DE102010049792A1 - Kleinkraftwerk sowie Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schlägt ein Kleinkraftwerk (10) vor, bei welchem eine Vorrichtung zur Abscheidung von hochreinem Wasserstoff (22) aus dem Pyrolysegas ein einen Innenraum umgebendes Gehäuse mit zumindest einer, im Gehäuse angeordneten, einen mit Pyrolysegas zumindest teilweise gefüllten Bereich abtrennenden semipermeablen Trennwand aufweist. Damit ist hochreiner Wasserstoff einfach aus dem Pyrolysegas abscheidbar. Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs, bei welchem mittels einer semipermeablen Trennwand hochreiner Wasserstoff abgeschieden wird sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung von Wasserstoff aus Gasgemischen vor.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kleinkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren Betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff aus einem Pyrolysegas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 bzw. 9.
- Bekannte Kleinkraftwerke der eingangs genannten Art weisen einen Reaktor zur Erzeugung von Pyrolysegas aus z. B. nachwachsenden Rohstoffen auf. Das darin erzeugte Pyrolysegas, welches ein Gasgemisch aus unter anderem Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan ist, wird gekühlt und gewaschen und sein Kohlendioxid-Gehalt reduziert. Das erhaltene Brenngas wird dann einer Verbrennungskraftmaschine zur Verbrennung zugeführt, wodurch z. B. elektrische Energie und Verbrennungswärme nutzbar gemacht werden. Es ist weiterhin bekannt, den im Pyrolysegas enthaltenen Wasserstoff abzuscheiden, um ihn für andere Verwendungen nutzbar zu machen.
- Zur Gewinnung von reinem oder zumindest größtenteils reinem Wasserstoff sind Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt, bei denen der Wasserstoff mittels großem Druck und sehr niedriger Temperatur aus anderen Gasen bzw. Gasgemischen durch Verflüssigung abgetrennt werden kann. Dies ist extrem energieaufwendig und damit teuer. Außerdem kann mit diesen Vorrichtungen bzw. Verfahren kein hochreiner Wasserstoff erzeugt werden, da auch andere Gase bzw. Fremdstoffe in der dann flüssigen Wasserstoffphase verbleiben. Der erzeugte bzw. abgetrennte Wasserstoff ist damit immer zumindest leicht verunreinigt bzw. zumindest nicht hochrein.
- Die bekannten Kleinkraftwerke weisen den Nachteil auf, dass der Abscheidungsgrad sowie der Mengendurchsatz an Wasserstoff gering sind. Damit wird nur ein geringer Teil des Wasserstoffs für weitere Prozesse nutzbar gemacht. Ebenso weisen bekannte Verfahren den Nachteil auf, dass nur ein geringer Teil des Wasserstoffs nutzbar gemacht werden kann. Bekannte Vorrichtungen und Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff weisen den Nachteil auf, dass diese nur mit hohem Energieeinsatz betrieben werden können und kein reiner bzw. hochreiner Wasserstoff damit erzeugt werden kann.
- Davon ausgehend ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kleinkraftwerk zu schaffen, welches den im Pyrolysegas enthaltenen Wasserstoff einfach und in großen Mengen nutzbar macht. Des Weiteren ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, welches die einfache Abscheidung von hochreinem Wasserstoff aus Pyrolysegas ermöglicht. Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die Wasserstoff auf einfache Weise und ohne hohen Energieaufwand aus verschiedenen Gasgemischen abscheiden kann.
- Ein Kleinkraftwerk zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Demnach ist im Gasstrom zwischen dem Reaktor und der Verbrennungskraftmaschine eine Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs angeordnet, wobei die Vorrichtung zur Abscheidung von hochreinem Wasserstoff aus dem Pyrolysegas ein einen Innenraum umgebendes Gehäuse mit zumindest einer, im Gehäuse angeordneten, einen mit Pyrolysegas zumindest teilweise gefüllten Bereich abtrennenden semipermeable Trennwand aufweist. Eine solche Vorrichtung trennt den Wasserstoff vom übrigen Pyrolysegas. Damit ist der Wasserstoff getrennt vom übrigen Pyrolysegas, welches als Brenngas z. B. der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, zur Erzeugung von elektrischer Energie, z. B. in einer Brennstoffzelle, verwendbar.
- Bevorzugt weist der zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllte Bereich zumindest einen Zufluss und einen Abfluss und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss auf. Damit wird erreicht, dass das vom Reaktor in die Vorrichtung geleitetes Pyrolysegas durch den Zufluss in den zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllten Bereich eingeleitet werden kann. Sodann kann der Wasserstoff mittels der semipermeablen Trennwand vorzugsweise größtenteils aus dem Pyrolysegas abgeschieden werden und das vom Wasserstoff vorzugsweise größtenteils befreite Pyrolysegas als Brenngas vom Abfluss der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet werden. Der Wasserstoff kann durch den Abfluss des zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereiches abgeführt und anderweitig verwendet werden.
- Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest eine Außenwand aus einem Edelstahl auf. Edelstahl ist für Wasserstoff nicht permeabel. Die Außenwand des Gehäuses kann damit als Sammelbehälter für den abgeschiedenen Wasserstoff dienen. Der aus den Trennwänden austretende Wasserstoff kann innerhalb des Gehäuses aufgefangen werden und kann mittels eines angeschlossenen Ableitungsrohres in einen Speicherbehälter gefördert werden. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse auf einer dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich zugewandten Innenseite eine Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung ist besonders undurchlässig für den Wasserstoff, so dass dieser noch zuverlässiger gesammelt wird und nicht entweichen kann.
- Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. aus Roheisen zur Abscheidung des Wasserstoffs auf. Besonders bevorzugt kann Reineisen Verwendung finden, wobei dies einen Eisenanteil von vorzugsweise mehr als 99,8% hat. Entscheidend für den Wasserstoffdurchtritt durch diese semipermeable Trennwand ist deren hoher Eisengehalt und ein niedriger Gehalt an Fremdstoffen. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann. Übrige Bestandteile des Pyrolysegases, wie z. B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid werden von der Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen zurückgehalten und begünstigen sogar den Durchtritt des Wasserstoffs. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei einer semipermeablen Trennwand aus Reineisen, so dass größere Mengen Wasserstoff mit einer solchen Trennwand abgeschieden werden können.
- Bevorzugt ist die zumindest eine semipermeable Trennwand ein Rohr aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, durch das das Pyrolysegas hindurchführbar ist. Die rohrförmige Ausbildung der semipermeablen Trennwand ermöglicht einen einfachen Aufbau der Vorrichtung. Weiterhin ist damit eine große Oberfläche der semipermeablen Trennwand ohne hohen konstruktiven Aufwand zu erreichen. Zudem ist eine rohrförmige semipermeable Trennwand bestmöglich druckstabil gegenüber dem eventuell unter Überdruck eingeführten Pyrolysegas.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung mehrere, vorzugsweise gleiche Rohre aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen angeordnet. Diese Anordnung macht die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt. Die Rohre dienen zur Durchleitung des Wasserstoffreichen Pyrolysegases, wogegen der Raum außerhalb der Rohre, jedoch innerhalb des Gehäuses, zur Aufnahme und Ableitung des hochreinen Wasserstoffs dient. Durch die Ausbildung als Rohre ist die Oberfläche der semipermeablen Trennwand gegenüber der Größe der gesamten Vorrichtung besonders groß. Vorzugsweise sind die Rohre innerhalb des Gehäuses in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet und weitestgehend gleich ausgebildet.
- Bevorzugt ist innerhalb des Gehäuses je eine Kammer angeordnet zur Aufteilung des Gasflusses in die Rohre und zur Zusammenführung des Gasflusses aus den Rohren. Diese Kammern ermöglichen den Anschluss der Vorrichtung durch je ein Rohr, welches in die jeweilige Kammer mündet bzw. aus der jeweiligen Kammer herausführt. Damit wird der Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders einfach gestaltet.
- Besonders bevorzugt sind vor und/oder innerhalb des mindestens einen Rohres zur Bildung der semipermeablen Trennwand Mittel angeordnet zur Turbulenthaltung der Strömung innerhalb des Rohres. Diese Mittel sind beispielsweise aus der Wandung des Rohres hervorstehende Leitbleche oder dergleichen. Die Turbulenthaltung der Strömung bewirkt eine Erhöhung des Diffusionsgrades des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand, da die Auftreffwahrscheinlichkeit der Wasserstoffmolekühle an der semipermeablen Trennwand durch eine turbulente Strömung erhöht wird.
- Vorzugsweise ist das der Vorrichtung zugeführte Pyrolysegas heiß zuführbar, insbesondere Heizbar. Es hat sich herausgestellt, dass die Menge des durch die semipermeable Trennwand hindurchtretenden Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas durch eine hohe Temperatur unter bestimmten Vorraussetzungen vergrößert wird. Bevorzugt liegt diese Temperatur im Bereich von 400°C. Insbesondere kann das aus dem Reaktor zur Erzeugung von Pyrolysegas heiß austretende Pyrolysegas der Vorrichtung so zugeführt werden, dass seine Temperatur im Bereich von 400°C liegt. Dann ist keine zusätzliche Heizung notwendig. Es ist jedoch auch denkbar, das Pyrolysegas auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur zuzuführen.
- Weiterhin hat es sich als besonders Vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gehäuse und/oder der Innenraum des Gehäuses der Vorrichtung kühlbar ist. Kühlere Temperaturen an der der Innenwand des Gehäuses und damit dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich des Gehäuses zugewandten Seite der semipermeablen Trennwand begünstigt die Rekombination des Wasserstoffs und steigert somit das Diffusionsgefälle an der Trennwand von der zumindest teilweise mit Pyrolysegas umgebenen Seite zu der zumeist mit Wasserstoff umgebenen Seite der semipermeablen Trennwand.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Rohr, vorzugsweise alle Rohre, zur Bildung der semipermeablen Trennwand Bereiche geringer Wandstärke und Bereiche hoher Wandstärke auf. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht im Bereich geringer Wandstärken eine Steigerung der Diffusion des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand. Die Bereiche größerer Wandstärke dienen zur Stabilisierung der Rohrwandung gegen den eventuell hohen Innendruck des Pyrolysegases.
- Vorzugsweise sind die Bereiche großer Wandstärke netzartig ausgebildet. Eine solche netzartige Stützstruktur macht eine rohrförmig ausgebildete semipermeable Trennwand besonders stabil. Weiterhin ist es vorteilhaft, die netzartige Stützstruktur gleichmäßig bzw. annähernd gleichmäßig auszubilden. Es ist zudem denkbar, die Bereiche geringer Wandstärke zumindest annähernd in Form von Rechtecken auszubilden. Vorzugsweise sind dabei alle Bereiche geringer Wandstärke gleich geformt. Diese, gleichmäßige Ausbildung der Bereiche geringer Wandstärke sind mit einfachen Mitteln herstellbar. Die Annordnung der rechteckigen oder zumindest annähernd rechteckigen Bereiche geringer Wandstärke in Richtung der Längserstreckung des jeweiligen Rohres lässt eine besonders stabile netzartige Stützstruktur durch die Bereiche größerer Wandstärke zu.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die semipermeable Trennwand magnetisch anregbar, vorzugsweise durch ein magnetisches Wechselfeld. Ein Magnetfeld, vorzugsweise ein magnetisches Wechselfeld begünstigt die Diffusion von Wasserstoffrümpfen durch die semipermeable Trennwand derart, dass der Wasserstoffdruchsatz signifikant erhöht wird. Dies liegt darin begründet, dass die Wasserstoffrümpfe als geladene Teilchen durch das Magnetfeld eine Kraft senkrecht zur Oberfläche der semipermeablen Trennwand erfahren. Demnach wird durch die magnetische Anregung die Menge des abgeschiedenen Wasserstoffs erhöht.
- Besonders bevorzugt ist eine, vorzugsweise jede, als Rohr, also rohrförmig, ausgebildete semipermeable Trennwand umgeben von einem elektrischen Leiter, der mit einem elektrischen Strom, vorzugsweise einem elektrischen Wechselstrom, beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter spulenförmig um die rohrförmige semipermeable Trennwand angeordnet. Eine derartige Anordnung liefert ein magnetisches Wechselfeld, welches im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung der rohrförmigen semipermeablen Trennwand verläuft. Damit werden die Wasserstoffrümpfe senkrecht dazu, nämlich radial zur Längsachse der rohrförmigen semipermeablen Trennwand, zur Diffusion durch die semipermeable Trennwand angeregt. Damit wird die Wasserstoffabscheidung zusätzlich erhöht.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist jeder spulenförmige elektrische Leiter als Rohr ausgebildet, das vorzugsweise von einem Fluid, das zur Kühlung des Leiters nutzbar ist, durchflossen wird. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass der Leiter gekühlt wird und demnach seine elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Dadurch wird das magnetische Feld verstärkt. Weiterhin wird durch den Leiter, der aufgrund seiner Anordnung um die rohrförmige semipermeable Trennwand herum in einem Bereich hoher Wasserstoffkombination, nämlich auf der Seite der Trennwand, in deren Richtung der Wasserstoff abgeschieden wird, angeordnet ist, der betreffende Bereich gekühlt. Dadurch wird die Rekombination von Wasserstoff begünstigt und der Wasserstoffdurchsatz erhöht. Vorzugsweise ist das Fluid zur Kühlung elektrisch nicht leitend. Hierzu kann beispielsweise entsalztes bzw. destilliertes Wasser als Fluid verwendet werden.
- Bevorzugt ist zwischen dem Reaktor und der Verbrennungskraftmaschine ein Kühler, insbesondere ein Kühler und ein dem Kühler nachgeordneter Gaswäscher angeordnet. Üblicherweise verlässt das Pyrolysegas den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 800°C bis 1200°C. Ein Kühler bringt das Pyrolysegas auf ein niedrigeres Temperaturniveau, beispielsweise auf eine Temperatur von 400°C. Das auf diese Temperatur abgekühlte Pyrolysegas ist dann der Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff zuführbar. Aufgrund der Ausbildung der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen ist dieselbe nicht so temperaturfest, dass das Pyrolysegas mit 1200°C zuführbar wäre. Demnach ist es notwendig, für die Vorrichtung das Pyrolysegas mit einer niedrigeren Temperatur bereitzustellen. Mittels des Kühlers kann das Pyrolysegas auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Bedarfsweise kann diese Temperatur auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Des Weiteren kann mittels eine Gaswäschers der Rauchgasanteil des Pyrolysegases soweit reduziert werden, dass die Vorrichtung zur Abscheidung des Wasserstoffs nicht verschmutzt. Dies reduziert den Reinigungsaufwand für ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk deutlich. Die vom Kühler abgeführte Wärme kann dem Prozess an anderer Stelle, z. B. zum Vortrocknen des Brenngutes für den Pyrolysereaktor, wieder zugeführt werden. Dies verbessert die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Kleinkraftwerks.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der abgeschiedene hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einem Wasserstoff-Druckspeicher speicherbar. Ein solcher Wasserstoff-Druckspeicher ermöglicht die Lagerung großer Mengen Wasserstoffs zur späteren Verwendung.
- Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 4 auf. Demnach wird aus dem Pyrolysegas, bevorzugt vor der Zuführung desselben zu einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Wasserstoffabscheiders mit einer semipermeablen Trennwand hochreiner Wasserstoff abgeschieden. Dadurch wird der Wasserstoff, welcher als hochwertiger Anteil des Pyrolysegases abgeschieden wird, als hochreines Gas für andere Verwendungen nutzbar und z. B. nicht mit dem übrigen Pyrolysegas als Brenngas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Eine semipermeable Trennwand, welche bevorzugt nur für Wasserstoff permeabel ist, stellt sicher, dass nur der Wasserstoff abgeschieden wird. Damit kann besonders reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff abgeschieden werden. Dadurch, dass das vom Wasserstoff größtenteils befreite Pyrolysegas als Brenngas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, kann dasselbe in diesem verbrannt werden und mittels z. B. eines weiterhin angeschlossenen Generators elektrische Energie erzeugt werden. Die neben dem Wasserstoff im Pyrolysegas enthaltenen Gase, wie z. B. Methan und Kohlenmonoxid können mit wesentlich höherem Wirkungsgrad in der Verbrennungskraftmaschine verbrannt werden, als der Wasserstoff. Damit können die jeweiligen Gase zur Erzeugung von Energie einem Prozess mit dem jeweils optimalen Wirkungsgrad zugeführt werden.
- Vorzugsweise wird der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. aus Roheisen oder Reineisen aus dem Pyrolysegas abgeschieden. Eine solche Trennwand ist besonders günstig herstellbar und macht das Verfahren wirtschaftlich. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann, wie oben beschrieben. Übrige Bestandteile des Pyrolysegases, wie z. B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid werden von der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Pyrolysegas mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt. Diese Anregung unterstützt die Dissoziation des Wasserstoffs an der semipermeablen Trennwand, so dass ein besonders hoher Wasserstoff-Massendurchsatz erreicht wird.
- Bevorzugt wird das Verfahren unter erhöhtem Druck und/oder unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Der Druck beträgt dabei vorzugsweise 10 bar, die Temperatur kann bis zu 400°C betragen, jedoch auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Diese Parameter begünstigen den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand, während andere Gase im Pyrolysegas weiterhin zurückgehalten werden. Insbesondere eine Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen der semipermeablen Trennwand erhöht den Wasserstoffdurchtritt erheblich.
- Besonders bevorzugt wird die semipermeable Trennwand zur Vergrößerung des Wasserstoffdurchtritts mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Diese Elektrische Spannung wird bevorzugt als Wechselspannung oder als pulsierende Gleichspannung an die semipermeable Trennwand angelegt. Dieses Vorgehen steigert den Wasserstoffdurchsatz erheblich.
- Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist die semipermeable Trennwand mit einem magnetischen Feld, vorzugsweise einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar. Dies steigert den Wasserstoffdurchsatz ebenfalls und kann auch in Kombination mit den vorherig oder nachfolgend genannten Maßnahmen durchgeführt werden.
- Vorzugsweise wird dem Reaktor zur Erhöhung des Wasserstoffanteils im Pyrolysegas Wasserdampf zugeführt. Diese Maßnahme steigert den Wasserstoffausstoß im Pyrolyse-Reaktor bei gleichzeitiger Reduzierung der Kohlenmonoxid-Ausbeute. Das Wasser verändert die chemische Balance im Reaktor. Dadurch wird mehr Wasserstoff erzeugt, der abgeschieden werden kann.
- Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird nach der Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas, insbesondere aus dem gewaschenen Pyrolysegas, mittels eines Gasabscheiders der Kohlendioxidanteil des vom Wasserstoff größtenteils befreiten Rohgases reduziert. Damit wird das Pyrolysegas als Brenngas für die Verbrennungskraftmaschine bestmöglich konditioniert, so dass dieselbe wirtschaftlich betrieben wird. Das aus dem Prozess gewonnene Kohlendioxid kann einer anderweitigen Verwertung zugeführt werden.
- Bevorzugt wird das gekühlte und gewaschene Pyrolysegas mittels eines Kompressors mit Überdruck dem Wasserstoffabscheider zugeführt. Durch den Überdruck des Pyrolysegases wird die Konzentration der darin enthaltenen Gase im Verhältnis zur wasserstoffseitigen Umgebung innerhalb des Wasserstoffabscheiders deutlich erhöht. Ein damit erreichtes größeres Konzentrationsgefälle erhöht die Neigung des Wasserstoffs durch die Trennwand zu treten. Dies erhöht den Massendurchsatz und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einen Wasserstoff-Druckspeicher gefördert. Der so gespeicherte Wasserstoff kann dann über längere Zeit gespeichert oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
- Vorzugsweise wird das Pyrolysegas mittels eines Kühlers und/oder Gaswäschers vor erreichen des Wasserstoffabscheiders herabgekühlt und/oder gereinigt bzw. gewaschen. Die Kühlung des Pyrolysegases erfolgt dabei vorzugsweise auf eine Temperatur, welche für den Betrieb des Wasserstoffabscheiders besonders günstig ist. Dies können z. B. 400°C sein, unter bestimmten Bedingungen aber auch weit weniger, nämlich eine Temperatur nahe der Raumtemperatur. Dadurch, dass das Pyrolysegas gereinigt bzw. gewaschen wird, werden dessen Rauchgasanteile sowie Ruß und anderer schädliche insbesondere feste Bestandteile des Pyrolysegases aus diesem entfernt. Damit ist das Pyrolysegas für nachfolgende Prozesse, insbesondere für den Wasserstoffabscheider, gut verwendbar und verschmutzt diesen z. B. nicht.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, dass nach der Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs aus dem Pyrolysegas, insbesondere aus dem gewaschenen und/oder gekühlten Pyrolysegas mittels eines Gasabscheiders der Kohlendioxidanteil des vom Wasserstoff größtenteils befreiten Pyrolysegases reduziert wird.
- Eine Vorrichtung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 6 auf. Demnach weist die Vorrichtung eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen auf. Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann. Hierbei ist ein hoher Eisenanteil von vorzugsweise mehr als 99,8% entscheidend, zusammen mit einem geringen Anteil von Fremdstoffen. Übrige Bestandteile des Gasgemisches, welcher aus diversen Gasen bestehen kann, werden von einer solchen semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten und begünstigen sogar den Durchtritt des Wasserstoffs. Es hat sich herausgestellt, dass mittels dieser Vorrichtung die Abscheidung von Wasserstoff aus jedem Gasgemisch, das Wasserstoff enthält, möglich ist. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase des Gasgemisches werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff ein einen Innenraum umgebendes Gehäuse mit zumindest einer, im Gehäuse angeordneten, einen mit einem Teil des Gasgemisches zumindest teilweise gefüllten Bereich abtrennende semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen auf. Eine solche Vorrichtung trennt den Wasserstoff vom übrigen Gasgemisch. Damit ist der Wasserstoff getrennt vom übrigen Gasgemisch, welches z. B. als Brenngas z. B. einer Verbrennungskraftmaschine oder einer anderen Verwendung zuführbar ist, zur Erzeugung von elektrischer Energie, z. B. in einer Brennstoffzelle, verwendbar. Es ist auch denkbar, nur den Wasserstoff zu verwenden bzw. mittels der Vorrichtung Wasserstoffgas von Verunreinigungen durch andere Gase zu befreien und damit aufzukonzentrieren, bzw. hochrein zu machen.
- Bevorzugt weist der zumindest teilweise mit einem Teil des Gasgemisches gefüllte Bereich zumindest einen Zufluss und einen Abfluss und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss auf. Damit wird erreicht, dass das in die Vorrichtung geleitete Gasgemisch durch den Zufluss in den mit zumindest einem Teil des Gasgemisches gefüllten Bereich eingeleitet werden kann. Sodann kann der Wasserstoff mittels der semipermeablen Trennwand vorzugsweise größtenteils aus dem Gasstrom abgeschieden werden und das vom Wasserstoff vorzugsweise größtenteils befreite Gasgemisch als Brenngas oder für eine andere Verwendung vom Abfluss aus abgeleitet werden. Der Wasserstoff kann durch den Abfluss des zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereiches abgeführt und anderweitig verwendet werden, z. B. als Brenn- bzw. Treibgas für eine Brennstoffzelle.
- Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest eine Außenwand aus einem Edelstahl auf. Edelstahl ist für Wasserstoff nicht permeabel. Die Außenwand des Gehäuses kann damit als Sammelbehälter für den abgeschiedenen Wasserstoff dienen. Der aus den Trennwänden austretende Wasserstoff kann innerhalb des Gehäuses aufgefangen werden und kann in mittels eines angeschlossenen Ableitungsrohres in einen Speicherbehälter gefördert werden. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse auf einer dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich zugewandten Innenseite eine Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung ist besonders undurchlässig für den Wasserstoff, so dass dieser noch zuverlässiger und verlustfreier gesammelt wird. Insbesondere ist jeder nach der Vorrichtung angrenzende und damit mit hochreinem Wasserstoff zumindest teilweise gefüllte Bereich derart ausgebildet.
- Bevorzugt ist die zumindest eine semipermeable Trennwand ein Rohr aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, durch das das Gasgemisch hindurchführbar ist. Die rohrförmige Ausbildung der semipermeablen Trennwand ermöglicht einen einfachen Aufbau der Vorrichtung. Weiterhin ist damit eine große Oberfläche der semipermeablen Trennwand ohne hohen konstruktiven Aufwand zu erreichen. Zudem ist eine rohrförmige semipermeable Trennwand bestmöglich druckstabil gegenüber einem eventuell unter Überdruck eingeführten Gasgemisch.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung mehrere, vorzugsweise gleiche Rohre angeordnet. Diese Anordnung macht die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt. Die Rohre dienen zur Durchleitung des wasserstoffreichen Gasgemisches, wogegen der Raum außerhalb der Rohre, jedoch innerhalb des Gehäuses, zur Aufnahme und Ableitung des Wasserstoffs dient. Durch die Ausbildung als Rohre ist die Oberfläche der semipermeablen Trennwand gegenüber der Größe der gesamten Vorrichtung besonders groß. Vorzugsweise sind die Rohre innerhalb des Gehäuses in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet bzw. weitestgehend gleich ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Gasgemisch außerhalb des Rohrs bzw. der Rohre entlang zu leiten und den Wasserstoff innerhalb des Rohrs oder der Rohre abzuleiten.
- Bevorzugt ist innerhalb des Gehäuses je eine Kammer angeordnet zur Aufteilung des Gasflusses in die Rohre und zur Zusammenführung des Gasflusses aus den Rohren. Diese Kammern ermöglichen den Anschluss der Vorrichtung durch je ein Rohr, welches in die jeweilige Kammer mündet bzw. aus der jeweiligen Kammer herausführt. Damit wird der Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders einfach gestaltet.
- Besonders bevorzugt sind vor und/oder innerhalb des mindestens einen Rohres zur Bildung der semipermeablen Trennwand Mittel angeordnet zur Turbulenthaltung der Strömung innerhalb des Rohres. Diese Mittel sind beispielsweise aus der Wandung des Rohres hervorstehende Leitbleche oder dergleichen. Die Turbulenthaltung der Strömung bewirkt eine Erhöhung des Diffusionsgrades des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand, da die Auftreffwahrscheinlichkeit der Wasserstoffmolekühle an der semipermeablen Trennwand durch eine turbulente Strömung erhöht wird.
- Vorzugsweise ist das der Vorrichtung zugeführte Gasgemisch heiß oder erwärmt zuführbar, insbesondere Heizbar. Es hat sich herausgestellt, dass die Menge des durch die semipermeable Trennwand hindurchtretenden Wasserstoffs aus dem Gasgemisch durch eine hohe Temperatur je nach dem, welche Bestandteile das Gasgemisch enthält, vergrößert wird. Bevorzugt liegt diese Temperatur im Bereich von 400°C. Insbesondere kann ein aus einem vorhergehenden Prozessschritt heiß austretender Gasstrom der Vorrichtung so zugeführt werden, dass seine Temperatur im Bereich von 400°C liegt. Dann ist keine zusätzliche Heizung notwendig. Es kann aber auch, je nach Bestandteilen des Gasgemisches, vorteilhaft sein, das Gasgemisch bei Raumtemperatur einzuleiten.
- Weiterhin hat es sich als besonders Vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gehäuse und/oder der Innenraum des Gehäuses der Vorrichtung kühlbar ist. Kühlere Temperaturen an der der Innenwand des Gehäuses und damit dem zumeist mit Wasserstoff gefüllten Bereich des Gehäuses zugewandten Seite der semipermeablen Trennwand begünstigt die Rekombination des Wasserstoffs und steigert somit das Diffusionsgefälle an der Trennwand von der zumindest teilweise mit einem Teil des Gasstroms umgebenen Seite zu der zumeist mit Wasserstoff umgebenen Seite der semipermeablen Trennwand.
- Besonders bevorzugt ist ein Kompressor oder eine Pumpe vorgesehen, mittels dem bzw. der das Gasgemisch der Vorrichtung unter erhöhtem Druck zuführbar ist. Damit wird die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch gegenüber der Umgebung und dem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich erhöht. Das größere Konzentrationsgefälle erhöht damit den Durchsatz an Wasserstoff. Weiterhin kann für den zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich eine Pumpe, insbesondere eine Vakuumpumpe, vorgesehen sein, mittels der der Druck in diesem Bereich verkleinert wird. Auch dies erhöht das Konzentrationsgefälle an der semipermeablen Trennwand und steigert damit den Wasserstoffdurchsatz. Diese Pumpe bzw. Vakuumpumpe kann auch dazu genutzt werden, den abgeschiedenen Wasserstoff in Drucktanks zu fördern. Dann ist nur eine Pumpe notwendig.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Rohr, vorzugsweise alle Rohre, zur Bildung der semipermeablen Trennwand Bereiche geringer Wandstärke und Bereiche hoher Wandstärke auf. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht im Bereich geringer Wandstärken eine Steigerung der Diffusion des Wasserstoffs durch die semipermeable Trennwand. Die Bereiche größerer Wandstärke dienen zur Stabilisierung der Rohrwandung gegen den eventuell hohen Druck des Gasgemisches.
- Vorzugsweise sind die Bereiche großer Wandstärke netzartig ausgebildet. Eine solche netzartige Stützstruktur macht eine rohrförmig ausgebildete semipermeable Trennwand besonders stabil. Weiterhin ist es vorteilhaft, die netzartige Stützstruktur gleichmäßig bzw. annähernd gleichmäßig auszubilden. Es ist zudem denkbar, die Bereiche geringer Wandstärke zumindest annähernd in Form von Rechtecken auszubilden. Vorzugsweise sind dabei alle Bereiche geringer Wandstärke gleich geformt. Diese, gleichmäßige Ausbildung der Bereiche geringer Wandstärke sind mit einfachen Mitteln herstellbar. Die Anordnung der rechteckigen oder zumindest annähernd rechteckigen Bereiche geringer Wandstärke in Richtung der Längserstreckung des jeweiligen Rohres lässt eine besonders stabile netzartige Stützstruktur durch die Bereiche größerer Wandstärke zu.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die semipermeable Trennwand magnetisch anregbar, vorzugsweise durch ein magnetisches Wechselfeld. Ein Magnetfeld, vorzugsweise ein magnetisches Wechselfeld begünstigt die Diffusion von Wasserstoffrümpfen durch die semipermeable Trennwand derart, dass der Wasserstoffdruchsatz signifikant erhöht wird. Demnach wird durch die magnetische Anregung die Menge des abgeschiedenen Wasserstoffs erhöht.
- Besonders bevorzugt ist eine, vorzugsweise jede, als Rohr, also rohrförmig, ausgebildete semipermeable Trennwand umgeben von einem elektrischen Leiter, der mit einem elektrischen Strom, vorzugsweise einem elektrischen Wechselstrom, beaufschlagbar ist. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter spulenförmig um die rohrförmige semipermeable Trennwand angeordnet. Eine derartige Anordnung liefert ein magnetisches Wechselfeld, welches im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung der rohrförmigen semipermeablen Trennwand verläuft. Damit werden die Wasserstoffrümpfe senkrecht dazu, nämlich radial zur Längsachse der rohrförmigen semipermeablen Trennwand, zur Diffusion durch die semipermeable Trennwand angeregt. Damit wird die Wasserstoffabscheidung zusätzlich erhöht.
- Bevorzugt kann auch die semipermeable Trennwand selbst mit einer Spannung, insbesondere mit einer Wechselspannung oder einer pulsierenden Gleichspannung beaufschlagt werden, um den Wasserstoffdurchsatz zusätzlich zu erhöhen.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist jeder spulenförmige elektrische Leiter als Rohr ausgebildet, das vorzugsweise von einem Fluid, das zur Kühlung des Leiters nutzbar ist, durchflossen wird. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass der Leiter gekühlt wird und demnach seine elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Dadurch wird das magnetische Feld verstärkt. Weiterhin wird durch den gekühlten Leiter, der aufgrund seiner Anordnung um die rohrförmige semipermeable Trennwand herum in einem Bereich hoher Wasserstoffkonzentration, nämlich auf der Seite der semipermeablen Trennwand, in deren Richtung der Wasserstoff abgeschieden wird, angeordnet ist, der betreffende Bereich gekühlt. Dadurch wird die Rekombination von Wasserstoff begünstigt und der Wasserstoffdurchsatz erhöht. Vorzugsweise ist das Fluid zur Kühlung elektrisch nicht leitend, z. B. destilliertes Wasser.
- Weiterhin ist es denkbar die Oberfläche der semipermeablen Trennwand in der Resonanzfrequenz des Wasserstoffs zu bestrahlen, z. B. mit Licht im ultravioletten Farbbereich. Dies erhöht zusätzlich den Wasserstoffdurchtritt, da die Dissoziation desselben durch die Bestrahlung erleichtert wird.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der abgeschiedene hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einem Wasserstoff-Druckspeicher speicherbar. Ein solcher Wasserstoff-Druckspeicher ermöglicht die Lagerung großer Mengen Wasserstoffs zur späteren Verwendung.
- Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 9 auf. Demnach wird aus einem Gasgemisch mittels einer semipermeablen Trennwand, die zumindest größtenteils aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen besteht, Wasserstoff abgeschieden. Hierbei ist der Anteil von Eisen innerhalb der semipermeablen Trennwand entscheidend, dieser liegt insbesondere bei mehr als 99,8%. Weiterhin ist eine geringe Menge an Verunreinigungen im Werkstoff der semipermeablen Trennwand notwendig. Dann ist kann nur reiner Wasserstoff diese Trennwand durchdringen. Dadurch wird der Wasserstoff, welcher als hochwertiger Anteil des Gasgemisches abgeschieden wird, als hochreines Gas für andere Verwendungen nutzbar. Eine semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen, welche bevorzugt nur für Wasserstoff permeabel ist, stellt sicher, dass nur der Wasserstoff abgeschieden wird. Damit kann besonders reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff abgeschieden werden.
- Eine Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zeichnet sich dadurch aus, dass nur Wasserstoff diese durchdringen kann, wie oben beschrieben. Übrige Bestandteile des Gasgemisches, wie z. B. Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aber auch andere Gase, werden von der semipermeablen Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen oder Reineisen zurückgehalten. Auf diese Weise ist mit geringem Materialaufwand die Abscheidung von Wasserstoff möglich. Die Wasserstoffatome werden auf der Oberfläche der semipermeablen Trennwand, an der eine hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, vom Eisen unter Verlust ihres Elektrons adsorbiert. Die so entstehenden Wasserstoffrümpfe können, durch den Gitteraufbau des ferritischen Eisens bzw. des Roheisens oder Reineisens begünstigt, durch den Wandkörper wandern. Hierbei ist die treibende Kraft das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs. An der Oberfläche des Wandkörpers, welche eine niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, rekombiniert der Wasserstoff mit einem im Eisen gelösten Elektron wieder zu einem Wasserstoffatom. Somit wird nur der Wasserstoff durch den Wandkörper geleitet, andere Gase werden auf Grund ihrer wesentlich größeren Atome zurückgehalten.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Gasgemisch und/oder die semipermeable Trennwand bzw. deren Oberfläche mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt. Diese Anregung unterstützt die Dissoziation des Wasserstoffs an der semipermeablen Trennwand, so dass ein besonders hoher Wasserstoff-Massendurchsatz erreicht wird.
- Bevorzugt wird das Verfahren unter erhöhtem Druck und/oder unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Der Druck beträgt dabei vorzugsweise bis zu 10 bar, die Temperatur kann bis zu 400°C betragen, jedoch auch im Bereich der Raumtemperatur liegen. Diese Parameter begünstigen den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand, während andere Gase im Gasgemisch weiterhin zurückgehalten werden. Insbesondere eine Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen der semipermeablen Trennwand erhöht den Wasserstoffdurchtritt erheblich.
- Besonders bevorzugt wird die semipermeable Trennwand zur Vergrößerung des Wasserstoffdurchtritts mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Diese Elektrische Spannung wird bevorzugt als Wechselspannung oder als pulsierende Gleichspannung an die semipermeable Trennwand angelegt. Dieses Vorgehen steigert den Wasserstoffdurchsatz erheblich.
- Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist die semipermeable Trennwand mit einem magnetischen Feld, vorzugsweise einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar. Dies steigert den Wasserstoffdurchsatz ebenfalls und kann auch in Kombination mit den vorherig oder nachfolgend genannten Maßnahmen durchgeführt werden.
- Bevorzugt wird das Gasgemisch mittels eines Kompressors mit Überdruck dem Wasserstoffabscheider zugeführt. Durch den Überdruck des Gasgemisches wird die Konzentration der darin enthaltenen Gase im Verhältnis zur wasserstoffseitigen Umgebung innerhalb des Wasserstoffabscheiders deutlich erhöht. Ein damit erreichtes größeres Konzentrationsgefälle erhöht die Neigung des Wasserstoffs durch die Trennwand zu treten. Dies erhöht den Massendurchsatz und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich. Weiterhin ist der abgeschiedene Wasserstoff zu diesem Zweck vorzugsweise mit einem Unterdruck absaugbar.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der hochreine Wasserstoff mittels eines Kompressors in einen Wasserstoff-Druckspeicher gefördert. Der so gespeicherte Wasserstoff kann dann über längere Zeit gespeichert oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Gasgemisch vor dessen Zuleitung zur semipermeablen Trennwand erhitzt wird. Dies begünstigt den Durchtritt von Wasserstoff durch die semipermeable Trennwand zusätzlich.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeigen:
-
1 Ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk mit einer Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs in einer schematischen Darstellung, -
2 die Vorrichtung zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs der1 in einer geschnittenen Seitenansicht, -
3 der Schnitt A-A der Vorrichtung der2 , -
4 die Einzelheit II der2 , nämlich eine als Rohr ausgebildete semipermeable Trennwand der Vorrichtung der2 und3 mit einem sie umgebenden rohrartigen Leiter, -
5 eine beispielhafte Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, -
6 die Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff der5 in einer geschnittenen Seitenansicht, -
7 der Schnitt B-B der6 , sowie -
8 die Einzelheit VI der6 , nämlich eine als Rohr ausgebildete semipermeable Trennwand der Vorrichtung der6 und7 mit einem sie umgebenden, rohrartigen Leiter. - Die
1 zeigt ein Kleinkraftwerk10 in einer schematischen Darstellung. Insbesondere Rohrleitungen sowie die durch diese Rohrleitungen fließenden Stoffströme sind nur schematisch, also mit einem Pfeil, dargestellt. An einem Pfeil befindliche Bezugsziffern bezeichnen sinngemäß den innerhalb der jeweiligen Rohrleitung geleiteten Stoffstrom ebenso wie die Rohleitung selbst, was der Übersichtlichkeit dienlich ist. Weiterhin wird anhand der1 . bis4 ein erfindungsgemäßes Kleinkraftwerk ebenso beschrieben, wie das erfindungsgemäße Verfahren und auch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Beispielhaft innerhalb des Kleinkraftwerkes angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch insbesondere auch innerhalb anderer Anordnungen oder allein stehend zur Abscheidung bzw. Gewinnung von Wasserstoff aus anderen Gasgemischen als Pyrolysegas einsetzbar, wie in den6 . bis8 dargestellt. - Das Kleinkraftwerk
10 weist einen Reaktor11 auf, welcher ein Pyrolysereaktor ist und in welchen fester Brennstoff47 durch einen Aufgabetrichter12 eingebracht werden kann. Der feste Brennstoff, der vorzugsweise aus biologisch erzeugten bzw. nachwachsenden Rohstoffen besteht, wird innerhalb des Reaktors10 mittels eines Pyrolyseverfahrens umgewandelt. Das innerhalb des Reaktors11 erzeugbare Pyrolysegas besteht unter Anderem aus Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan und geringer Mengen anderer Gase. Der Reaktor weist einen Reaktorgehäuse13 auf, in welches der in den Aufgabetrichter12 eingebrachte Brennstoff eingebracht wird. Weiterhin weist der Reaktor11 einen Aschekasten14 auf, in welchem die aus dem Pyrolyseprozess entstehende Asche55 gesammelt und gesondert entsorgt wird. - Innerhalb des Reaktors
11 wird der Brennstoff47 unter Abschluss bzw. dosierter Zugabe von Luft bzw. in der Luft enthaltenen Sauerstoffs vergast. Das somit entstehende Pyrolysegas ist über eine Rohrleitung15 einem Gaskühler16 zuführbar. Dieser Gaskühler16 kühlt das Pyrolysegas, welches mit bis zu 1200°C aus dem Reaktor11 geführt wird, auf eine Temperatur von vorzugsweise etwa 400°C ab. Nach dem Gaskühler16 ist eine Rohrleitung17 angeordnet, durch welche das gekühlte Pyrolysegas einem Gaswäscher18 zuführbar ist. Der Gaswäscher befreit das Pyrolysegas zumindest weitestgehend von festen Bestandteilen und Rauchgas, wie z. B. Asche und Staub und wäscht es damit. Das so konditionierte Pyrolysegas wird im Weiteren als Rohgas bezeichnet. - Durch eine an den Gaswäscher
18 angeschlossene Rohrleitung19 ist das Rohgas mittels eines Kompressors20 über eine Rohrleitung23 einer Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, im Folgenden Wasserstoffweiche22 genannt, zuführbar. Innerhalb der Wasserstoffweiche22 kann das Rohgas vom Wasserstoff zumindest größtenteils befreit werden und ist als Brenngas über eine Rohrleitung25 einem Gasabscheider24 zuführbar. Der Gasabscheider24 trennt das im Brenngas enthaltene Kohlendioxid zumindest größtenteils vom Brenngas. Das Kohlendioxid kann dann über eine Rohrleitung43 einer anderweitigen Verwendung zugeführt werden. - Der innerhalb der Wasserstoffweiche
22 aus dem Rohgas abgeschiedene Wasserstoff56 kann mittels eines weiteren Kompressors57 einem Wasserstoff-Drucktank58 zugeführt und in diesem unter hohem Druck gespeichert werden. - Durch eine Rohrleitung
44 ist das Brenngas, welches zumindest größtenteils von Kohlendioxid befreit ist, einer Verbrennungskraftmaschine, im gezeigten Beispiel einem Verbrennungsmotor26 zuführbar. Dadurch, dass das Brenngas vom Wasserstoff und Kohlendioxid zumindest größtenteils befreit wurde, besteht es überwiegend nur noch aus Methan und Kohlenmonoxid. Dieses Gasgemisch ist besonders geeignet für die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsmotors26 . An den Verbrennungsmotor26 angeschlossen ist ein Generator27 , welcher die vom Verbrennungsmotor26 durch die Verbrennung des Brenngases erzeugte und über eine Welle28 an den Generator27 abgegebene Leistung in elektrische Energie wandeln kann. - Mittels eines Kühlwasserwärmetauschers
45 kann die im Verbrennungsmotor26 überschüssige Wärme einem Vortrockner46 zugeführt werden. Dieser Vortrockner46 dient der Reduzierung des Wassergehaltes des dem Reaktor11 über den Aufgabetrichter12 zugeführten Brennstoffs47 . - Weiterhin weist der Verbrennungsmotor
26 einen Abgaswärmetauscher48 auf. Mittels dieses Abgaswärmetauschers kann die im Abgas49 des Verbrennungsmotors26 enthaltene Wärme ebenfalls dem Vortrockner46 zugeführt werden. Die vom Verbrennungsmotor26 in Form von Wärme abgegebene, nicht zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzte, Energie wird so im besten Fall vollständig in den Prozess zurückgeführt. - Zusätzlich weist das Kleinkraftwerk
10 einen Abgaskondensator50 auf, mittels dessen das Abgas49 von Restfeuchte befreit werden kann. Das dann trockene Abgas51 kann dann in die Umwelt abgegeben werden. Das aus dem Abgaskondensator50 herausströmende Wasser52 kann einem Dampferzeuger53 zugeführt werden, wodurch es als Wasserdampf54 wiederum dem Reaktor11 zuführbar ist. Diese Zuführung von Wasserdampf54 in den Reaktor macht den im Pyrolysegas15 enthaltenen Wasserstoffanteil in gewissen Grenzen steuerbar. Eine größere Menge zugeführten Wasserdampfes54 lässt den Wasserstoffanteil im Pyrolysegas15 ansteigen, eine geringere Menge zugeführten Wasserdampfes54 lässt den Wasserstoffanteil im Pyrolysegas15 sinken. - Die
2 und3 zeigen die Wasserstoffweiche22 in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. in einer geschnittenen Vorderansicht. Die Wasserstoffweiche22 ist zur Abscheidung von Wasserstoff aus dem Pyrolysegas geeignet und wird in dieser Funktion beispielhaft erklärt. Weiterhin ist die Wasserstoffweiche22 aber auch zur Abscheidung von Wasserstoff aus jedem denkbaren Gasgemisch, das Wasserstoff enthält, einsetzbar. - Die Wasserstoffweiche
22 weist ein zumindest annähernd zylinderförmiges Gehäuse30 aus vorzugsweise Edelstahl auf. Es ist jedoch auch jeder andere Werkstoff mit geringer oder keiner Permeabilität für Wasserstoff verwendbar. Weiterhin ist jede andere Form für das Gehäuse denkbar. Das Gehäuse30 umgibt einen Innenraum31 der Wasserstoffweiche22 , welcher durch eine Innenseite des Gehäuses30 begrenzt wird. Die Innenseite des Gehäuses30 weist eine nicht gezeigte Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung weist eine besonders geringe Permeabilität für Wasserstoff auf und macht das Gehäuse30 damit für Wasserstoff nicht durchdringbar. - Innerhalb des Gehäuses
30 sind weiterhin Trennwände33 und39 angeordnet, welche das Gehäuse30 in drei Kammern teilen. Zwei der Kammern sind an je einem Ende des zylinderförmigen Gehäuses30 angeordnet und etwa gleich groß. Diese sind eine Trennkammer34 und eine Sammelkammer35 . Eine Kammer, nämlich eine Wasserstoffkammer42 zwischen den Trennwänden33 und39 , ist wesentlich Größer als die beiden übrigen Kammern und nimmt einen Großteil des Innenraumes des Gehäuses30 ein. - Zwischen den Trennwänden
33 und39 sind parallel zur Längserstreckung der Wasserstoffweiche22 Rohre32 angeordnet. Die Rohre32 weisen einen gleichen, runden Querschnitt auf. Die Rohre32 sind aus ferritischem Eisen, Roheisen oder Reineisen mit einem Eisenanteil von mehr als 99,8% gebildet und weisen eine Wandstärke von vorzugsweise unter 0,5 mm auf. Insbesondere beträgt deren Wandstärke nur 0,2 mm. Die Rohre verbinden durch Durchbrüche38 in den Trennwänden33 und39 die Trennkammer34 und die Sammelkammer35 miteinander. - Die Rohre
32 sind innerhalb des Gehäuses30 in einem gleichmäßigen Schema angeordnet und verlaufen insbesondere parallel zueinander. Die Rohre32 weisen größtenteils einen Gleichen Abstand zueinander auf, so dass der Raum innerhalb des Gehäuses bestmöglich mit Rohren32 ausgefüllt ist. Die Rohre32 trennen als semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen die Trennkammer34 von der Wasserstoffkammer42 , also einen zumindest größtenteils mit Pyrolysegas oder einem anderen Gasgemisch gefüllten Gereicht vom einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff56 gefüllten Bereich. - Innerhalb der Trennkammer
34 der Wasserstoffweiche22 wird das über die Rohrleitung23 durch eine Zuführung36 einströmende Rohgas oder jedes andere Gasgemisch in die Rohre32 aufgeteilt. Damit steht zur Abscheidung des Wasserstoffes die gesamte Wandfläche aller Rohre32 zur Verfügung. Der Wasserstoff wird von der jeweiligen als Rohr32 ausgebildeten semipermeablen Trennwand adsorbiert und tritt auf der Seite der Wasserstoffkammer42 wieder aus der semipermeablen Trennwand aus. Folglich ist innerhalb der Wasserstoffkammer42 nach dem Abscheidungsprozess nur reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff56 vorhanden, welcher über eine Wasserstoffabführung40 und die Rohrleitung56 mittels des Kompressors57 dem Wasserstoffdruckspeicher58 zuführbar ist. Wird die Wasserstoffweiche22 innerhalb einer anderen Anordnung eingesetzt, so kann der Wasserstoff aus der Wasserstoffabführung40 zur weiteren Verwendung abgezogen werden. - Mittels der Sammelkammer
35 wird das zumindest größtenteils vom Wasserstoff befreite Rohgas durch eine Abführung37 in die Rohrleitung25 geleitet und kann dem weiteren Prozess zugeführt werden. Wird die Wasserstoffweiche22 zur Abtrennung von Wasserstoff aus einem anderen Gasgemisch eingesetzt, so kann er aus der Abführung37 herausgeleitete, vom Wasserstoff größtenteils befreite Teil des Gasgemisches entweder weiterverwendet oder als Abfall entsorgt werden, falls nur der Wasserstoff verwendet werden soll. - Der Innenraum der Wasserstoffweiche
22 , insbesondere die Trennkammer34 oder die Zuführung36 sind heizbar ausgebildet. Damit kann das in die Wasserstoffweiche eingeführte Rohgas oder andere Gasgemisch auf eine zur Abscheidung des Wasserstoffs besonders günstige Temperatur gebracht werden. Diese liegt insbesondere bei etwa 400°C, kann aber auch je nach Gasgemisch im Bereich der Raumtemperatur von etwa 20°C liegen. - Die Wasserstoffkammer
42 ist, obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kühlbar ausgebildet. Damit kann der durch die semipermeablen Trennwände, nämlich die Rohre32 hindurch tretende Wasserstoff56 gekühlt werden, wobei dadurch das Diffusionsgefälle für durch die Rohre32 nachströmenden Wasserstoff56 erhöht wird. Dies steigert ebenso den Wasserstoffdurchtritt durch die als Rohr32 ausgebildete semipermeable Trennwand. - An Kontaktpunkten
41 , von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige gezeigt sind, kann an die jeweilige als Rohr32 ausgebildete semipermeablen Trennwand eine elektrische Spannung angelegt werden. Diese elektrische Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung, insbesondere eine pulsierende Gleichspannung. Dazu kann es sachdienlich sein, die Rohre32 von der übrigen Wasserstoffweiche22 , insbesondere von den Trennwänden33 bzw.39 , elektrisch zu isolieren. Der durch die elektrische Spannung bewirkte elektrische Strom fördert den Wasserstoffdurchtritt durch die semipermeable Trennwand, respektive durch die Wandungen der Rohre32 . Die Isolierung erfolgt vorzugsweise durch zwischen den Rohren32 und den Trennwänden33 bzw.39 angeordnete Dichtungen, welche isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Dichtungen sind dabei elektrisch isolieren und gasdicht, insbesondere bei hohen Temperaturen, ausgebildet. - Die Rohre
32 weisen netzartige Bereiche59 sowie von den netzartigen Bereichen59 umgebene Felder60 auf. In den netzartigen Bereichen59 weisen die Rohre23 eine größere Wandstärke auf als in den Feldern60 . Durch diese Ausbildung wird jedes Rohr32 durch größere Wandstärke in den Bereichen59 stabilisiert, insbesondere gegen den Innendruck des Pyrolysegases. Die geringe Wandstärke der Rohre32 innerhalb der Felder60 steigert den Wasserstoffdurchsatz. Dadurch sind die Rohre32 stabil und dennoch für eine große Menge Wasserstoff durchlässig. - Weiterhin sind die Rohre
32 , vorzugsweise alle Rohre32 , umgeben von spiralförmig angeordneten Leitern61 . Die Leiter61 sind als selbst auch rohrförmig ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen leitfähigen Metall. Die Leiter61 sind vom allen übrigen Bauteilen der Wasserstoffweiche22 elektrisch isoliert. Dies geschieht durch gasdichte, insbesondere hochtemperatur-gasdichte Dichtungen, welche nicht dargestellt sind. Damit können die Leiter61 aus dem Gehäuse30 der Wasserstoffweiche22 herausgeführt werden, ohne die Wasserstoffweiche22 undicht werden zu lassen. - Die Leiter
61 sind derart angeordnet, dass sie die Rohre32 in Form einer Spule umgeben. Die rohrförmigen und spiralförmigen Leiter61 sind elektrisch kontaktier und werden von einem elektrischen Strom durchflossen Sie erzeugen durch eine annähernd deckungsgleiche Anordnung der Spulenachse zur Mittelachse des jeweiligen Rohres32 ein Magnetfeld, welche zumindest annähernd parallel zur Mittelachse des jeweiligen Rohres32 verläuft. Damit werden die in der Rohrwandung in Richtung nach Außen, nämlich in die Wasserstoffkammer42 hinein diffundierenden Wasserstoffatome bzw. Wasserstoffrümpfe in Ihrer Diffusion beschleunigt. - Weiterhin ist der jeweilige rohrförmige Leiter von einem Kühlfluid durchströmt. Dadurch wird der Leiter
61 aber auch die Wasserstoffkammer42 gekühlt. Diese Kühlung begünstigt die Rekombination der Wasserstoffatome in der Wasserstoffkammer42 und damit den Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche22 . Zudem wird die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Leiters61 und damit die Stärke des Magnetfeldes gesteigert. Somit wird der Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche22 noch zusätzlich verstärkt. - Das Kühlfluid, welches den jeweiligen Leiter
61 durchströmt, ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend. Es kann zum Beispiel Stickstoff oder ein anderes Gas verwendet werden. Auch Wasser ist als Kühlfluid denkbar, insbesondere destilliertes Wasser. - Die
5 zeigt eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abscheidung von Wasserstoff, anhand derer auch das Erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird. Die Anordnung ist dabei schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb der Anordnung wird im Folgenden als Wasserstoffweiche62 bezeichnet. Eine Gasquelle63 enthält ein Gasgemisch, welches auch Wasserstoff enthält. Das Gasgemisch wird mittels einer Rohrleitung64 einer Pumpe, nämlich einem Kompressor65 zugeleitet und in diesem Kompressor65 verdichtet. Das so verdichtete Gasgemisch aus der Gasquelle63 kann dann mittels einer weiteren Rohrleitung66 der Wasserstoffweiche62 zugeführt werden. - Dabei steht die Gasquelle
63 nur beispielhaft für eine Zuführung eines Gasgemisches, welches auch Wasserstoff enthält. Es können z. B. Prozessgase mit der Wasserstoffweiche62 gereinigt bzw. deren Wasserstoffanteil nutzbar gemacht werden. Weiterhin ist denkbar, verschmutzten Wasserstoff durch die Wasserstoffweiche62 zu leiten und damit hochreinen Wasserstoff zu erzeugen. Jedes Gasgemisch, kann aus der Gasquelle63 eingeleitet werden in die Wasserstoffweiche62 . - Die
6 und7 zeigen die Wasserstoffweiche62 in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. in einer geschnittenen Vorderansicht. Die Wasserstoffweiche62 ist zur Abscheidung von Wasserstoff aus dem Gasgemisch ausgeführt. Dabei kann die Wasserstoffweiche62 Wasserstoff aus jeglichem Gasgemisch, welches Wasserstoff enthält, abscheiden und zwar reinen Wasserstoff. - Es ist z. B. denkbar, dass bei anderen Prozessen abfallende Prozessgase mittels der Wasserstoffweiche
62 von Wasserstoff befreit werden. Weiterhin können Gasgemische aus der chemischen Industrie zur Gewinnung derer Wasserstoffanteile genutzt werden oder durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff gereinigt werden. - Die Wasserstoffweiche
62 weist ein zumindest annähernd zylinderförmiges Gehäuse67 aus vorzugsweise Edelstahl auf. Es ist jedoch auch jeder andere Werkstoff mit geringer oder keiner Permeabilität für Wasserstoff verwendbar. - Es ist aber außer der zylinderförmigen Ausbildung des Gehäuses
67 auch jede andere Form des Gehäuses67 denkbar. Das Gehäuse67 umgibt einen Innenraum69 der Wasserstoffweiche62 , welcher durch eine Innenseite des Gehäuses67 begrenzt wird. Die Innenseite68 des Gehäuses62 weist eine nicht gezeigte Beschichtung aus Emaille auf. Diese Beschichtung weist eine besonders geringe Permeabilität für Wasserstoff auf und macht das Gehäuse67 damit für Wasserstoff nicht durchdringbar. - Innerhalb des Gehäuses
67 sind weiterhin Trennwände70 und71 angeordnet, welche das Gehäuse67 in drei Kammern teilen. Zwei der Kammern sind an je einem Ende des zylinderförmigen Gehäuses67 angeordnet und etwa gleich groß. Diese sind eine Trennkammer72 und eine Sammelkammer73 . Eine Kammer, nämlich eine Wasserstoffkammer74 zwischen den Trennwänden70 und71 , ist wesentlich Größer als die beiden übrigen Kammern und nimmt einen Großteil des Innenraumes69 des Gehäuses67 ein. - Zwischen den Trennwänden
70 und71 sind parallel zur Längserstreckung der Wasserstoffweiche62 Rohre75 angeordnet. Die Rohre75 weisen einen gleichen, runden Querschnitt auf. Die Rohre75 sind aus ferritischem Eisen oder Roheisen gebildet und weisen eine Wandstärke von vorzugsweise unter 0,5 mm auf. Insbesondere beträgt deren Wandstärke nur 0,2 mm. Die Rohre75 verbinden durch Durchbrüche76 in den Trennwänden70 und71 die Trennkammer72 und die Sammelkammer73 miteinander, und zwar insbesondere Gasdicht gegenüber der Wasserstoffkammer74 . - Die Rohre
75 sind innerhalb des Gehäuses67 in einem gleichmäßigen Schema angeordnet und verlaufen insbesondere parallel zueinander. Die Rohre75 weisen zumindest annährernd einen Gleichen Abstand zueinander auf, so dass der Raum innerhalb des Gehäuses67 bestmöglich mit Rohren75 ausgefüllt ist. Die Rohre75 trennen als semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen bzw. Roheisen die Trennkammer72 und die Sammelkammer73 von der Wasserstoffkammer74 , also einen zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Gereicht vom einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich. - Innerhalb der Trennkammer
72 der Wasserstoffweiche62 wird das über die Rohrleitung66 durch eine Zuführung77 einströmende Gasgemisch in die Rohre75 aufgeteilt. Damit steht zur Abscheidung des Wasserstoffes die gesamte Wandfläche aller Rohre75 zur Verfügung. Der Wasserstoff wird von der jeweiligen als Rohr75 ausgebildeten semipermeablen Trennwand adsorbiert und tritt auf der Seite der Wasserstoffkammer74 wieder aus der semipermeablen Trennwand aus. Folglich ist innerhalb der Wasserstoffkammer74 nach dem Abscheideprozess nur reiner, insbesondere hochreiner Wasserstoff vorhanden, welcher über eine Wasserstoffabführung78 und eine Rohrleitung79 mittels einer weiteren Pumpe, nämliche eines Kompressors80 über eine Rohrleitung82 einem Wasserstoffdruckspeicher81 zuführbar ist. Außerdem ist es denkbar, dass der Wasserstoff aus der Wasserstoffabführung78 zur weiteren Verwendung direkt genutzt wird, z. B. direkt einer Brennstoffzelle zugeführt wird. - Der Kompressor
65 kann zusätzlich dazu eingesetzt werden, das Gasgemisch auf ein höheres Druckniveau zu bringen. Der erhöhte Druck in den zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Kammern, nämlich der Trennkammer72 , der Rohre72 sowie der Sammelkammer73 , erhöht das Konzentrationsgefälle des Wasserstoffs von der zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Seite der semipermeablen Trennwand zur zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Seite, nämlich der Wasserstoffkammer74 , und vergrößert somit den Wasserstoffdurchtritt und damit die abgeschiedene Wasserstoffmenge. - Mittels der Sammelkammer
73 wird das zumindest größtenteils vom Wasserstoff befreite Gasgemisch durch eine Abführung83 in eine Rohrleitung84 geleitet. Dabei wird die Rohrleitung84 von einer Ventileinheit85 regelbar verschlossen, so dass das vom Wasserstoff größtenteils befreiten Gasgemisch oder Gas nicht ungehindert durch eine Rohrleitung86 abfließen kann. Damit kann der Innendruck innerhalb der das Gasgemisch führenden Kammern, nämlich der Trennkammer72 , der Rohre75 und der Sammelkammer73 , mittels der Ventileinheit85 eingestellt werden. Die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch bzw. das Konzentrationsgefälle an der semipermeablen Trennwand kann damit für die Funktion der Vorrichtung positiv beeinflusst werden. - Zusätzlich dient die Ventileinheit dazu, einen Teil des bereits teilweise von Wasserstoff befreiten Gasgemischs über eine Rückführungsleitung
91 zu einem Ventil92 zu leiten. Mittels des Ventils92 kann ein Teil des auf diese Weise rückgeführten Gasgemischs über eine Rohrleitung94 in eine Einspeisung93 wieder dem Kompressor65 zugeführt werden. Damit ist ein Teil des Gasgemisches mehrfach und kontrolliert der Wasserstoffweiche62 zuführbar. Dies erhöht die Ausbeute der Wasserstoffabscheidung erheblich, da die Konzentration in dem zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Bereich, nämlich der Trennkammer72 , der Rohre75 und der Sammelkammer73 , konstant oder zumindest annähernd konstant gehalten werden kann. - Weiterhin kann mittels des Kompressors
80 in der Rohrleitung79 und damit auch in der Wasserstoffkammer74 der Wasserstoffweiche62 ein Unterdruck erzeugt werden. Dies kann gleichsam mit dem Einpressen des Wasserstoffs in den Wasserstoffdruckspeicher81 erfolgen, so dass keine zusätzliche Pumpe benötigt wird. Damit wird ebenfalls das Konzentrationsgefälle an der semipermeblen Trennwand positiv beeinflusst, nämlich als Konzentrationsgefälle von der zumindest größtenteils mit dem Gasgemisch gefüllten Bereich zum zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten Bereich, vergrößert. - Je nach dem, für welches Gasgemisch die Wasserstoffweiche
62 zur Abtrennung von Wasserstoff eingesetzt wird, kann das größtenteils vom Wasserstoff befreite Gasgemisch aus der Rohrleitung84 bzw.86 herausgeleitet, und entweder weiterverwendet oder als Abfall entsorgt bzw. eventuell sogar in die Umwelt entlassen werden, falls nur der Wasserstoff verwendet werden soll bzw. das übrige Gasgemisch umweltverträglich ist. - Der Innenraum der Wasserstoffweiche
62 , insbesondere die Trennkammer72 und/oder die Zuführung77 sind heizbar und/oder kühlbar ausgebildet, wobei dies in den Figuren nicht dargestellt ist. Damit kann das in die Wasserstoffweiche62 eingeführte Gasgemisch auf eine zur Abscheidung des Wasserstoffs besonders günstige Temperatur gebracht werden. Diese liegt insbesondere bei etwa 400°C, kann aber auch je nach Gasgemisch auch im Bereich der Raumtemperatur von etwa 20°C liegen. - Die Wasserstoffkammer
74 ist, obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kühlbar ausgebildet. Damit kann der durch die semipermeablen Trennwände, nämlich die Rohre75 hindurch tretende Wasserstoff bzw. gekühlt werden, wobei dadurch das Diffusionsgefälle für durch die Rohre75 nachströmenden Wasserstoff erhöht wird. Dies steigert ebenso den Wasserstoffdurchtritt durch die als Rohr75 ausgebildete semipermeable Trennwand. - An Kontaktpunkten
87 , von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige gezeigt sind, kann an die jeweilige als Rohr75 ausgebildete semipermeable Trennwand eine elektrische Spannung entlang des jeweiligen Rohres75 angelegt werden. Diese elektrische Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung, insbesondere eine pulsierende Gleichspannung. Dazu kann es sachdienlich sein, die Rohre75 von der übrigen Wasserstoffweiche62 , insbesondere von den Trennwänden70 bzw.71 , elektrisch zu isolieren. Der durch die elektrische Spannung bewirkte elektrische Strom fördert den Wasserstoffdurchtritt durch die semipermeable Trennwand, respektive durch die Wandungen der Rohre75 . Die Isolierung erfolgt vorzugsweise durch zwischen den Rohren75 und den Trennwänden70 bzw.71 angeordnete Dichtungen, welche isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Dichtungen sind dabei elektrisch isolieren und gasdicht, insbesondere auch bei hohen Temperaturen gasdicht, ausgebildet. - Ebenfalls nicht dargestellt sind solche Einrichtungen, mittels derer die semipermeable Trennwand der Rohre
75 mit einer Strahlung, vorzugsweise Licht mit einer Frequenz im Bereich der Eigenresonanz des Wasserstoffs, anregbar ist. - Die Rohre
75 weisen netzartige Bereiche88 sowie von den netzartigen Bereichen88 umgebene Felder89 auf. In den netzartigen Bereichen88 weisen die Rohre75 eine größere Wandstärke auf als in den Feldern89 . Durch diese Ausbildung wird jedes Rohr75 durch größere Wandstärke in den Bereichen88 stabilisiert, insbesondere gegen den Innendruck des Gasgemisches, welche der Wasserstoffweiche62 mittels dem Kompressor65 zugeführt wird. Die geringe Wandstärke der Rohre75 innerhalb der Felder89 steigert den Wasserstoffdurchsatz. Dadurch sind die Rohre75 gleichzeitig stabil und dennoch für eine große Menge Wasserstoff durchlässig. - Weiterhin sind die Rohre
75 , vorzugsweise alle Rohre75 , umgeben von spiralförmig angeordneten elektrischen Leitern90 . Die Leiter90 sind als selbst auch rohrförmig ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Metall. Die Leiter90 sind vom allen übrigen Bauteilen der Wasserstoffweiche62 elektrisch isoliert. Dies geschieht durch Gasdichte, insbesondere hochtemperatur-gasdichte Dichtungen, welche nicht dargestellt sind. Damit können die Leiter90 aus dem Gehäuse67 der Wasserstoffweiche62 herausgeführt werden, ohne die Wasserstoffweiche62 undicht für das Gasgemisch werden zu lassen. - Die Leiter
90 sind derart angeordnet, dass sie die Rohre75 in Form einer Spule umgeben. Die rohrförmigen und spiralförmigen Leiter90 sind elektrisch kontaktiert und werden von einem elektrischen Strom durchflossen. Sie erzeugen durch eine annähernd deckungsgleiche Anordnung der Spulenachse zur Mittelachse des jeweiligen Rohres75 ein Magnetfeld, welche zumindest annähernd parallel zur Mittelachse des jeweiligen Rohres75 verläuft. Damit werden die in der Rohrwandung in Richtung nach Außen, nämlich in die Wasserstoffkammer74 hinein diffundierenden Wasserstoffatome bzw. Wasserstoffrümpfe in Ihrer Diffusion beschleunigt. - Weiterhin ist der jeweilige rohrförmige Leiter
90 von einem Kühlfluid durchströmt. Dadurch wird der Leiter90 aber auch die Wasserstoffkammer74 gekühlt. Diese Kühlung begünstigt die Rekombination der Wasserstoffatome in der Wasserstoffkammer74 und damit den Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche62 . Zudem wird die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Leiters90 und damit die Stärke des auf das jeweilige Rohr75 und damit auf die semipermeable Trennwand wirkenden Magnetfeldes gesteigert. Somit wird der Wasserstoffdurchsatz der Wasserstoffweiche62 noch zusätzlich verstärkt. - Das Kühlfluid, welches den jeweiligen Leiter
90 durchströmt, ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend. Es kann zum Beispiel Stickstoff oder ein anderes Gas verwendet werden. Auch entsalztes Wasser ist als Kühlfluid denkbar, insbesondere aber destilliertes Wasser. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kleinkraftwerk
- 11
- Reaktor
- 12
- Aufgabetrichter
- 13
- Reaktorgehäuse
- 14
- Aschekasten
- 15
- Rohrleitung
- 16
- Gaskühler
- 17
- Rohrleitung
- 18
- Gaswäscher
- 19
- Rohrleitung
- 20
- Kompressor
- 21
- Rohrleitung
- 22
- Wasserstoffweiche
- 23
- Rohrleitung
- 24
- Gasabscheider
- 25
- Rohrleitung
- 26
- Verbrennungsmotor
- 27
- Generator
- 28
- Welle
- 30
- Gehäuse
- 31
- Innenraum
- 32
- Rohr
- 33
- Trennwand
- 34
- Vorkammer
- 35
- Sammelkammer
- 36
- Zuführung
- 37
- Abführung
- 38
- Durchbruch
- 39
- Trennwand
- 40
- Wasserstoffabführung
- 41
- Kontaktpunkt
- 42
- Wasserstoffkammer
- 43
- Rohrleitung
- 44
- Rohrleitung
- 45
- Kühlwasserwärmetauscher
- 46
- Vortrockner
- 47
- Brennstoff
- 48
- Abgaswärmetauscher
- 49
- Abgas
- 50
- Abgaskondensator
- 51
- Abgas
- 52
- Wasser
- 53
- Dampferzeuger
- 54
- Wasserdampf
- 55
- Asche
- 56
- Wasserstoff
- 57
- Kompressor
- 58
- Wasserstoff-Drucktank
- 59
- Bereich
- 60
- Feld
- 61
- Leiter
- 62
- Wasserstoffweiche
- 63
- Gasquelle
- 64
- Rohrleitung
- 65
- Kompressor
- 66
- Rohrleitung
- 67
- Gehäuse
- 68
- Innenseite
- 69
- Innenraum
- 70
- Trennwand
- 71
- Trennwand
- 72
- Trennkammer
- 73
- Sammelkammer
- 74
- Wasserstoffkammer
- 75
- Rohr
- 76
- Durchbruch
- 77
- Zuführung
- 78
- Wasserstoffabführung
- 79
- Rohrleitung
- 80
- Kompressor
- 81
- Wasserstoffdruckspeicher
- 82
- Rohrleitung
- 83
- Abführung
- 84
- Rohrleitung
- 85
- Ventil
- 86
- Rohrleitung
- 87
- Kontaktpunkte
- 88
- Bereich
- 89
- Feld
- 90
- Leiter
- 91
- Rückführungsleitung
- 92
- Ventil
- 93
- Einspeisung
- 94
- Rohrleitung
Claims (10)
- Kleinkraftwerk (
10 ) mit einem Reaktor (11 ) zur Erzeugung von Pyrolysegas aus vorzugsweise nachwachsenden Rohstoffen und mindestens einer das Pyrolysegas zur Erzeugung von vorzugsweise elektrischer Energie nutzenden Verbrennungskraftmaschine (26 ), wobei im Gasstrom zwischen dem Reaktor (11 ) und der Verbrennungskraftmaschine (26 ) eine Vorrichtung (22 ) zur Abscheidung hochreinen Wasserstoffs (56 ) aus dem Pyrolysegas angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abscheidung von hochreinem Wasserstoff (56 ) aus dem Pyrolysegas ein einen Innenraum (31 ) umgebendes Gehäuse (30 ) mit zumindest einer, im Gehäuse (30 ) angeordneten, einen mit Pyrolysegas zumindest teilweise gefüllten Bereich (34 ) von einem mit zumeist Wasserstoff (56 ) gefüllten Bereich (42 ) abtrennenden semipermeablen Trennwand aufweist. - Kleinkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest teilweise mit Pyrolysegas gefüllte Bereich (
34 ) zumindest einen Zufluss (36 ) und zumindest einen Abfluss (37 ) aufweist und der zumeist mit Wasserstoff gefüllte Bereich zumindest einen Abfluss (40 ) aufweist. - Kleinkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand zur Abscheidung des hochreinen Wasserstoffs (
56 ) aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen besteht. - Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff aus einem Pyrolysegas, wobei das in einem Reaktor (
11 ) erzeugte Pyrolysegas vorzugsweise einer Verbrennungskraftmaschine (26 ) als Brenngas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Pyrolysegas mittels eines Wasserstoffabscheiders (22 ) mit einer semipermeablen Trennwand (32 ) hochreiner Wasserstoff abgeschieden wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand (
32 ) aus feritischem Eisen bzw. Roheisen aus dem Pyrolysegas abgeschieden wird und/oder dass das Pyrolysegas mittels Strahlung, vorzugsweise Licht in einer Frequenz der Eigenresonanzen des Wasserstoffs, angeregt wird. - Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasstrom, wobei ein zumindest größtenteils mit einem Teil des Gasstroms gefüllter Bereich von einem zumindest größtenteils mit Wasserstoff gefüllten bereich durch eine semipermeable Trennwand abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen besteht.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein einen Innenraum (
69 ) umgebendes Gehäuse (67 ) mit zumindest einer, im Gehäuse (67 ) angeordneten, einen mit einem Teil des Gasstroms zumindest teilweise gefüllten Bereich von einem mit zumeist Wasserstoff gefüllten Bereich (74 ) abtrennenden semipermeablen Trennwand aus vorzugsweise ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen. - Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine semipermeable Trennwand als mindestens ein Rohr (
75 ) ausgebildet ist, durch das und/oder die der Gasstrom hindurchführbar ist und insbesondere innerhalb des Gehäuses (67 ) mehrere, vorzugsweise gleiche, Rohre (75 ) angeordnet sind. - Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasgemisch, welches wenigstens Wasserstoff und zumindest ein anderes Gas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels einer semipermeablen Trennwand zumindest größtenteils bestehend aus ferritischem Eisen und/oder Roheisen und/oder Reineisen aus dem Gasgemisch abgeschieden wird.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Trennwand mittels elektrischem Strom und/oder Licht und/oder einem Magnetfeld, vorzugsweise in einer Frequenz im Bereich der Eigenresonanz des Wasserstoffs, angeregt wird.
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