eines direkt in einen Behälter oder Prozess raum eingebrachten prinzipiell drucklosen Wasserdampfs. Ein Teilstrom des drucklosen, nicht überhitzten Wasserdampfs dient dazu, die thermische Energie der notwendigerweise entstehenden Biokohle zurückzugewinnen, und zwar durch Kühlung der Kohle mittels drucklosem Wasserdampf.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist das Ausschließen der in der Luft enthaltenen Gase, vornehmlich des Stickstoffs, um dadurch reine Gasströme in Form von Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Der Brennwert der Produkte liegt in Form von H2 vor. Die Verarbeitung in einer Brennstoffzelle ermöglicht ein hocheffizientes„grünes“ Gesamtverfahren. Aufgrund des energetisch günstigen Verfahrens kann reines Kohlendioxidgas mit positiver Energiebilanz für weitere Prozesse zur Verfügung gestellt werden. Es fallen weder Stickoxide noch Fein stäube an.
Das hier dargestellte Verfahren mit den dazugehörigen beispielhaften Vorrichtun gen geht weit über eine reine Kombination verschiedener bekannter Verfahren hinaus. Aufgrund der oben beschriebenen Vorteile ist ein hocheffizienter Betrieb auch bei kleinen Anlagen für beispielsweise eine dezentrale Wasserstoffgewin nung ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht eine nahezu 100%ige Wärmerückgewinnung aus Ener gieströmen, die nicht für die chemischen endothermen Prozesse benötigt werden. Durch die Einbindung einer gezielten Wärmerückgewinnung werden nahezu nur die Energien benötigt, die zum einen für Phasenübergänge notwendig sind und zum anderen durch die apparativen Verluste hervorgerufen werden. Damit können thermochemische Prozesse auch in kleinen Einheiten sicher und effizient umge setzt werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zei gen
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlen stoffhaltigen Rohstoff. Dabei weist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 einen sich in vertikaler Richtung erstreckenden länglichen Behälter 2 oder Reaktor 2 auf. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist im Gegensatz hierzu einen sich in horizontaler Richtung erstreckenden länglichen Behälter 2 oder Reaktor 2 auf. Im Folgenden und auch im gesamten vorliegenden Dokument werden die Begriffe „Behälter“ und„Reaktor“ synonym verwendet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen fossilen kohlenstoffhaltigen Rohstoffen zu biogenen Rohstoffen liegt im Anteil des Sauerstoffs. Hierbei nimmt aufgrund der nur teilweisen Verkohlung die Braunkohle mit einem relativ hohen Anteil an Sau erstoff eine Zwischenstellung ein.
Die Zusammensetzung von nachwachsenden Biomassen besteht im Wesentli chen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Dabei ist die Verteilung der Massenanteile ca.: 50% Kohlenstoff, 43% Sauerstoff und 6% Wasserstoff. Der Ascheanteil beträgt üblicherweise zwischen 0,5% und 10%. Die Schwankung des Ascheanteils beeinflusst in erster Linie den Kohlenstoffanteil.
Weiterhin enthalten frische Biomassen zum Teil sehr komplexe Verbindungen, die sowohl wasserlösliche als auch nicht wasserlösliche Anteile aufweisen. Diese Produkte lösen sich bei längerer Lagerung entweder auf oder verflüchtigen sich.
Auf diesen Sachverhalt verschiedener Bestandteile von komplexen Verbindungen wird in dem hier beispielhaft vorgestellten mehrstufigen Verfahren besondere Rücksicht genommen.
Stufe 1
Extraktion mittels Niedertemperaturdampf und Energierückgewinnung (Heatrecovery)
In dem Reaktor 2 wird mittels Niedertemperaturdampf 4 eine Inertisierung durch geführt. D.h. nahe an der Rohstoffaufgabe 3 wird dieser Niedertemperaturdampf 4 aufgegeben. Dadurch wird die Luft, ähnlich der Ausgasung von Dampftrommeln, zurück aus der Eingangsöffnung in die Atmosphäre verdrängt. Eine entstehende Wasserphase mit enthaltenen wasserlöslichen Bestandteilen, meist zuckerartige Komplexe, wird im anfallenden Kondensat 5 ausgewaschen.
Im Laufe der Erwärmung des Rohstoffs auf 100°C wird dieser gleichzeitig ge dämpft und werden leicht siedende Bestandteile (Ätherische Öle, Terpene etc.), soweit diese enthalten sind, in die Gasphase überführt. Die enthaltene Restfeuch te im Rohstoff wird über eine entsprechende Überhitzung des Dampfs ebenfalls verdampft.
Der nun entstandene Dampf mit den enthaltenen Brüden - Kohlenwasserstoffver bindungen - werden in einem ersten Kondensator 5.1 auskondensiert. Dabei wird die im Dampf / Brüdengemisch enthaltene Energie einem Verdampfer 20.1 auf Wasserbasis übertragen. Das Temperaturniveau des Wasserverdampfers liegt etwas unterhalb der Dampftemperatur des Dampfes innerhalb des Reaktors 2. Die Regelung erfolgt mittels eines ersten Verdichters 7.1 , der für Wasserdampf geeig net ist und entsprechend den notwendigen Druckverlust ausgleicht. Das COP- Verhältnis der notwendigen elektrischen Antriebsarbeit zur gepumpten Wärme energie kann bis 1 :20 betragen. Da in Zukunft elektrische Energie immer mehr aus erneuerbarer Energieerzeugung stammt, wird in Zukunft dieses System eine zu nahezu 100% neutrale C02-Bilanz aufweisen.
Es ist wichtig, dass diese hochwertigen Bestandteile aus den Rohstoffen oder Bi omassen entfernt werden, da diese bei der weiteren Temperaturerhöhung nicht nur verloren gehen, sondern sogar Probleme hinsichtlich der Bildung von unge wollten Kohlenwasserstoffverbindungen generieren. Durch die Dampfverdichtung wird der Niedertemperaturdampf entsprechend der aufgewendeten elektrischen Energie eine dazugehörige Überhitzung erfahren. Im Idealfall kann dieses System so geregelt werden, dass nur die aufzuwendende Verdampfungsenergie der Kohlenwasserstoffe, die Apparateverluste und die Dampfverluste als elektrische Energie (natürlich mit Berücksichtigung der Wir kungsgradkette) aufgebracht werden muss.
Stufe 2
Wassergas-Shift-Reaktion mittels stark überhitztem Hochtemperaturdampf und weitere Energierückgewinnung (Heatrecovery)
Nachdem die komplexen hochwertigen Zucker und Öle aus dem Rohstoff oder der Biomasse entfernt oder extrahiert wurden, kann der Rohstoff oder die Biomasse weiter aufgeheizt werden. Dies geschieht mittels stark überhitztem aber prinzipiell drucklosem Dampf. Hierzu wird der Niedertemperaturdampf nach den Wasser dampfverdichtern mit einem Heizregister 17 weiter überhitzt. Die notwendige Temperatur von bis zu 1200°C kann durch jedwede Art von Energieübertragung stattfinden. Grundsätzlich kann dies durch einen Brenner für Gas, Flüssig- oder Festbrennstoff erfolgen. Dabei können vorzugsweise nachwachsende Rohstoffe oder aus der Gasphase selbst hergestelltes Gas oder selbst hergestellte Kohle oder Brennstoff aus der verfahrenseigenen Flüssigphase als Brennstoff verwendet werden. Es kann aber auch ein elektrischer Heizer verwendet werden. Es ist fest zuhalten, dass der Dampf aus der Wärmerückgewinnung entsteht und es nur einer Überhitzung benötigt, um entsprechend der Gasbildung die Energie mittels Direkt bedampfung 11 in den Reaktor 2 und damit auf den Rohstoff oder das Material direkt ohne Apparate zu übertragen.
Eine Alternative zur externen Dampfrückverdichtung (HeatRecovery) kann eine externe Dampfquelle sein, die z.B. als Abdampf vorhanden ist. Damit würden die Wasserdampfverdichter mit der notwendigen elektrischen Energie entfallen. Die Rückkühlung müsste dann auf herkömmliche Art und Weise (Rückkühlwerk mit Abführen der Energie an die Umwelt) stattfinden. Ausgewählte Rohstoffe und insbesondere Biomasse zeichnen sich dadurch aus, dass sich bei ausreichender Erwärmung kohlenstoffhaltige Anteile in Gasform, vornehmlich CO und ChU, bilden. Sind die Anteile des Sauerstoffs und Wasser stoffs, welche im Ausgangsrohstoff oder in der Ausgangsbiomasse enthalten wa ren, aufgebraucht, ist der mögliche Ausgasungsprozess beendet. Dabei findet die Ausgasung nicht schlagartig sondern über einen mehr oder weniger langen Zeit raum statt. Der Ausgasungsprozess hängt von verschiedenen Parametern ab, welche sind: Partikelgröße, Art des Rohstoffs oder der Biomasse, Aufheizkurve etc. Da das hier vorgestellte Verfahren drucklos ist, ist das Verhalten dem einer atmosphärischen Ausgasung vergleichbar.
Bei Erreichung einer Endtemperatur von ca. 850 °C ist der Ausgasvorgang abge schlossen bzw. die Gasvolumina gehen gegen 0. Es bleibt hochreiner Kohlenstoff mit den gebundenen Ascheanteilen übrig.
Elementarer Kohlenstoff benötigt für einen Phasenübergang deutlich höhere Tem peraturen (>3.500°C), weshalb die Trennung zwischen Kohlevergasung und bei spielsweise Biomasse eindeutig vorliegt. Der übrigbleibende Kohlenstoff wird durch die Temperaturen des Heißdampfs nicht bzw. nur sehr langsam verändert.
Die Ausgasung von beispielsweise Biomassen beginnt ab ca. 180°C bezogen auf CO und CH4 Bildung. Dabei ist die Ausgasung innerhalb einer drucklosen Was serdampfatmosphäre auch bei ausgewiesenen Fachleuten unbekannt. In entspre chender Literatur wird Wasserdampf als Energieträger nur theoretisch mit aufge führt. Es kann also davon ausgegangen werden, dass entsprechende wissen schaftliche Untersuchungen kaum vorhanden sind. Als Vergleichsprozess kann nur auf wissenschaftliche Untersuchungen im Bereich der Pyrolyse verwiesen werden. Zu dem Effekt einer Inertisierung durch drucklosen Wasserdampf und das Verhalten dessen als Edukt im Zusammenhang mit Biomassen und deren Ausga sungsverhalten wurden keine entsprechenden Untersuchungen gefunden.
Da ein konkreter Apparat nie ideale Bedingungen für eine Synthese bereitstellt, kann direkt nach der Extraktionsphase ein Katalysator beigemischt werden, siehe den Anschluss 8. Damit soll eine möglichst frühe Wassergas-Shift-Reaktion ein- setzen, um den Gesamtprozess durch eine, wenn auch nur schwache, exotherme Reaktion zu unterstützen.
Stufe 3
Katalytische Wasser-Gas-Shift-Reaktion, Wärmerückgewinnung und Trocknung der Gasphase
Das Syngas fließt im Gegenstrom zum Rohstoff und kann nur an einem Anschluss 9 aus dem Apparat entweichen. Die Wassergas-Shift-Reaktion mit direkter Wär- merekuperation zum festen Rohstoff findet zwischen den Anschlüssen 9 und 11 statt. Die Gasphase am Anschluss 9 hat sich auf nahe dem Niveau aus der Dampfextraktionsstufe abgekühlt. D.h., dass das Gasgemisch zwischen einer rela tiv niedrigen Temperatur und einer relativ hohen Temperatur entstanden ist und infolgedessen nicht homogener Art ist. Das Gasgemisch enthält Wasserdampf, CO, hte, CH4 und nicht auskondensierte Brüden aus der 1. Stufe. Damit dieses rohe Mischgas homogenisiert wird, muss es nochmals auf eine hohe Temperatur und über einen Katalysator geführt werden. Hierzu ist ein doppelstufiger Wärme übertrager 10 im Anschluss zum Reaktor 2 vorhanden. Das Gas wird in einem ersten Schritt im Gegenstrom sich selbst aufheizen / und gleichzeitig abkühlen. Am Ende dieser Wärmeübertragerstrecke wird mittels klassischem Wärmeüber trager das Gas mit dem Frischdampf 12 auf die maximale Temperatur erhitzt. Bei dieser maximalen Temperatur ist ein Katalysator, dies kann im einfachsten Fall der Wärmetauscher selbst sein, vorhanden, um die Wasser-Gas-Shift-Reaktion in einem zweiten Schritt durchzuführen. Spätestens an dieser Stelle werden nahezu alle vorhandenen Kohlenstoffverbindungen aufgebrochen und der Wasser-Gas- Shift-Reaktion unterworfen. Das homogenisierte Gas, in erster Linie CO2, Wasser stoff und ein geringer Anteil CO kühlt sich über die Gegenstromstrecke ab.
Mittels eines zweiten Kondensators 5.2, hier wieder als Wasserverdampfer ausge führt, wird das Gas abgekühlt und getrocknet. Der überschüssige Dampf wird aus kondensiert und die Wärme wieder in einem Wasserverdampfer in Dampfphase rekuperiert. Der Druckverlust wird hier ebenfalls mit einem geeigneten Wasser- dampfverdichter ausgeglichen. Die Funktion ist hier ebenfalls die einer Wärme pumpe.
Stufe 4
Fotokatalytische Synthese
Nachdem das Gas abgekühlt ist, wird mittels einer fotokatalytischen Reaktion 15 die Qualität hinsichtlich der Wasserstoffkonzentration verbessert, so dass eine hohe bis sehr hohe Wasserstoffkonzentration gewährleistet ist. Die elektrisch in duzierte Fotokatalyse ist die einfachste Art und Weise einer Qualitätssicherung, auch wenn der Wirkungsgrad nur gering ist. An dieser Stelle mittels Licht Radikale zu bilden, die die geringe CO-Konzentration noch weiter minimieren, bedarf einer nur sehr kleinen elektrischen Leistung. Das Licht durchdringt den Gasstrom direkt und sofort ohne aufwendige Apparate.
Die Gasphase verlässt den Apparat in einer sehr hohen Wasserstoffkonzentration 16. Die weiteren Gase sind in erster Linie CO2 und Feuchte.
Stufe 5
Wärmerückgewinnung und Abkühlung der Kohle
Am Ende der Ausgasungsphase 11 hat sich der übrig gebliebene Kohlenstoff na hezu auf die hohen Eingangstemperaturen des überhitzten Dampfs erwärmt. Die se Energie soll zum einen innerhalb des Prozesses verbleiben und zum anderen muss die Kohle abgekühlt und befeuchtet werden, damit eventuell bestehende Glutnester innerhalb von Kohlestücken vermieden bzw. ausgeschlossen werden können. Hierzu wird ein 2-Phasengemisch aus Dampf und Heißwasser am Ende 13 des Reaktors 2 eingesprüht. Der Flüssiganteil wird von der porösen Struktur des Kohlenstoffs aufgesogen. Der Dampfanteil erwärmt sich durch die Kohle, wel che dadurch wiederum abgekühlt wird. Der Dampf wird in Richtung Hochtempera turteil getrieben und heizt sich bis nahezu auf die identische Temperatur des Frischdampfs auf. Weiterhin schließt der Dampf den Apparat zur Atmosphäre auf der Ausgangsseite hin ab.
Durch die 2-Phasengemischeinsprühung wird die thermische Energie im Prozess gehalten, ohne dass es hierzu besonderer Apparatetechnik (Wärmeübertrager) bedarf. Die abgekühlte und befeuchtete Biokohle kann aus dem Reaktor 2 über einen einfachen Austrag 14 ausgebracht werden.
Optimierungen
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist eine Förderschnecke auf, um bei diesem waagerecht angeordneten Behälter 2 die Beförderung der festen Rohstof fe oder Bestandteile durchzuführen. Zur Verhinderung von Dampfverlusten am Eintrag 3 und Austrag 14 können entsprechende Schleusen oder Zellenradförde rer vorgesehen sein. Des Weiteren kann eine einfache Wärmerekuperation aus den Kondensaten mittels Wärmeübertrager vorgesehen sein, beispielsweise für eine eventuelle Frischwassererwärmung oder Trocknung des Rohstoffs. Darüber hinaus können unterschiedliche Trenntechniken zur Trennung von Wasser / even tuellen Feststoffen / flüssigen Kohlenwasserstoffen vorgesehen sein.
Spezifische Besonderheiten
Das hier beschriebene Verfahren verwendet drucklosen Wasserdampf als ent scheidendes Arbeits-, Edukt- und Rekuperationsmittel. Erst durch die Verwendung eines drucklosen Wasserdampfs werden Energierückgewinnungsmaßnahmen erst ermöglicht.
Des Weiteren kann mit drucklosem Wasserdampf eine dem eigentlichen Synthe seprozess vorgeschaltete und sehr sinnvolle Wasserdampfextraktion integriert werden.
Diese vorgeschaltete Wasserdampfextraktion ist deshalb besonders vorteilhaft, da beispielsweise Biomassen sich prinzipiell anders verhalten als Kohlen aus fossiler Flerkunft. Biomassen stammen aus auf Wasser basierter Fotosynthese, man kann dies auch als natürliche Wasserchemie bezeichnen. Deshalb müssen Biomassen mit drucklosem Wasserdampf erhitzt werden, um die in eine mögliche Gasphase übergehenden Anteile auszudämpfen. Der Wasserdampf spielt hier auch die Rolle eines Inertgases, um einen Sauerstoffeintrag zu vermeiden und vorhandenen Luftsauerstoff auszutreiben. Dabei treibt dieser auch, um in der Chemiefachspra che zu bleiben, die leichtflüchtigen Stoffe aus. Wird die Temperatur des Wasser dampfs erhöht, fängt die Biomasse an, den gebundenen Sauerstoff mit dessen Kohlenstoffverbindungen in Form von Kohlenmonoxyd gasförmig abzugeben. Die ser Prozess ist grundsätzlich von der Kohlevergasung zu unterscheiden. Bei einer Kohlevergasung wird thermische Energie benötigt, um Kohlenmonoxyd zu erzeu gen. Bei Biomassen wird nur auf Grund einer Temperaturhöhung Kohlenmonoxyd abgegeben. Auf Grund dieses Sachverhalts kann eine Kohlevergasung zumindest für den gasfähigen Anteil nicht mit einer Rohstoffvergasung oder einer Biomasse vergasung verglichen werden. Es werden auch keine Katalysatoren für diesen Vorgang benötigt.
Inputmaterial
Als Eingangsmaterial kann stückiges Gut sowie auch schüttfähiges Material als Rohstoff verwendet werden. Es kann als Mischung aus verschiedenen Komponen ten oder auch nur aus einer Komponente bestehen. Dem Rohstoff oder Material aus fester Biomasse können ein loser Katalysator wie auch weitere Hilfsmittel zu gegeben werden. In einer vorgelagerten Mischstrecke können die Materialien und Hilfsmittel homogenisiert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung kön nen der erste Kondensator 5.1 und der zweite Kondensator 5.2 auch in Reihe an geordnet sein, wobei vorzugsweise das Bauteil 10 zwischen dem ersten Konden sator 5.1 und dem zweiten Kondensator 5.2 angeordnet ist. Im Anschluss hieran kann das Bauteil 15 für eine fotokatalytische Synthese angeordnet sein.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wie- derholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschrie- benen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.
B e z u g s z e i c h e n l i s t e
Antrieb
Reaktor, Behälter
Materialzuführung Rohstoff Biomasse / mit / ohne Hilfsmittel, Schütthilfsmittel, anschließende Mischstrecke
Anschluss Dampf (drucklos), leicht überhitzt, entsprechend dem Ziel, Materialien (leichtflüchtige) zu extrahieren, Inertisierung und Austreiben der Luft über Zuführung / Dampfextraktion
Kondensatausgang der Flüssigphase aus Stufe 1
Kondensator 1 : Schwerpunkt hier ist die Kondensation von kon densierfähigen Brüden wie ätherische Öle, und Kohlenwasser stoffverbindungen. Die Kühlung wird durch Wasserverdampfung erzielt. Ein Verdichter erzeugt die notwendige Druckdifferenz. Kondensator 2: Schwerpunkt hier ist die Kondensation von Feuchtigkeit/Wasserdampf, da diese auch durch den Synthese prozess erzeugt wird. Kondensation höher siedender Kohlen wasserstoffverbindungen. Die Kühlung wird durch Wasserver dampfung erzielt. Ein Verdichter erzeugt die notwendige Druck differenz.
Geregelte Wassereinspritzung entsprechend Massen- und Energiebilanz
Wasserdampfverdichter 1 zur Wärmerückgewinnung /
Heatrecovery (Die Funktion entspricht einer externen Brüden verdichtung)
Wasserdampfverdichter 2 zur Wärmerückgewinnung /
Heatrecovery (Die Funktion entspricht einer externen Brüden verdichtung)
Anschluss Hilfsmittel für Synthesereaktion / Katalysatoren Ausgang Synthesegase / Dampf abgekühlt
Überhitzung für 2. Syntheseschritt / Katalyse mittels 2-stufiger Erwärmung, 1. Stufe Wärmerückgewinnung, 2. Stufe Erhitzung auf Ebene des thermischen Gleichgewichts entsprechend Was- sergas-Shift-Reaktion.
Anschluss Hochtemperatur-Dampf (druckloser Dampf) Überhit zung entsprechend thermodynamischer Bilanzierung
Hochtemperaturdampf über Wärmetauscher, um Synthesegas zu erhitzen
Anschluss Niedertemperaturdampf / Heißwassereinspritzung zur Kühlung der Kohle, Wasseranteil wird von der vornehmlich porö sen Kohle aufgesogen. Der Dampf nimmt die Wärme der Kohle auf, kühlt diese und wird selbst überhitzt, für die Verwendung in der Synthese, entsprechend der thermodynamischen Bilanzie rung.
Austragung Asche gekühlt / genässt
Fotokatalytische Synthese (3te Synthesestufe)
Ausgang Wasserstoff / Synthesegase
Überhitzer: Überhitzung des drucklosen Niedertemperatur dampfs. Die notwendige Energie kann auch elektrisch zur Ver fügung gestellt werden.
Anschluss Vorlauf Überhitzer. Der Überhitzer kann auch ein Brenner sein.
Anschluss Rücklauf Überhitzer. Abgekühltes Gas / Medium, wenn ein physisches Medium verwendet wird.
Kondensator 1 als Verdampfer für Wasser
Kondensator 2 als Verdampfer für Wasser

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff, wobei der Rohstoff in einen Behälter (2) eingebracht wird und in dem Behälter (2) einem drucklosen überhitzten Wasserdampf ausgesetzt wird, sodass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand über führt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kohlen stoffhaltige Rohstoff fest, flüssig oder gasförmig ist, wobei vorzugsweise der koh lenstoffhaltige Rohstoff im Wesentlichen feste Biomasse ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohstoff vor dem Schritt des Aussetzens mit dem überhitzten Wasserdampf in einem ersten Schritt einem nur leicht überhitzten Wasserdampf oder einem Nie dertemperatur-Wasserdampf mit weniger als 100 °C ausgesetzt wird, um ein Lö sen und/oder Extrahieren von wasserlöslichen und wasserunlöslichen Bestandtei len aus dem Rohstoff zu erreichen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem ers ten Schritt entstandene Wasserdampf mit darin enthaltenen Brüden und/oder ge lösten und/oder extrahierten Bestandteilen mittels eines ersten Kondensators kon densiert wird, wobei vorzugsweise in dem entstandenen Wasserdampf enthaltene Wärmeenergie auf einen ersten Verdampfer übertragen wird und weiter vorzugs weise eine Temperaturregelung mittels eines ersten Verdichters erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ge lösten und/oder extrahierten Bestandteile aus dem Verfahren entfernt oder einer stofflichen Verwertung zugeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Schritt ein Katalysator beigemischt wird, um eine Wasser stoffbildung zu fördern.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der nur leicht überhitzte Wasserdampf oder Niedertemperatur-Wasserdampf mittels einer Heizeinrichtung oder eines Heizregisters erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei dem Aussetzen des Rohstoffs mit dem überhitzten Wasserdampf ent standenes Gasgemisch einer zweiten Hitzebehandlung unterzogen wird, wobei vorzugsweise das Gasgemisch mit einem Katalysator zur Wechselwirkung ge bracht oder über einen Katalysator geführt wird, um die Wasserstoffbildung zu för dern.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlung des mittels der zweiten Hitzebehandlung erwärmten Gasgemischs mittels eines zweiten Kondensator erfolgt, wobei vorzugsweise in dem Gasgemisch enthaltene Wärmeenergie auf einen zweiten Verdampfer übertragen wird und weiter vor zugsweise eine Druckregelung zum Ausgleich eines Druckverlusts mittels eines zweiten Verdichters erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen gasförmigen Zustand überführten Bestandteile des Rohstoffs oder das Gasgemisch zur Erzeugung einer fotokatalytischen Reaktion für eine Erhöhung einer Wasserstoffkonzentration einer Beleuchtung mit einer vorgebba- ren Wellenlänge, vorzugsweise zwischen 400 nm und 700 nm, ausgesetzt werden oder wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rohstoff vor, während oder nach dem Einbringen in den Behälter (2) ein Schütthilfsmittel oder ein Mittel zur Verbesserung der Förder- und/oder Rieselfä higkeit und/oder ein Katalysator zur Förderung der Wasserstoffbildung zugesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass als ein weiterer Verfahrensschritt nach dem Aussetzen des Rohstoffs mit dem überhitzten Wasserdampf eine Kohlevergasung durch Verbrennung eines gebildeten festen Kohleanteils erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung eines gebildeten festen Kohleanteils mittels nicht überhitztem
Wasserdampf oder mittels eines Gemischs aus Dampf und Heißwasser erfolgt, wobei hierbei weiter erwärmter Wasserdampf und/oder gebildeter Wasserdampf zur Erwärmung von Rohstoff genutzt wird und hierdurch eine Wärmerückgewin nung erreicht ist.
14. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Erzeugung von Was serstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Behälter (2), wobei der Rohstoff in den Behälter (2) eingebracht ist und in dem Behälter (2) derart ei- nem drucklosen überhitzten Wasserdampf aussetzbar ist, dass kohlenstoffhaltige Bestandteile des Rohstoffs in einen gasförmigen Zustand überführt werden, um hierdurch Wasserstoff zu bilden.
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