DE10232565A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff

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Abstract

Ausgehend von dem Stand der Technik, widmet sich diese Erfindung der Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine kostengünstige Energieversorgung für die elektrolytische Zerlegung von Wasser in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht wird. DOLLAR A Diese Erfindung schlägt zur Lösung eine effiziente Vorrichtung zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines Hoffmanschen Zersetzungsapparats vor, wobei der im Inneren des Apparats ablaufende Elektrolyse-Vorgänge benötigte Gleichstrom aus Sonnenenergie gewonnen wird. Dazu dient eine Dampfturbine, die einen Gleichstromgenerator antreibt. Der zum Betrieb der Dampfturbine benötigte Wasserdampf wird dabei durch Fokussierung von Sonnenstrahlen auf einen mit Wasser gefüllten Kessel erzeugt. DOLLAR A Darüber hinaus wird zumindest ein Teil des Wechselstromes, der für den Betrieb eines Kälteaggregats zur Lagerung des Wasserstoffgases erforderlich ist, aus Sonnenenergie erzeugt. Zu diesem Zweck ist noch ein Wechselstromgenerator angeschlossen. DOLLAR A Diese Vorrichtung ermöglicht eine kostengünstige und umweltschonende Erzeugung von Wasserstoff durch Solarenergie.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoffgas (H2) durch Anwendung eines Elektrolyse-Verfahrens zur Zerlegung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), wobei der zur Durchführung der Elektrolyse benötigte Gleichstrom aus Sonnenenergie gewonnen wird.
  • Als Ausgangsstoff zur Gewinnung von Wasserstoff (H2) eignet sich praktisch jede Wasserstoffverbindung. Normalerweise erfolgt die Herstellung von Wasserstoff jedoch aus Wasser (H2O), das als billiger Ausgangsstoff und in praktisch unbegrenzten Mengen zur Verfügung steht, sowie aus Methan (CH4) und anderen Kohlenwasserstoffen (CmHn), die in Form von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas) gewonnen werden.
  • Die Energie zur Spaltung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) kann dabei in verschiedenster Form zugeführt werden, zum Beispiel als thermische, elektrische oder chemische Energie.
  • Um das im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung zur Spaltung von Wasser (H2O) verwendete Verfahren und alternative Lösungen, die nach heutigem Stand der Technik von technischer Bedeutung sind, zu verstehen, soll im Folgenden kurz auf die wichtigsten Aspekte und die Randbedingungen dieser Verfahren eingegangen werden.
  • Die sogenannte "Thermolyse" (thermische Spaltung) des Wassers (H2O) in die beiden Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gelingt auch bei sehr hohen Temperaturen nur unvollständig, wie der folgenden Tabelle entnommen werden kann:


  • So sind bei einer Temperatur T von 2.500 K (also +2.227°C) erst rund 4% des Wasserdampfes (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Demgemäß spielt die Thermolyse von Wasser für die Herstellung von Wasserstoff keine Rolle.
  • Dabei bezieht sich allerdings der in dieser Tabelle wiedergegebene Dissoziationsgrad ≙ ausschließlich auf den in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerfallenen Wasseranteil. Tatsächlich werden bei der thermischen Spaltung von Wasser (H2O) neben den Molekülen H2 und O2 auch Radikale wie Wasserstoffionen (H+), Sauerstoffionen (O2-), Hydroniumionen (H3O+) sowie Hydroxidionen (OH-) gebildet, so dass der wahre Dissoziationsgrad α insbesondere bei höheren Spaltungstemperaturen T erheblich größer ist.
  • Aus Wasser (H2O) kann Wasserstoff (H2) mit stark unedlen Metallen, wie zum Beispiel mit den Alkalimetallen Natrium (Na) oder Kalium (K) bzw. mit den Erdalkalimetallen Magnesium (Mg) oder Calcium (Ca), in einer stark exotherm verlaufenden Reaktion freigesetzt werden. Dies wird allgemein durch ein negatives Vorzeichen der Reaktionsenthalpie ΔH R|298 dargestellt. So entstehen beispielsweise bei der exothermen Reaktion der beiden Edukte Natrium (Na) und Wasser (H2O) bei einer Temperatur von T0 = 298 K die Produkte Wasserstoff (H2) und Natronlauge (NaOH):


  • In dieser Reaktion bilden Na und Na+ ein erstes korrespondierendes Redoxpaar, wobei Natrium (Na) als Reduktionsmittel wirkt und die entstehenden Natriumionen (Na+) als Oxidationsmittel agieren. Gekoppelt ist es mit einem zweiten korrespondierenden Redoxpaar, bestehend aus H2O und OH-, wobei Wasser (H2O) als Oxidationsmittel fungiert und bei dieser Reaktion gebildeten Hydroxidionen (OH-) als Reduktionsmittel dienen.
  • Hochgestellte römische Ziffern symbolisieren dabei die Oxidationszahlen des jeweiligen Elements. Die Klammerausdrücke beziehen sich auf den Aggregats- bzw. Lösungszustand des jeweiligen Stoffes, wie der folgenden Tabelle zu entnehmen ist:


  • Die Reaktionsenthalpie dieser Reaktion wird durch das Symbol ΔH R|298 bezeichnet, wodurch ausgedrückt wird, dass die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie unter standardisierten Bedingungen, also bei Normaldruck (p0 = 1.013 mbar) und Normaltemperatur (T0 = 298 K ≈⁣ +25°C), gemessen wurde.
  • In ähnlicher Weise wie bei der Reaktion von Natrium (Na) und Wasser (H2O) erhält man Wasserstoff (H2) beispielsweise auch durch die Umsetzung von Kalium (K) mit Wasser (H2O) zu Kalilauge (KOH):


  • In dieser Reaktion bilden K und K+ ein erstes korrespondierendes Redoxpaar, wobei Kalium (K) als Reduktionsmittel wirkt und die entstehenden Kaliumionen (K+) als Oxidationsmittel agieren. Das zweite korrespondierende Redoxpaar besteht wieder aus H2O und OH-, wobei Wasser (H2O) als Oxidationsmittel fungiert und die im Rahmen dieser Reaktion gebildeten Hydroxidionen (OH-) als Reduktionsmittel dienen.
  • Ferner kann Wasserstoff (H2) auch bei der Umsetzung von Magnesium (Mg) mit Wasserdampf (H2O) zu Magnesiumoxid (MgO) erzeugt werden:


  • Hierbei übernimmt das Erdalkalimetall Magnesium (Mg) die Rolle eines Reduktionsmittels und Wasser (H2O) die eines Oxidationsmittels. Die spitzen Klammern deuten an, dass der bei der Reduktion gebildete atomare Sauerstoff (O) nicht frei wird, sondern sich unmittelbar nach seiner Entstehung mit dem vorhandenen Magnesium (Mg) zu Magnesiumoxid (MgO) verbindet.
  • In ähnlicher Weise erhält man Wasserstoff (H2) beispielsweise auch durch die Umsetzung von Calcium (Ca) mit Wasser (H2O) zu Calciumhydroxid (Ca(OH)2):


    wobei das Erdalkalimetall Calcium (Ca) als Reduktionsmittel agiert und Wasser (H2O) als Oxidationsmittel dient.
  • Auch Eisen (Fe) kann bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf (H2O) zu Eisen(III)-oxid (Fe2O3) und Wasserstoff (H2) umgesetzt werden:


  • In begrenztem Umfang dient auch die Zerlegung von Wasser (H2O) durch rotglühendes Eisen (Fe) bei etwa +500°C zur Wasserstofferzeugung. Bei dieser Reaktion entstehen die Produkte Eisen(II)-oxid (FeO) und Wasserstoff (H2), wobei Eisen (Fe) zu Eisen(II)-oxid oxidiert wird und Wasser (H2O) zu Wasserstoff (H2) reduziert wird, wie der folgenden Reaktionsgleichung entnommen werden kann:


    wobei Eisen (Fe) als Reduktionsmittel agiert und Wasser (H2O) als Oxidationsmittel dient.
  • Wie zusammenfassend festgestellt werden kann, beruhen die bei den oben genannten Reaktionen ablaufenden Vorgänge darauf, dass alle genannten Metalle (Na, K, Mg, Ca, Fe) in der Lage sind, Wasser (H2O) zu Wasserstoff (H2) zu reduzieren.
  • Da praktisch alle Nichtmetalle Wasser (H2O) nur unter Energiezufuhr spalten können, spielen sie für die Wasserstoffherstellung im Labor keine Rolle. Eine Möglichkeit zur Gewinnung kleiner Wasserstoffmengen im Rahmen einer exothermen Reaktion besteht allerdings auch in der Umsetzung von Wasser (H2O) mit Calciumhydrid (CaH2):


  • Dabei wird aus 1 kg Calciumhydrid (CaH2) rund 1 m3 Wasserstoff (H2) frei.
  • Calciumhydrid (CaH2) kann im Labor bei 400°C durch Überleiten von Wasserstoff (H2) über Calcium (Ca) im Rahmen einer exothermen Reaktion hergestellt werden:


  • Damit besteht die Möglichkeit, Wasserstoff (H2) als Calciumhydrid (CaH2) zu speichern und später Wasserstoff (H2) mit Hilfe von Wasser (H2O) wieder freizusetzen.
  • Wasserstoff kann heute im Labor auch durch Einwirkung von Säuren (HnA) oder Basen (B(OH)m) auf unedle Metalle wie Zink (Zn) oder Eisen (Fe) hergestellt werden. Die dabei verwendeten Formelzeichen sind wie folgt erklärt:
    A: Säurerest (z. B. BO 3-|3, CO 2-|3, Cl-, NO -|3, PO 3-|4, SO 2-|4, HCOO-),
    B: Basenrest (z. B. Ca2+, Li+, Na+, K+, Al3+),
    n ∈ N: Basizität des Säurerests A (in der Regel: n ≤ 3), m ∈ N: Säurigkeit des Basenrests B (in der Regel: m ≤ 3).
  • Zu diesem Zweck wird der sogenannte "Kippsche Apparat" verwendet, der auch für die Herstellung vieler anderer Gase im Labor geeignet ist, wie beispielsweise zur Gewinnung von Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) oder Chlor (Cl2). Er besteht aus einem Kugeltrichter und einem mit einer Einschnürung versehenen Entwicklungsgefäß. Trichter und Entwicklungsgefäß sind durch einen Glasschliff derart miteinander verbunden, dass das lange Ansatzrohr des Trichters bis in den unteren Teil des Entwicklungsgefäßes hineinragt, ohne dabei die Verbindung der beiden Volumenteile des Entwicklungsgefäßes zu unterbrechen. Im mittleren Teil des Apparats befindet sich das Metall (Me), der obere und untere Teil enthält eine Säure (HnA). Wird der Hahn des mittleren Teils geöffnet, so fließt infolge des Überdrucks der Flüssigkeitssäule die Säure (HnA) aus dem oberen in den unteren Teil, gelangt so schließlich mit dem Metall (Me) im mittleren Teil in Berührung und reagiert mit diesem unter Bildung von Wasserstoff (H2). Schließt man den Hahn, so wird der Kontakt zwischen Säure (HnA) und Metall (Me) unterbrochen, und die Gasentwicklung kommt zum Stillstand. Auf diese Weise kann die Wasserstoffentwicklung durch ein Öffnen und Schließen des Hahns in Gang gebracht und wieder beendet werden.
  • Ein Beispiel für die Freisetzung von Wasserstoff durch Einwirkung einer Säure (HnA) auf ein Mietall (Me) ist die Reaktion von Zink (Zn) mit Salzsäure (HCl). Durch die Einwirkung von Salzsäure (HCl) auf Zink (Zn) wird das Metall unter Entwicklung von Wasserstoff (H2) und Zinkchlorid (ZnCl2) langsam aufgelöst, wie der folgenden Redoxreaktion entnommen werden kann:


  • In diesem Fall agiert Zink (Zn) als Reduktionsmittel und Salzsäure (HCl) als Oxidationsmittel.
  • Für die Herstellung von Wasserstoff (H2) im Labor können ferner die Umsetzungen der Metalle Aluminium (Al) und Silicium (Si) mit heißer Natronlauge (NaOH) genutzt werden:


  • Im ersten Fall werden je 27 g (d. h. 1 mol) Aluminium (Al) benötigt, um 33,6 l (d. h. 1,5 mol) Wasserstoff (H2) herzustellen, also etwa 1,2 m3 pro kg Aluminium (Al). Im zweiten Fall werden je 28 g (d. h. 1 mol) Silicium (Si) benötigt, um 44,8 l (d. h. 2 mol) Wasserstoff (H2) herzustellen.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung von Wasserstoff (H2) ist in der Technik durch die sogenannte "Elektrolyse" von Wasser (H2O) gegeben.
  • Da die intermolekulare Bindung von Wasserstoff und Sauerstoff im Wassermolekül (H2O) sehr fest ist, lässt sie sich nur im Rahmen einer endothermen Reaktion (dargestellt durch ein positives Vorzeichen der Reaktionsenthalpie ΔH R|298) durch Zufuhr großer Energiemengen auftrennen:


  • Dabei beträgt der Energieverbrauch zur elektrolytischen Herstellung von 1 m3 Wasserstoff (H2), der neben 0,5 m3 Sauerstoff (O2) entsteht, immerhin rund 4,5 kWh.
  • Die Zerlegung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) kann beispielsweise in einem "Hofmannschen Zersetzungsapparat" durchgeführt werden. Man füllt zu diesem Zweck den aus drei miteinander verbundenen Glasröhren bestehenden Apparat durch die trichterförmige Zuführung der mittleren Föhre so weit mit Wasser (H2O), dass die beiden äußeren Röhren bis an die Hähne - die dann geschlossen werden - mit Wasser angefüllt sind. Im unteren Teil der beiden äußeren Röhren befindet sich je ein kleines Blech aus Platin (Pt) mit einem nach außen führenden Platindraht. Sobald die Platindrähte mit einer Gleichstromquelle von genügender Spannung verbunden werden, beginnen an den Platinblechen (den "Elektroden") kleine Gasbläschen aufzusteigen: Das Wasser (H2O) wird unter Bildung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) elektrolytisch zerlegt, wobei der Wasserstoff (H2) - ein brennbares, die Verbrennung aber nicht unterhaltendes Gas - sich an der mit dem negativen Pol der Stromquelle verbundenen Elektrode ("Kathode") bildet, während der Sauerstoff (O2) - ein nicht brennbares, jedoch die Verbrennung unterhaltendes Gas - an der mit dem positiven Pol der Stromquelle verbundenen Elektrode ("Anode") entwickelt wird. Da reines (destilliertes) Wasser den elektrischen Strom nur sehr schlecht leitet, verwendet man zur Elektrolyse ein durch Ansäuern mit Schwefelsäure (H2SO4) besser leitend gemachtes Wasser. Bei Ermittlung der Massenverhältnisse, in denen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) bei der oben beschriebenen elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) auftreten, lässt sich feststellen, dass Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) im Verhältnis 1 : 7,936 gebildet werden.
  • Technisch verfährt man heute bei dieser Methode im Prinzip so, dass man mehrere hundert Zersetzungszellen hintereinander schaltet. Dabei wird die erste Elektrode der ersten Zelle in der Regel aus Nickel (Ni) gefertigt und mit dem positiven Pol (Anode) der Stromquelle verbunden. Die letzte Elektrode der letzten Zelle wird dagegen aus Eisen (Fe) gefertigt und mit dem negativen Pol (Kathode) der Stromquelle verbunden. Für die mittleren Elektroden verwendet man anodenseitig vernickeltes Eisenblech als bipolare (d. h. in der einen Zelle als Kathode, in der benachbarten Zelle als Anode wirkenden) Elektroden. Eine poröse, den Stromtransport gestattende Scheidewand ("Diaphragma") verhindert in jeder Zelle die Verbindung des kathodisch gebildeten Wasserstoffs (H2) und des anodisch entwickelten Sauerstoffs (O2) zu Wasser (H2O) in einer stark exothermen, explosionsartig verlaufenden Knallgasreaktion:


  • Um die Leitfähigkeit des Wassers (H2O) zu erhöhen, wird es in der Regel mit Natronlauge (NaOH) oder Kalilauge (KOH) versetzt. Auch wässrige Lösungen von Kochsalz (NaCl) können zur Elektrolyse verwendet werden. Der hierbei erzeugte Wasserstoff (H2) ist wegen seiner Reinheit ein begehrtes Produkt.
  • Ein weiteres Beispiel für einen Elektrolysevorgang zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) ist durch die sogenannte "Chloralkali"-Elektrolyse gegeben. Nach diesem Verfahren werden in der Technik Chlor (Cl2) und Wasserstoff (H2) gewonnen. Durch Eindampfen der Lösung kann zusätzlich Natronlauge (NaOH) gewonnen werden. Dabei entweicht bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Kochsalz (NaCl) an der Kathode Wasserstoff (H2) und an der Anode Chlor (Cl2)


  • Die Chloridionen (Cl-) wandern zur Anode und werden dort entladen. Im Gegensatz dazu werden die Natriumionen (Na+) nicht entladen, da die Hydroniumionen (H3O+) leichter zu reduzieren sind als die Natriumionen (Na+).
  • Im Rahmen der oben beschriebenen Chloralkali-Elektrolyse muss dafür gesorgt werden, dass die Produkte sich nicht miteinander vermischen können, da Chlor (Cl2) mit Natronlauge (NaOH) in einer hydrolytischen Disproportionierungsreaktion zu Kochsalz (NaCl) und hypochloriger Säure (HOCl) reagieren würde:

    Cl2(g) + NaOH(aq) → 4 NaCl(aq) + HOCl(aq).
  • Bei dieser Reaktion wird die Oxidationsstufe "0" der Elementverbindung von Chlor (Cl2) in die höhere Oxidationsstufe "+I" (in HOCl) und die niedrigere Oxidationsstufe "-I" (in NaCl) überführt.
  • Da Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2) ein gefährliches, hochexplosives Gemisch bilden und sich bei Vermischung unter dem Einfluss von Licht, durch einen Zündfunken bzw. bei Temperaturen oberhalb von +250°C im Rahmen einer stark exothermen Chlorknallgas-Reaktion


    zu Salzsäure (HCl) umsetzen würden, muss zudem dafür gesorgt werden, dass die bei der Chloralkali-Elektrolyse gewonnenen Produkte Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2) sich nicht miteinander vermischen können. Zu diesem Zweck werden Anoden- und Kathodenraum durch ein Diaphragma, bestehend aus Asbest oder Kunststoffen, voneinander getrennt. Durch dieses Diaphragma können lediglich Ionen hindurchtreten, während die gebildeten Gase Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2) getrennt werden.
  • Neben verschiedenen Möglichkeiten zur Gewinnung von Wasserstoff (H2) aus Wasser (H2O) ist heute auch die Wasserstoffherstellung auf der Basis von Kohlenwasserstoffen technisch relevant. Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen exotherme Verbindungen, d. h. ihre Zerlegung in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C) kann nur unter Energiezufuhr - wenn auch in geringerem Ausmaß als bei der Spaltung von Wasser (H2O) - erfolgen. Ein einfaches Beispiel dafür ist die Spaltung von Methan (CH4):

    CH4(g) ⇆ C(f) + 2 H2(g)↑
    mit der Reaktionsenthalpie ΔHR ≍ +75 kJ.
  • Die Wasserstoffgewinnung erfolgt dabei technisch durch Zufuhr von thermischer sowie elektrischer Energie.
  • Ausgangspunkt der sogenannten "thermischen Kohlenwasserstoffspaltung" ist dabei Steinkohle, welche sich bei etwa +1.100 bis +1.300°C unter Luftausschluss neben Koks und Steinkohleteer in "Koksofengas" verwandelt, bestehend aus Wasserstoff (H2) und Methan (CH4). Aus diesem Gasgemisch lässt sich durch Tieftemperatur-Fraktionierung der Wasserstoff (H2) abtrennen. Der Anteil des entstehenden Wasserstoffs (H2) am Gesamtvolumen der Produkte macht hierbei zwischen 60 und 64% aus. In entsprechender Weise kann Wasserstoff (H2) neben Kohlenstoff (C) auch durch Erhitzen von Erdölen ("Cracken") erzeugt werden.
  • Bei der "chemischen Kohlenwasserstoffspaltung" verbindet man den Vorgang der thermischen Kohlenwasserstoffspaltung mit einer Oxidation des hierbei gebildeten Kohlenstoffs (C), wobei der für den Oxidationsprozess benötigte Sauerstoff (O2) dem Wasser (H2O) entnommen wird. Verwendet man Methan (CH4) als Ausgangsstoff, so ergibt sich im Rahmen der folgenden Reaktion in Gegenwart von Nickel (Ni) als Katalysator unter Energiezufuhr "Spaltgas", bestehend aus 1 mol Kohlenmonoxid (CO) und n mol Wasserstoff (H2), wobei n ≥ 2 gilt:


  • Großtechnisch wird Wasserstoff (H2) heute im Wesentlichen durch Reduktion von Wasser (H2O) mit Kohlenstoff (C) im Rahmen einer endothermen Reaktion gewonnen. Dazu leitet man Wasserdampf (H2O) bei etwa +800 bis +1.000°C über hellrot glühenden Koks (C):

    C(f) + H2O(g) ⇆ CO(g)↑ + H2(g)↑
    mit der Reaktionsenthalpie ΔHR ≍ +131 kJ.
  • Das dabei in endothermer Reaktion entstehende Gasgemisch, bestehend aus je 1 mol Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), wird "Wassergas" oder "Synthesegas" genannt. Der Energiebedarf für diese als "Kohlevergasung" bekannte Reaktion kann durch eine teilweise Verbrennung der Kohle gedeckt werden.
  • Das gebildete Kohlenmonoxid (CO) kann bei niedrigen Temperaturen in einer exothermen Reaktion mit Wasserdampf (H2O) unter Neubildung von Wasserstoff (H2) weiter zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert werden:

    CO(g) + H2O(g) ⇆ CO2(g)↑ + H2(g)↑
    mit der Reaktionsenthalpie ΔHR ≍ -47 kJ,

    so dass bei Wasserdampfüberschuss und weniger hohen Temperaturen die Gesamtreaktion

    C(f) + 2 H2O(g) ⇆ CO2(g)↑ + 2 H2(g)↑
    mit der Reaktionsenthalpie ΔHR ≍ +90 kJ

    stattfinden kann. Die oben beschriebene Abtrennung von Kohlenmonoxid (CO) aus Wassergas ist dabei unter der Bezeichnung "Kohlenoxid-Konvertierung" bekannt.
    • AUFGABE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik, widmet sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine kostengünstige Energieversorgung für die elektrolytische Zerlegung von Wasser (H2O) in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die den Gedanken der Erfindung weiterbilden, sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
    • ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die zugrunde liegende Erfindung schlägt zur Lösung der im vorangehenden Abschnitt definierten Aufgabe eine effiziente Vorrichtung zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mit Hilfe eines Hofmannschen Zersetzungsapparats vor, wobei der für die im inneren des Apparats ablaufenden Elektrolyse-Vorgänge benötigte Gleichstrom aus Sonnenenergie gewonnen wird. Zu diesem Zweck dient eine Dampfturbine, die einen Gleichstromgenerator antreibt. Der zum Betrieb der Dampfturbine benötigte Wasserdampf wird dabei durch Fokussierung von Sonnenstrahlen auf einen mit Wasser (H2O) gefüllten Wasserkessel erzeugt.
  • Darüber hinaus wird erfindungsgemäß zumindest ein Teil des Wechselstroms, der für den Betrieb eines Kälteaggregats zur sicheren Lagerung des Wasserstoffgases (H2) erforderlich ist, aus Sonnenenergie erzeugt. Zu diesem Zweck ist an die Dampfturbine zusätzlich zu dem oben erwähnten Gleichstromgenerator noch ein Wechselstromgenerator angeschlossen, der das besagte Kälteaggregat mit Wechselstrom speist.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und Anwendungen der zugrunde liegenden Erfindung resultieren aus den untergeordneten abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in den folgenden Zeichnungen abgebildet ist. Hierin zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage 100 zur Veranschaulichung der im Rahmen der Erzeugung von Wasserstoff (H2) benötigten Komponenten nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der zugrundeliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 einen mit Wasser (H2O) gefüllten, hitzebeständigen ersten Wasserkessel 200, der bei der Erzeugung von Wasserdampf zum Antrieb einer Dampfturbine 110 benötigt wird,
  • Fig. 3 eine hydraulische Vorrichtung 300 zur Feinpositionierung einer optischen Linse 102, die zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlen auf den darunter angeordneten, mit Wasser gefüllten ersten Wasserkessel 200 dient,
  • Fig. 4 eine Anordnung 400 zur Energiegewinnung mit Hilfe der Dampfturbine 110, angeschlossen an einen Gleichstromgenerator 112 und einen Wechselstromgenerator 114,
  • Fig. 5 einen Hofmannschen Zersetzungsapparat 500 zur Durchführung der elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O), bei der unter Energiezufuhr in Form von Gleichstrom die beiden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) entstehen, und
  • Fig. 6 ein Kälteaggregat 600 zur sicheren Lagerung des entstandenen Wasserstoffs (H2).
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden die Funktionen der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthaltenen Baugruppen, wie in den Fig. 1 bis 6 abgebildet, näher beschrieben.
  • Bezugnehmend auf Fig. 1, soll die vorliegende Erfindung zunächst schematisch erläutert werden. Abgebildet ist ein vereinfachtes Übersichtsdiagramm der erfindungsgemäßen Anlage 100 zur Veranschaulichung der im Rahmen der Erzeugung von Wasserstoff (H2) benötigten Komponenten nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der zugrunde liegenden Erfindung. Diese Anlage 100 besteht aus
    • - einer optischen Linse 102 zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlen auf einen mit Wasser (H2O) gefüllten ersten Wasserkessel 200 zur Erzeugung von Wasserdampf,
    • - einer hydraulischen Vorrichtung 300 zur Feinpositionierung der optischen Linse 102, bestehend aus einer Fotozelle 104 als optisches Sensorelement, hydraulischen Aktorelementen 106 sowie einem computergestützten Regelungs- und Steuerungssystem 108,
    • - einer Dampfturbine 110 mit je einem angeschlossenen Gleichstromgenerator 112 bzw. Wechselstromgenerator 114 zur Gewinnung von Energie für die Erzeugung und sichere Lagerung von Wasserstoff (H2),
    • - einem mit Wasser (H2O) gefüllten zweiten Wasserkessel 116 eines Hofmannschen Zersetzungsapparats 500 zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) im Rahmen einer elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O), bei der die beiden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) entstehen, sowie
    • - einem Kälteaggregat 218 zur Abkühlung und Lagerung des entstandenen Wasserstoffs (H2).
  • In Fig. 2 ist ein mit Wasser (H2O) gefüllter erster Wasserkessel 200 dargestellt, der über ein seitlich angebrachtes Zuleitungsrohr 202 befüllt werden kann. Durch die Einwirkung der mit Hilfe einer optischen Linse 102 gebündelten Sonnenstrahlen kann das Wasser (H2O) innerhalb weniger Minuten derart erhitzt werden, dass der Siede- bzw. Kochpunkt des Wassers (TK,H2O = 100°C) überschritten wird und Wasserdampf entsteht.
  • Die in Fig. 3 abgebildete hydraulische Vorrichtung 300 zeigt die optische Linse 102, die oberhalb des mit Wasser (H2O) gefüllten ersten Wasserkessels 200 auf vier hydraulischen Aktorelementen 106 gelagert ist. Mit Hilfe einer Fotozelle 104 als optisches Sensorelement und einem kombinierten Regelungs- und Steuerungssystem 108, bestehend aus einem angeschlossenen Rechner, kann die Position der optischen Linse 102 derart verändert werden, dass einfallende Sonnenstrahlen auf das in dem Wasserkessel 200 befindliche Wasser (H2O) fokussiert werden. Auf diese Weise kann die Ausbeute an Sonnenenergie zur Aufheizung des Wassers (H2O) maximiert werden.
  • Wie der in Fig. 4 abgebildeten Anordnung 400 zu entnehmen ist, wird im Rahmen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der zugrunde liegenden Erfindung der freigesetzte Wasserdampf dazu verwendet, eine nachgeschaltete Dampfturbine 110 anzutreiben, die an einen Gleichstromgenerator 112 und einen Wechselstromgenerator 114 angeschlossen ist.
  • Der vom Gleichstromgenerator 112 erzeugte Gleichstrom wird erfindungsgemäß für die elektrolytische Zerlegung von Wasser (H2O) verwendet, das sich, wie in Fig. 5 abgebildet, in einem zweiten Wasserbehälter 116 befindet. Der hier dargestellte Hofmannsche Zersetzungsapparat 500 veranschaulicht den Vorgang dieser chemischen Reaktion, bei der unter Energiezufuhr in Form von Gleichstrom die beiden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) entstehen. Diese sammeln sich an zwei in das Wasser (H2O) eintauchenden, entgegengesetzt geladenen Elektroden 116a+b an und können mit Hilfe zweier Ableitungsrohre 117a+b aufgesaugt und in daran angeschlossene Speicherbehältnisse geleitet werden. Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, lagert sich dabei der freigesetzte Wasserstoff (H2) an der negativ geladenen Elektrode 116a (Kathode) an, während sich der entstehende Sauerstoff (O2) um die positiv geladenen Elektrode 116b (Anode) konzentriert.
  • Um den entstandenen Wasserstoff (H2) sicher zu lagern und eine explosionsartige exotherme Knallgasreaktion mit dem Sauerstoff (O2) der Umgebungsluft zu verhindern, muss der Wasserstoff (H2) mit Hilfe eines Kälteaggregats 118 auf eine Lagerungstemperatur TL,H2 von -230°C bis -260°C abgekühlt werden. Zum Betrieb dieses Kälteaggregats 118 kann erfindungsgemäß der durch den Wechselstromgenerator 114 erzeugte Wechselstrom hinzugezogen werden, wie in Fig. 6 abgebildet.
  • Die Bedeutung der mit Bezugszeichen versehenen Symbole in den Fig. 1 bis 6 kann der beigefügten Bezugszeichenliste entnommen werden. Bezugszeichenliste 100 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage zur Veranschaulichung der im Rahmen der Erzeugung von Wasserstoff (H2) benötigten Komponenten nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der zugrunde liegenden Erfindung
    102 optische Linse zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlen auf einen mit Wasser (H2O) gefüllten, hitzebeständigen ersten Wasserkessel 200
    104 Fotozelle als optisches Sensorelement zur Ermittlung der Momentanposition der optischen Linse 102
    106 hydraulische Aktorelemente zur Feinpositionierung der optischen Linse 102
    108 computergestütztes Regelungs- und Steuerungssystem zur Ansteuerung der hydraulischen Elemente 106
    110 Dampfturbine mit je einem angeschlossenen Gleichstromgenerator 112 bzw. Wechselstromgenerator 114
    112 Gleichstromgenerator zur Gewinnung von Energie für die Erzeugung von Wasserstoff (H2) im Rahmen einer Elektrolyse
    114 Wechselstromgenerator zur Gewinnung von Energie für den Betrieb eines Kälteaggregats 118 zur sicheren Lagerung des entstandenen Wasserstoff (H2)
    116 mit Wasser (H2O) gefüllter zweiter Wasserkessel zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) im Rahmen einer elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O), bei der die beiden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) entstehen
    116a negativ geladene Elektrode (Kathode) zur Ansammlung des bei der Elektrolyse von Wasser (H2O) im Hofmannschen Zersetzungsapparat 500 entstehenden Wasserstoffs (H2)
    116b positiv geladene Elektrode (Anode) zur Ansammlung des bei der Elektrolyse von Wasser (H2O) im Hofmannschen Zersetzungsapparat 500 entstehenden Sauerstoffs (O2)
    117a Ableitungsrohr für den entstandenen Wasserstoff (H2)
    117b Ableitungsrohr für den entstandenen Sauerstoff (O2)
    118 Kälteaggregat zur Abkühlung und Lagerung des entstandenen Wasserstoffgases (H2)
    200 mit Wasser (H2O) gefüllter, hitzebeständiger erster Wasserkessel, der bei der Erzeugung von Wasserdampf zum Antrieb einer Dampfturbine benötigt wird
    202 Zuleitungsrohr zur Befüllung des ersten Wasserkessels 200 mit Wasser (H2O)
    300 computergesteuerte hydraulische Vorrichtung zur Feinpositionierung der optischen Linse 102, die zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlen auf den darunter angeordneten, mit Wasser gefüllten ersten Wasserkessel 200 dient
    400 Anordnung zur Energiegewinnung mit Hilfe der Dampfturbine 110, die den Gleichstromgenerator 112 und den Wechselstromgenerator 114 betreibt
    500 Hofmannscher Zersetzungsapparat zur Durchführung der elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O), bei der unter Energiezufuhr in Form von Gleichstrom die beiden Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) entstehen
    502 Wasser (H2O) als Ausgangsstoff der elektrolytischen Zerlegung zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2)
    504 negativ geladene Elektrode (Kathode) zur Anlagerung des im Rahmen der Elektrolyse von Wasser (H2O) entstehenden Wasserstoffgases (H2)
    506 positiv geladene Elektrode (Anode) zur Anlagerung des im Rahmen der Elektrolyse von Wasser (H2O) entstehenden Sauerstoffgases (O2)
    508 im Rahmen der elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) freigesetztes Wasserstoffgas (H2)
    510 im Rahmen der elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) freigesetztes Sauerstoffgas (O2)
    512 Glaskolben zum Auffangen des im Rahmen der Elektrolyse von Wasser (H2O) freigesetzten Wasserstoffgases (H2)
    514 Glaskolben zum Auffangen des im Rahmen der Elektrolyse von Wasser (H2O) freigesetzten Sauerstoffgases (O2)
    600 Kälteaggregat zur sicheren Lagerung des erzeugten Wasserstoffgases (H2)
    602 Zuleitungsrohr zur Zuführung des bei der Elektrolyse entstandenen Wasserstoffgases (H2) an das Kälteaggregat 118

Claims (3)

1. Anlage zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mit Hilfe von zumindest teilweise aus Sonnenenergie erzeugtem Gleichstrom, aufweisend:
einen Wasserzersetzungsapparat (500), dessen Elektrolytlösung aus mit Säure versetztem Wasser (H2O) besteht sowie
eine Energiequelle (112) zur Stromversorgung für den Wasserzersetzungsapparat (500), gekennzeichnet durch
mindestens einen Gleichstromgenerator (112) als Energiequelle für die Bereitstellung des Gleichstroms zur Durchführung der Elektrolyse-Vorgänge im Inneren des Wasserzersetzungsapparats (500),
mindestens eine Dampfturbine (110) zum Antrieb des Gleichstromgenerators (112),
mindestens einen mit Wasser (H2O) gefüllten Wasserkessel (200) für die Erzeugung von Wasserdampf mittels einstrahlender Sonnenenergie zum Betrieb der Dampfturbine (110) und
mindestens eine optische Linse (102) zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlen auf den Wasserkessel (200) zwecks Erhitzung des darin befindlichen Wassers (H2O)
2. Anlage nach Anspruch 1,
welche zusätzlich über ein Kälteaggregat (118) zur Abkühlung und Lagerung des bei der Elektrolyse entstandenen Wasserstoffs (H2) mit Hilfe von zumindest teilweise aus Sonnenenergie erzeugtem Wechselstrom verfügt, gekennzeichnet durch
mindestens einen Wechselstromgenerator (114) als Energiequelle zur Bereitstellung des für den Betrieb des Kälteaggregats (118) benötigten Wechselstroms und
mindestens eine Dampfturbine (110) zum Antrieb des Wechselstromgenerators (114).
3. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine computergesteuerte hydraulische Vorrichtung (300) zur Positionierung der optischen Linse (102), bestehend aus
mindestens einem optischen Sensorelement (104),
mindestens einem hydraulischen Aktorelement (106) und
einer computergestützten Regelungs- und Steuerungsvorrichtung (108).
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