DE102022110617A1 - Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff (1a) aus dem Abgas (2) und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff (1) betriebenen Glasschmelzwanne (101) durch Hochtemperaturelektrolyse (102), wobeia) Wasserdampf (2) aus Wasserstoff (1) als Ausgangsmaterial erzeugt wird,b) der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf (2) als Edukt in eine Hochtemperaturelektrolyse (102) zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts eingeführt wird, wobei das Elektrolyseprodukt Wasserstoff (1a) und Sauerstoff (3) umfasst undc) Wasserstoff (1a) aus dem in Schritt (b) erhaltenen Elektrolyseprodukt abgetrennt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne.
  • Das Fassungsvermögen einer Glasschmelzwanne kann über 2000 Tonnen und der tägliche Durchsatz kann über 1000 Tonnen betragen. Die Betriebstemperatur im Inneren der Glasschmelzwanne beträgt oberhalb des sogenannten Glasbades etwa 1500 °C. Diese Temperatur wird bestimmt durch die Zusammensetzung des Gemenges und wird von der benötigten Menge geschmolzenen Glases sowie den konstruktionsbedingten Energieverlusten bestimmt.
  • Die kontinuierlich betriebene Glasschmelzwanne besteht aus zwei Teilbereichen, der Schmelzwanne und der Arbeitswanne. Diese sind durch einen Durchlass oder eine Einschnürung getrennt. In der Schmelzwanne wird das aufgegebene Gemenge geschmolzen und geläutert. Die Schmelze gelangt dann durch den Durchlass in die Arbeitswanne und von dort in den Feeder (Vorherd). Bei der Hohlglasfertigung (Hohlglas) wird die darunter stehende Glasmaschine mit Glastropfen beschickt. Bei der Flachglasfertigung (Floatglas) wird das Glas an speziellen breiten Ausläufen als Glasband über ein sogenanntes Floatbad aus flüssigen Zinn bei Flachglas ohne Struktur: z. B. Fensterglas, Autoglas oder bei Flachglas mit Struktur über eine profilierte Walze geführt. Darüber hinaus werden Glasschmelzwannen auch zur Herstellung von Mineralwolle verwendet. Glasschmelzwannen werden zur Steigerung der Energieeffizienz mit einer Abgaswärmerückgewinnung betrieben.
  • Die Glasschmelzwannen sind aus feuerfesten Materialien erstellt und bestehen aus den Verbindungen Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiO2), Magnesia (MgO), Zirkonoxid (ZrO2) sowie aus Kombinationen davon zur Erzeugung der notwendigen feuerfesten keramischen Werkstoffe. Glasschmelzwannen und Verfahren zum Schmelzen von Glas sind unter anderem aus DE-OS 24 31 939, DD 298373 A5 und WO 2011/113565 A1 bekannt.
  • Als Wärmequelle dienen für den Betrieb der Glasschmelzwanne üblicherweise Erdgas, Schwer- und Leichtöl sowie elektrischer Strom, der mittels Elektroden direkt in das Glasbad eingespeist wird. Das Heizen mit fossilen Brennstoffen wird oft mit einer elektrischen Zusatzheizung kombiniert. Allerdings entstehen bei der Verbrennung von Erdgas große Mengen CO2.
  • Ausgelöst durch die Klimadiskussion sind mittlerweile mehrere Entwicklungen und Forschungsvorhaben gestartet worden, um das klimaschädliche CO2 bei der Produktion deutlich zu reduzieren. Die Glasschmelzwanne soll mit 80 % Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden und soll eine Reduzierung des CO2 um 50 % ermöglichen. Das wird beschrieben in „Die Schmelzwanne der Zukunft: Behälterglasindustrie auf dem Weg zu 50 % CO2-Reduktion“, Aktionsforum Glasverpackung, 16.03.2020 (https://www.glasaktuell.de/presse/presseinformation/news/die-schmelzwanne-der-zukunft-behaelterglasindustrie-auf-dem-weg-zu-50-prozent-co2-reduktion, aufgerufen am 27.04.2022).
  • Es wurde erfolgreich versucht, Glasschmelzwannen alternativ mit sogenanntem grünen Wasserstoff zu beheizen. Das wird beschrieben in „Glasherstellung mit Grünem Wasserstoff erstmals erfolgreich getestet“, 30.03.2021 (https://www.kopernikus-projekte.de/aktuelles/news/glasherstellung_mit_guenem_wasserstoff_erstmalig_erfolgreich_ getestet, aufgerufen am 27.04.2022).
  • Wasserstoff reagiert mit Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion zu Wasser: 2 H2 + O2 → 2 H2O
  • Da keine kohlenstoffhaltige Verbindung verbrannt wird, entsteht auch kein CO2. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht lediglich Wasserdampf.
  • Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, reagiert mit dem Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion zu CO2 und H2O: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
  • Da Methan pro Molekül ein Kohlenstoffatom enthält, entsteht neben Wasser auch noch CO2. Kohlenstoff wird bei der Verbrennung zu CO2 und Wasserstoff zu Wasser umgesetzt.
  • Wasserstoff wird heute hauptsächlich durch Dampfreformierung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen wie Erdgas, welches hauptsächlich aus Methan besteht, hergestellt (sogenanntes steam methane reforming - SMR). Dabei wird das Methan mit Dampf zu einer als Synthesegas bekannten Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxide und Kohlendioxid umgesetzt. Anschließend wird das Kohlenmonoxid zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute üblicherweise durch eine sogenannte Wassergas-Shift zu CO2 und H2 umgesetzt. Der Wasserstoff wird anschließend von den übrigen Produktgasen durch Druckwechseladsorption abgetrennt und dadurch in Reinform erhalten.
  • Die Dampfreformierung wird bei Temperaturen von circa 800 °C bis 900 °C durchgeführt. Dies eröffnet die Möglichkeit, sowohl die in den Verbrennungsgasen der Brenner als auch die im heißen Synthesegas vorhandene Prozesswärme zur Erzeugung von Exportdampf zu nutzen, da nur ein Teil dieser Wärme prozessintern, beispielsweise zur internen Dampferzeugung und Vorheizung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials genutzt wird. Dies erfolgt bei der Abkühlung der Verbrennungsgase und des Synthesegases, wobei Wasser in Dampf umgewandelt.
  • Wasserstoff kann auch durch Elektrolyse von Wasser, vorzugsweise mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen, hergestellt werden. 2 H2O → 2 H2 + O2
  • Die sogenannte Hochtemperaturelektrolyse ist wirtschaftlicher als die Elektrolyse bei Raumtemperatur, da ein Teil, der für die Spaltung von Wasserstoff und Sauerstoff benötigten Energie in Form von Wärme bereitgestellt wird. Die Hochtemperaturelektrolyse löst das Problem der direkten CO2-Emissionen, indem das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial durch Wasser und/oder Dampf ersetzt wird. Das Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Hochtemperaturelektrolyse von Wasser ist in EP 3 967 654 A1 beschrieben.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zum Schmelzen von Glas und eine umweltfreundlich betriebene Glasschmelzwanne bereitzustellen, wobei Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne erzeugt wird und der erzeugte Wasserstoff möglichst der prozessinternen Verwertung zugeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bereit.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere gelöst, durch ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne durch Hochtemperaturelektrolyse, wobei
    1. a) Wasserdampf aus Wasserstoff als Ausgangsmaterial erzeugt wird,
    2. b) der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf als Edukt in eine Hochtemperaturelektrolyse zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts eingeführt wird, wobei das Elektrolyseprodukt Wasserstoff und Sauerstoff umfasst und
    3. c) Wasserstoff aus dem in Schritt (a) erhaltenen Wasserdampf und aus dem in Schritt (b) erhaltenen Elektrolyseprodukt abgetrennt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Glasschmelzwanne mit Wasserstoff betrieben. Als Abgas wird bei der Verbrennung mit Wasserstoff überwiegend Wasser entwickelt.
  • Erfindungsgemäß wird der gemäß Schritt (a) erzeugte Wasserdampf gemäß Schritt (b) als Edukt in der Hochtemperaturelektrolyse zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts genutzt, wobei das Elektrolyseprodukt auch Sauerstoff umfasst. Der gemäß Schritt (a) erzeugte Wasserdampf wird dabei unmittelbar als dampfförmiges Edukt (Wasserdampf) oder in verflüssigter Form als Wasser bei entsprechendem Druck in der Hochtemperaturelektrolyse verwendet. Der Begriff „Hochtemperaturelektrolyse“ umfasst Elektrolyseverfahren, die bei Temperaturen von vorzugsweise 100 °C bis 850 °C durchgeführt werden. Die Hochtemperaturelektrolyse gemäß Schritt (b) wird entsprechend vorzugsweise bei 100 °C bis 850 °C durchgeführt. Höhere Temperaturen, die deutlich unterhalb der Thermolyse-Temperatur von Wasser liegen, sind dabei ebenfalls möglich. Insbesondere kann die Hochtemperaturelektrolyse bei Temperaturen von bis zu 900 °C, oder 1000 °C, oder 1100 °C, oder 1200 °C durchgeführt werden. Weiter bevorzugt wird die Hochtemperaturelektrolyse bei einer Prozesstemperatur von mindestens 500 °C durchgeführt.
  • In der Hochtemperaturelektrolyse wird der gebildete und als Edukt verwendete Wasserdampf durch Zufuhr von Elektrizität, also elektrischen Strom, insbesondere elektrischen Gleichstrom, zu den Elektrolyseproduktgasen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Gegebenenfalls sind für die Durchführung der Hochtemperaturelektrolyse zusätzlich zum Edukt Wasserdampf weitere Hilfsstoffe erforderlich, wie beispielsweise Elektrolyte oder organische Lösungsmittel.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wasserstoff ausschließlich durch Hochtemperaturelektrolyse und nicht zusätzlich wie bei der Verbrennung von Synthesegas auch durch Dampfreformierung produziert.
  • Die Hochtemperaturelektrolyse ist wirtschaftlicher als die herkömmliche Wasserelektrolyse bei Raumtemperatur, weil ein Teil der Energie in Form von Wärme geliefert wird, die billiger als elektrische Energie ist. Die Elektrolysereaktion ist bei höheren Temperaturen effizienter. Ab 2500 °C ist keine elektrische Zufuhr erforderlich, da Wasser in der Thermolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff zerfällt. Solche hohen Temperaturen sind in der Hochtemperaturelektrolyse nicht anwendbar. Aktuelle Hochtemperaturelektrolysen arbeiten zwischen 100 °C und 850 °C, wie es beschrieben ist in „Hydrogen production via solid electrolytic routes“, Sukhvinder P.S. Badwal, et al, 26. September 2012 (https://doi.org/10.1002/wene.50).
  • Die Effizienzsteigerung der Hochtemperaturelektrolyse lässt sich dadurch erkennen, dass die elektrische Energie aus einer Wärmekraftmaschine unter Berücksichtigung der Menge an Wärmeenergie stammt, die zur Gewinnung von 1 kg Wasserstoff (141,86 MJ) in der Hochtemperaturelektrolyse und der elektrischen Energie erforderlich ist. Bei 100 °C sind 350 MJ Wärmeenergie benötigt (41 % Wirkungsgrad). Bei 850 °C sind 225 MJ erforderlich (64 % Wirkungsgrad). Stand 2018 beträgt der erreichte Wirkungsgrad bezogen auf den oberen Heizwert im Median 82 %, maximal etwa 91 %, wie es beschrieben ist in „Technischer Stand und Flexibilität des Power-to-Gas-Verfahrens", Sarah Milanzi et al, August 2018, (https://www.er.tu-Berlin.de/fileadmin/a38331300/Dateien/Technischer_Stand_und_Flexibilit%C3%A4t_des_Po wer-to-Gas-Verfahrens.pdf).
  • Wirkungsgerade von heute eingesetzten Niedertemperaturelektrolyseuren (PEM oder Alkali) liegen bei 60 % bis 75 %, bedürfen hierzu allerdings Strom, der im Zweifel in einer Glasproduktion allerdings zugekauft werden muss. Des Weiteren verringert sich der Wirkungsgrad solcher Anlagen mit etwa 2 % pro Betriebsjahr.
  • Bevorzugt werden hochtemperaturbeständige Elektroden in den Abgasstrom oder am Gewölbe der Glaswanne eingebaut, um aus dem aus der Wasserstoffverbrennung entstehenden Wasserdampf wiederum Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen und diese getrennt wieder dem Verbrennungsprozess zuzuführen. Damit werden sehr gute Ergebnisse bei der Wasserstofferzeugung erzielt. Parallel oder alternativ wird nicht umgesetzter Wasserdampf unter Gewinnung von Strom kondensiert und das Wasser einem externen Prozess zugeführt.
  • Elektroden und Elektrolyte für die Wasserstoffextraktion bestehen gewöhnlich, aber nicht ausschließlich aus Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) Elektrolyte und Nickel-Cermet Dampf-/Wasserstoffelektroden. Für die Sauerstoffextraktion kommen üblicherweise Elektroden bestehend aus Lanthan-, Strontium- und Cobalt- Mischoxiden zum Einsatz. Alternativ kommen auch Elektroden aus Platin, Iridium zum Einsatz. Diese Elektroden sind bei der Wasserstofferzeugung sehr vorteilhaft.
  • Der höhere Wirkungsgrad von bis zu 91 % der Hochtemperaturelektrolyse ermöglicht bei einer Glaswanne im Dauerbetrieb eine günstigere Produktion und reduziert den Bedarf an extern zugeführten Sauerstoff und Wasserstoff.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Energieausbeute und -effizienz von H2 und H2/O2 betriebenen Glaswannen deutlich erhöht.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird reiner oder im Wesentlichen reiner Wasserdampf als Edukt für die Hochtemperaturelektrolyse verwendet. Als Elektrolyseprodukt ergibt sich in diesem Fall eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Der an der Kathode des Hochtemperaturelektrolyseurs erzeugte Wasserstoff wird durch einen Separator vom an der Anode erzeugten Sauerstoff getrennt. Der an der Anode erzeugte Sauerstoff kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Wasserstoff aus der Hochtemperaturelektrolyse abgezogen und zum Betreiben der Glasschmelzwanne zurückgeführt. Das ist ökonomisch und ökologisch sehr vorteilhaft.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erzeugte Wasserdampf für die Erzeugung von Elektrizität genutzt. Die erzeugte Elektrizität wird für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse genutzt.
  • Der erzeugte Wasserdampf kann teilweise für die Erzeugung der für die Hochtemperaturelektrolyse erforderlichen Elektrizität genutzt werden, indem die im Wasserdampf enthaltene kinetische Energie und Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der erzeugte Wasserdampf kann einer Wasserdampfturbine zugeführt und die Elektrizität durch einen der Wasserdampfturbine nachgeschalteten Generator erzeugt werden. Dadurch muss weniger Elektrizität, also elektrischer Strom, aus externen Quellen für die Hochtemperaturelektrolyse importiert werden. Ferner kann das Verfahren dadurch in vorteilhafter Weise so ausgelegt werden, dass keine externe Energiequelle für den Import von Elektrizität erforderlich ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Teil des Wasserdampfs aus der Wasserdampfturbine abgezogen und als Edukt der Hochtemperaturelektrolyse zugeführt werden.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse eine externe Elektrizitätsquelle genutzt werden. In diesem Fall wird der für den Schritt der Hochtemperaturelektrolyse benötigte elektrische Strom zumindest teilweise aus einer externen Elektrizitätsquelle importiert.
  • In einem bevorzugten Beispiel stellt die externe Elektrizitätsquelle Elektrizität aus einer erneuerbaren Energiequelle bereit. Insbesondere in dem Fall, dass vornehmlich oder ausschließlich Elektrizität aus regenerierbaren Energiequellen für die Hochtemperaturelektrolyse zur Verfügung steht, ist es sinnvoll den erzeugten Wasserdampf ausschließlich als Edukt Wasserdampf für die Hochtemperaturelektrolyse zu nutzen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiter gelöst durch eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne durch Hochtemperaturelektrolyse, wobei die Anlage folgende miteinander stehende Anlagenkomponenten aufweist:
    1. a) Eine mit Wasserstoff betriebene Glasschmelzwanne zur Erzeugung von Wasserdampf,
    2. b) einen Hochtemperatur-Elektrolyseur zur Erzeugung eines Wasserstoff und Sauerstoff aufweisenden Elektrolyseprodukts aus durch die Glasschmelzwanne erzeugtem Wasserdampf als Edukt und
    3. c) eine Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff aus mittels des Hochtemperatur-Elektrolyseurs erzeugten Elektrolyseprodukts.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Anlage eine Vorrichtung zu Rückführung des in Hochtemperatur-Elektrolyseur hergestellten Wasserstoffs in die die Glasschmelzwanne.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Anlage hochtemperaturbeständige Elektroden im Abgasstrom und am Gewölbe der Glasschmelzwanne.
  • Eine weitere Lösung der Aufgabe ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff und Rückführung von Wasserstoff in die Glasschmelzwanne bei der Glaserzeugung.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar.
  • Die Zeichnung zeigt:
    • 1: ein Fließschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und
    • 2: ein Fließschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
  • In den Figuren und den folgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente mit jeweils gleichen Bezugsziffern versehen.
  • 1 zeigt ein vereinfachtes Fließschema für ein erstes Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches sowohl Wassererzeugung 2 aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff 1 betriebenen Glasschmelzwanne 101 als auch Hochtemperaturelektrolyse 102 in einem gemeinsamen Verfahren integriert. Wasserstoff 1 wird in die Glasschmelzwanne 101 als Brennstoff eingeleitet. Der erzeugte Wasserdampf 2 aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb der mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne 101 wird als Edukt in einem Schritt einer Hochtemperaturelektrolyse 102 zur Erzeugung von Wasserstoff 1a und Sauerstoff 3 genutzt. Im Rahmen der Hochtemperaturelektrolyse 102 werden Wasserstoff 1a und Sauerstoff 3 als getrennte Ströme erzeugt. Sauerstoff 3 wird aus dem Verfahren ausgeschleust und weiterverwendet. Sauerstoff kann auch in das Glasschmelzverfahren zurückgeführt werden. Wasserstoff 1a wird aus dem Hochtemperaturelektrolyseur 102 der Hochtemperaturelektrolyse abgezogen und in die Glasschmelzwanne 101 als Brennstoff zurückgeführt.
  • 2 zeigt ein vereinfachtes Fließschema für ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches sowohl Wassererzeugung 2 aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb der mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne 101 als auch Hochtemperaturelektrolyse 102 in einem gemeinsamen Verfahren integriert. Das Verfahren gemäß 2 unterscheidet sich von dem Verfahren gemäß 1 darin, dass für die elektrolytische Spaltung des Wasserdampfs 2 in Wasserstoff 1a und Sauerstoff 3 der durch die Kombination aus Wasserdampfturbine und Generator 103 erzeugte Strom 10 genutzt wird. Ein Teil des der Kombination aus Wasserdampfturbine und Generator 103 zugeführten Wasserdampfs 2a wird aus der Wasserdampfturbine 103 abgezogen und als Wasserdampf 2c dem Schritt der Hochtemperaturelektrolyse 102 zugeführt. Der Wasserdampf 2c wird somit wie Wasserdampf 2b als Edukt-Wasserdampf 2b, 2c in der Hochtemperaturelektrolyse 102 zur Erzeugung eines Wasserstoff 1a und Sauerstoff 3 enthaltenden Elektrolyseprodukts genutzt.
  • Ein weiterer Teil des für die Hochtemperaturelektrolyse 102 erforderlichen Stroms wird durch Strom aus einer externen Elektrizitätsquelle bereitgestellt. Bei externer Elektrizitätsquelle handelt es sich insbesondere um eine externe Stromversorgung, die vorzugsweise Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle zur Verfügung stellt, beispielsweise Strom aus Windkraft oder Sonnenkraft.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wasserstoff als Brennstoff in die Glasschmelzwanne eingeleitet
    1a
    Wasserstoff erzeugt in der Hochtemperaturelektrolyse 102
    2
    Wasserdampf
    2a, 2b, 2c
    Wasserdampf
    3
    Wasserstoff erzeugt in der Hochtemperaturelektrolyse 102
    10
    Elektrische Strom
    101
    Glasschmelzwanne
    102
    Hochtemperaturelektrolyse / Elektrolyseur
    103
    Wasserdampfturbine und Generator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2011/113565 A1 [0004]
    • EP 3967654 A1 [0015]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DE-OS 24 31 939 [0004]
    • DD 298373 A5 [0004]
    • Technischer Stand und Flexibilität des Power-to-Gas-Verfahrens“, Sarah Milanzi et al, August 2018, (https://www.er.tu-Berlin.de/fileadmin/a38331300/Dateien/Technischer_Stand_und_Flexibilit%C3%A4t_des_Po wer-to-Gas-Verfahrens.pdf [0024]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff (1a) aus dem Abgas und aus der Wasserdampf-Atmosphäre oberhalb einer mit Wasserstoff (1) betriebenen Glasschmelzwanne (101) durch Hochtemperaturelektrolyse (102), wobei a) Wasserdampf (2) aus Wasserstoff (1) als Ausgangsmaterial erzeugt wird, b) der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf (2) als Edukt in eine Hochtemperaturelektrolyse (102) zur Erzeugung eines Elektrolyseprodukts eingeführt wird, wobei das Elektrolyseprodukt Wasserstoff (1a) und Sauerstoff (3) umfasst und c) Wasserstoff (1a) aus dem in Schritt (b) erhaltenen Elektrolyseprodukt abgetrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der Hochtemperaturelektrolyse (102) gemäß Schritt (b) ausschließlich Wasserdampf (2) als Edukt verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Hochtemperaturelektrolyse (102) Wasserstoff (1a) und Sauerstoff (3) als getrennte Ströme erzeugt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wasserstoff (1a) aus der Hochtemperaturelektrolyse (102) abgezogen und zum Betreiben der Glasschmelzwanne (101) zurückgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sauerstoff (3) aus der Hochtemperaturelektrolyse (102) ausgeschleust und verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der in Schritt (a) erzeugte Wasserdampf (2a) für die Erzeugung von Elektrizität (10) genutzt wird, und die erzeugte Elektrizität (10) für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse (102) gemäß Schritt (b) genutzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Teil des Wasserdampfs aus einer Wasserdampfturbine (103) abgezogen und als Edukt (2c) der Hochtemperaturelektrolyse (102) gemäß Schritt (b) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei für die Erzeugung des Elektrolyseprodukts in der Hochtemperaturelektrolyse (102) gemäß Schritt (b) eine externe Elektrizitätsquelle genutzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die externe Elektrizitätsquelle Elektrizität aus einer erneuerbaren Energiequelle bereitstellt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumoxid (YSZ) Elektrolyte, Nickel-Cermet-Dampf- / Wasserstoffelektroden oder Mischoxide aus Lanthan-, Strontium- und Cobalt-Sauerstoffelektroden, platin- oder iridiumhaltige Elektroden bei der Hochtemperaturelektrolyse (102) verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei hochtemperaturbeständige Elektroden in den Abgasstrom und am Gewölbe in die Glasschmelzwanne angebracht werden.
  12. Eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff (1a) bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne (101) durch Hochtemperaturelektrolyse (102) zur Durchführung eines Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung folgende Vorrichtungsteile umfasst, a) Eine mit Wasserstoff (1) betriebene Glasschmelzwanne (101) zur Erzeugung von Wasserdampf (2), b) einen Hochtemperatur-Elektrolyseur (102) zur Erzeugung eines Wasserstoff (1a) und Sauerstoff (3) aufweisenden Elektrolyseprodukts aus durch die Glasschmelzwanne (101) erzeugtem Wasserdampf (2) als Edukt und c) eine Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff (1a) aus den mittels des Hochtemperatur-Elektrolyseurs (102) erzeugten Elektrolyseprodukten.
  13. Eine Anlage nach Anspruch 12, mit einer Vorrichtung zur Rückführung des in Hochtemperatur-Elektrolyseur (102) hergestellten Wasserstoff (1a) in die die Glasschmelzwanne (101).
  14. Eine Anlage nach Anspruch 12 oder 13, mit hochtemperaturbeständigen Elektroden im Abgasstrom und am Gewölbe der Glasschmelzwanne (101).
  15. Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff und Rückführung von Wasserstoff in die Glasschmelzwanne (101) bei der Glaserzeugung.
DE102022110617.9A 2022-05-02 2022-05-02 Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bei einer mit Wasserstoff betriebenen Glasschmelzwanne Pending DE102022110617A1 (de)

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