Stoffverwertung mit elektropositivem Metall

Die vorliegende Erfindung betrifft die industrielle Stoffver ^¬ wertung von Stoffen, die insbesondere im Kraftwerksbetrieb als Abfallprodukte anfallen. Die Erfindung eignet sich besonders aber nicht ausschließlich zur Verarbeitung von Kohlendioxid oder Stickstoff.

Im Bereich der Kraftwerkskonzepte ist das Verfahren bekannt, in dem Kohle mit reinem Sauerstoff und zurückgeführtem Rauchgas verbrannt wird, im Unterschied zur herkömmlichen Verbren ^¬ nung von Kohle mit Luft. Dazu wird vor dem Verbrennungs ^¬ schritt Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft abgetrennt. Es wird dadurch eine Anreicherung bzw. Aufkonzentrierung des CO ₂ im Rauchgas erreicht. Diesen Prozess findet man im Stand der Technik unter dem Begriff Oxyfuel-Prozess . Das bei der Verbrennung entstehende CO ₂ kann anschließend hochkonzentriert aufgefangen werden. Bei entsprechenden bekannten Oxyfuel- Prozessen fällt das CO ₂ so hochdicht an, dass es anschließend sequestriert werden kann, d.h. beispielsweise in unterirdi ^¬ schen Kammern gespeichert. Der Oxyfuel-Prozess wird oftmals als „emissionsfrei" bezeichnet. Emissionsfrei in diesem Zu ^¬ sammenhang bedeutet nur dass das CO ₂ nicht in die Atmosphäre entlassen wird. Es wird gespeichert, aber nicht vermieden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, womit Stoffe, insbesondere Abfallprodukte, verwertet und weiterverarbeitet werden kön ^¬ nen. Insbesondere soll die C0 ₂ -Emission reduziert und eine C0 ₂ -Sequestration vermieden werden.

Die Aufgabe ist durch ein Verfahren gemäß dem Patenanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran ^¬ sprüche . Das Verfahren zur industriellen Stoffverwertung umfasst einen Verbrennungsschritt und einen Reaktionsschritt. In dem Reak ^¬ tionsschritt findet die Umsetzung wenigstens eines Verbren- nungsproduktes des Verbrennungsschrittes statt. Der Verbren ^¬ nungsschritt umfasst eine Reaktion eines elektropositiven Me ^¬ talls mit dem zu verwertenden Stoff, insbesondere eine exo ^¬ therme Reaktion. In dem Reaktionsschritt wird zumindest ein Verbrennungsprodukt des Verbrennungsschrittes weiter umge- setzt. Der Reaktionsschritt kann direkt auf den Verbrennungs ^¬ schritt folgen. Alternativ können die Verbrennungsprodukte aufgefangen und/oder gelagert und/oder transportiert werden, bevor sie dem Reaktionsschritt zugeführt werden. Verbren- nungs- und Reaktionsschritt können also örtlich und zeitlich unabhängig voneinander sein.

Mit dem Verfahren werden beispielsweise Stoffe wie Stick ^¬ stoff, Kohlendioxid oder auch Schwefeldioxid verwertet. Der Stoff zur Verwertung kann flüssig oder gasförmig vorliegen. Zweckdienlich ist das Verfahren für die Verwertung von Stickstoff oder Kohlendioxid, beziehungsweise Gasgemischen, die Stickstoff und/oder Kohlendioxid, ggf. noch verunreinigt, enthalten . Das Verfahren zur Stoffverwertung, insbesondere von Stickstoff- und/oder Kohlendioxid, kann unabhängig von einem Pro- zess zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden. Insbesondere findet das Verwertungsverfahren für Stickstoff oder Kohlendioxid überall Anwendung, wo Stickstoff und Koh- lendioxid in ausreichend hoher Konzentration d.h. insbesonde ^¬ re auch ausreichender Reinheit anfallen. Ein derartiger Koh- lendioxid-Verwertungsprozess kann beispielsweise bei bisheri ^¬ gen Kohlendioxid-Speichern angesetzt werden oder bei jeder Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei der CO ₂ niedriger Ent- ropie anfällt. CO ₂ niedrige Entropie bedeutet hochkonzen ^¬ triert. Nicht jede beliebige Verbrennungsreaktion mit fossi ^¬ len Brennstoffen liefert hochkonzentriertes CO ₂ , z.B. nicht wenn die Verbrennung mit Luft stattfindet, da hierbei das CO ₂ mit dem Stickstoff der Luft verdünnt vorliegen würde.

Das Verfahren zur Stoff-Verwertung kann mit einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie kombiniert sein, in dem die in dem Verbrennungsschritt erzeugte kraftwerkstechnisch nutzbare thermische Energie in elektrische Energie umgewan ^¬ delt wird.

In einem alternativen Verfahren wird z.B. eine Abtrennung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft durchgeführt. Des Wei ^¬ teren kann z.B. eine Verbrennung eines Brennstoffes mit dem Sauerstoff durchgeführt. Dabei entsteht Kohlendioxid mit niedriger Entropie, d.h. hochkonzentriertes Kohlendioxid. Der Stickstoff, der aus der Luft abgetrennt wurde, und/oder das entstandene Kohlendioxid werden vorzugsweise dem Verwertungs- Verfahren zugeführt. Dieses umfasst die Verarbeitung des Koh ^¬ lendioxids und des Stickstoffs oder nur eines der beiden Gase oder dessen Mischungen. Die Verwertung erfolgt über eine Reaktion mit einem elektropositiven Metall. Hieraus entsteht der Vorteil, dass das CO ₂ nahezu vollständig aufgearbeitet wird, und ausschließlich umweltunschädliche bzw. weiter nutzbare Endprodukte übrig bleiben. Das Verfahren hat also den Vorteil, elektrische Energie zu erzeugen und eine nahezu vollständige Verwertung von Neben- und Abfallprodukten z.B. der elektrischen Energieerzeugung zu gewährleisten.

Die Kohlendioxid-Verwertung bietet den Vorteil, ein CO ₂ - emissionsfreies Kraftwerk realisieren zu können. Dazu kann der Prozess der Kohlendioxid-Verwertung an den Prozess zur elektrischen Energieerzeugung durch ein Kraftwerk angeschlossen werden. Das Kohlendioxid, das das Kraftwerk verlässt, kann beispielsweise durch den C0 ₂ -Verwertungsprozess in Me ^¬ thanol umgewandelt werden. Ebenso kann der Stickstoff-Ver- wertungsprozess an einen Prozess zur elektrischen Energieerzeugung, z.B. durch ein Kraftwerk, angeschlossen werden. Der aus der Luft abgetrennte Stickstoff wird dann z.B. gemäß der Erfindung weiterverarbeitet. Dabei wird z.B. in dem

Verbrennungsschritt eine Reaktion des elektropositiven Me ^¬ talls mit dem Stickstoff so geführt, dass ein Nitrid des elektropositiven Metalls entsteht, und wobei in dem Reakti ^¬ onsschritt eine Hydrolyse durchgeführt wird, bei der aus dem Nitrid durch Zugabe von Wasser Ammoniak hergestellt wird.

Alternativ umfasst die Verwertung des Stickstoffs einen Pro- zessschritt, bei dem mittels des elektropositiven Metalls der Stickstoff und das Wasser direkt zu Ammoniak umgesetzt wer ^¬ den. In einer weiteren vorteilhaften Alternative umfasst die Verwertung des Stickstoffs einen Prozessschritt, bei dem mit ^¬ tels des elektropositiven Metalls der Stickstoff und das Was- ser unmittelbar sequentiell zu Ammoniak umgesetzt werden. Dabei entsteht also z.B. Ammoniak als Endprodukt. Die Ammoniak ^¬ erzeugung bietet den Vorteil, dass dadurch andere Ammoniakerzeugungsprozesse ersetzt werden können. Ammoniak stellt ins ^¬ besondere einen der wichtigsten Rohstoffe der Düngemittelin- dustrie dar. Bisher wird Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Pro- zess hergestellt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwer ^¬ tung von Stickstoff hat also den Vorteil, eines der wichtigs ^¬ ten Ausgangsstoffe zu erzeugen, das für die heutige Energie und chemische Stoffwirtschaft notwendig ist, da diese auf fossilen Brennstoffen basiert. Vorzugsweise wird der Stick- stoff-Verwertungsprozess als Ammoniaksynthese-Prozess einge ^¬ setzt. Mit dem erfindungsgemäßen Stickstoff-Verwertungspro- zess kann Stickstoff aus der Luft gebunden werden und für die Nahrungs- und Biomasseproduktion zur Verfügung gestellt wer- den, ohne dass dafür fossile Brennstoffe bereitgestellt wer ^¬ den müssen.

Der Oxyfuel-Prozess ist ein Beispiel für einen Prozess zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem Stickstoff und Koh- lendioxid in ausreichender Menge, ausreichender Reinheit sowie geeigneter Konzentration zur Verfügung stehen. Der erfindungsgemäße Verwertungsprozess wird vorzugsweise an den Oxy- fuel-Prozess angeschlossen. Durch den erfindungsgemäßen Ver- wertungsprozess im Sinn eines Post-Oxyfuel-Prozess wird ein emissionsfreies Kraftwerkskonzept geschaffen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren so ausgestaltet, dass die Verarbeitung des Kohlendioxids einen Verbrennungsschritt und einen Syntheseschritt umfasst. Dabei umfasst wiederum der Verbrennungsschritt eine exotherme Reaktion des elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid. Dabei wird insbesondere im Zuge der Verbrennung thermische Energie erzeugt. Die Reaktion wird dabei vorzugs ^¬ weise so geführt, dass am Ende Kohlenmonoxid entsteht. Der Syntheseschritt wiederum umfasst vorzugsweise die Methanol ^¬ synthese aus dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die chemisch Weiterverarbeitung der Verbrennungsprodukte dient also vor ^¬ zugsweise der Herstellung wertvoller Grundchemikalien.

Bei dem Verbrennungsschritt des elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid fallen Oxide und Carbonate des elektroposi ^¬ tiven Metalls als Abfallprodukte an. Das Kohlendioxid kann mittels elektropositiver Metalle bis hin zu Kohlenstoff redu ziert werden. Der in der Brennkammer gebildete Kohlenstoff kann jedoch im Rahmen eines Boudouard-Gleichgewichts mit wei terem CO ₂ zu Kohlenmonoxid komproportionieren, so dass am En ^¬ de formal mittels dem elektropositiven Metall CO ₂ zu CO redu ^¬ ziert wird.

Der Syntheseschritt umfasst z.B. eine Reaktion mit Wasser ^¬ stoff. CO und H ₂ bilden z.B. ein Synthesegas, das unter ande ^¬ rem für die Methanolherstellung verwendet werden kann. Das hat den Vorteil, dass jedes Kohlenstoffatom des fossilen Energieträgers doppelt verwendet wird. In dem ersten Schritt wird es klassisch zu CO ₂ verbrannt, wobei die Verbrennung so geführt wird, dass es in hochkonzentrierter Form anfällt, z.B. in einem Oxyfuel-Prozess . In einem zweiten Schritt kann es mittels eines elektropositiven Metalls wieder reduziert werden, und beispielsweise in einen Treibstoff für Kraftfahr zeuge umgewandelt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die Verarbeitung von Stickstoff, wobei in einem Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls mit dem Stickstoff ein Nitrid des elektropositiven Metalls entsteht und wobei in einem Hyd ^¬ rolyseschritt aus dem Nitrid durch Zugabe von Wasser Ammoniak hergestellt wird. Insbesondere kann die Verarbeitung des Stickstoffs auch so erfolgen, dass in einem einzigen Prozessschritt mittels des elektropositiven Metalls der Stickstoff und das Wasser direkt zu Ammoniak umgesetzt werden. Alterna ^¬ tiv kann die Verarbeitung des Stickstoffs auch so erfolgen, dass in einem einzigen Prozessschritt mittels des elektropo ^¬ sitiven Metalls der Stickstoff und das Wasser unmittelbar hintereinander zu Ammoniak umgesetzt werden. Ein Reaktions- schritt kann z.B. darin bestehen, dass im Verbrennungsschritt Wasserdampf zugesetzt wird, so dass Ammoniak in direkter Reaktion entsteht. Dabei beispielsweise wird das Nitrid nur in ^¬ termediär gebildet. Ein Vorteil der Stickstoff-Verwertung liegt in dem Endprodukt Ammoniak. Ammoniak stellt einen der wichtigsten Ausgangsstoffe für die Düngemittelindustrie dar. Besonders hinsichtlich des zukünftigen Bedarfs an Biomasse, ist auch mit einem er ^¬ höhten Bedarf an Düngemittel zu rechnen. Dieser Bedarf kann dann mittels des erfindungsgemäßen Stickstoff-Verwertungspro ^¬ zesses, insbesondere in Kombination mit einem Prozess zur Er ^¬ zeugung elektrischer Energie, beispielsweise einem Oxyfuel- Prozess, gedeckt werden. Der erfindungsgemäße Verwertungsprozess kann als Post-Oxy- fuel-Prozess Einsatz finden und auf Kohlendioxid sowie auf Stickstoff angewendet werden. Vorteilhafterweise werden Ammo ^¬ niak und Methanol erzeugt. Es handelt sich also um eine che ^¬ mische Weiterverarbeitung von Abfallprodukten, die zur Her- Stellung wertvoller weiterverwertbarer Grundchemikalien genutzt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren ein Wärmetransport durchgeführt, der thermische Energie, die insbesondere bei dem Verbrennungs ^¬ schritt mit einer exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls frei wird, einem Schritt zur Erzeugung elektrischer Energie zuführt. Schon der Verwertungsprozess für sich genom ^¬ men erzeugt in dem Verbrennungsschritt Energie in Form von Hochtemperaturwärme, die für die Erzeugung elektrischer Energie, z.B. über eine Dampfturbine, genutzt werden kann. Vor- teilhafterweise wird der Verwertungsprozess an einen Prozess zur Erzeugung elektrischer Energie angeschlossen. Die bei der Verbrennung des elektropositiven Metalls mit Stickstoff oder mit Kohlendioxid entstehende zusätzliche Hochtemperaturwärme wird der Erzeugung elektrischer Energie zusätzlich zugeführt.

In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren einen Rückgewinnungsprozess . In diesem Rückgewinnungsschritt wird ein Oxid und/oder ein Salz des elektropositiven Metalls wieder in das Metall umgesetzt. Eine derartige Wiederaufarbeitung des umgesetzten elektropositiven Metalls hat den Vorteil, dass der Gesamtkreislauf geschlossen werden kann. Eine derartige Wiederaufarbeitung kann beispielsweise eine elektrochemische Reduktion sein. Dabei kön ^¬ nen insbesondere Oxide, Hydroxide oder Salze des elektroposi- tiven Metalls wieder in das Metall umgesetzt werden. Allge ^¬ mein kann eine elektrochemische Reduktion des Metallions M ^nt zu dem Metall M zurückführen. Dafür ist wiederum elektrische Energie notwendig, die beispielsweise aus fotovoltaischer Energie gewonnen werden kann. Insbesondere kann ein derarti- ger Wiederaufarbeitungs- bzw. Rückgewinnungsprozess des elektropositiven Metalls als Energiespeicher für aus Fotovol- taik gewonnener Energie angesehen werden. Besonders vorteilhaft ist die Durchführung eines Rückgewinnungsprozesses für elektropositive Metalle, die einer natürlichen Vorkommensbe- grenzung unterliegen wie z.B. Lithium.

Zweckdienlicherweise ist die Erfindung so ausgestaltet, dass ein elektropositives Metall mit einem Normalpotential kleiner als null Volt verwendet wird. Vorzugsweise ist die Erfindung so ausgestaltet, dass in dem Verfahren ein elektropositives Metall der ersten oder der zweiten Hauptgruppe verwendet wird. Insbesondere wird Lithium verwendet. Alternativ können auch elektropositive Metalle wie Natrium, Kalium, Calcium, Strontium, Barium, Magnesium oder Zink eingesetzt werden. Die natürlichen Ressourcen an Natrium und Magnesium beispielweise unterliegen keiner Vorkommensbegrenzung. Zwar ist die weltweit vorhandene Menge an Lithium limitiert, jedoch ist mit einer Verknappung erst in ca. 40 Jahren zu rechnen. Hier hat wiederum die Rückgewinnungsmethode den Vorteil den Prozess von einer natürlichen Begrenzung des Lithiums unabhängig zu machen .

Vorteilhafterweise wird für ein Verfahren mit Rückgewinnungs- prozess fotovoltaische Energie für die Rückgewinnung des elektropositiven Metalls verwendet. Alternativ ist auch jede andere Form regenerativ gewonnener elektrischer Energie für den elektrochemischen Rückgewinnungsprozess einsetzbar. Der Rückgewinnungsprozess kann von dem Prozess zur Erzeugung elektrischer Energie z.B. dem Oxyfuel-Prozess und den Verwertungsprozessen für Stickstoff und Kohlendioxid z.B. in Form eines Post-Oxyfuel-Prozesses räumlich und zeitlich getrennt stattfinden .

Zur Stoff-Verwertung dient erfindungsgemäß eine Vorrichtung, die eine Brennkammer mit einem elektropositiven Metall um- fasst. Dabei dient die Brennkammer zur Verbrennung des elekt ^¬ ropositiven Metalls in dem Stoff. Die Brennkammer ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass den Stoff, ein Gas oder eine Flüssigkeit in die Brennkammer einleitbar ist und dass ein Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion eines elektropositiven Metalls durchführbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Stoff-Verwertung mit einer Reaktionskammer angeordnet, die zur weiteren Umsetzung wenigstens eines Verbrennungsproduktes dient. Dazu ist die Reaktionskammer so ausgestaltet, dass ein Verbrennungsprodukt aus der Brennkam ^¬ mer in die Reaktionskammer einleitbar ist und eine Umsetzung des Verbrennungsproduktes durchführbar ist. Dabei wird aus einer Stickstoff-Verwertung, beispielsweise Ammoniak, und aus einer Kohlendioxid-Verwertung, beispielsweise Methanol, gewonnen .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Anordnung eine Verwertungs-Vorrichtung und z.B. eine LuftZerlegungsanlage . Mittels der LuftZerlegungsanlage wird z.B. Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft abgetrennt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwertungs-Vorrichtung zweckdienlicherweise mit ei ^¬ ner Vorrichtung angeordnet, die zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Diese kann z.B. ein Kraftwerk sein. Insbesondere ist eine Dampfturbine umfasst.

Die Anordnung umfasst z.B. weiter eine Brennkammer, die zur Verbrennung eines Brennstoffes mit dem Sauerstoff ausgestal ^¬ tet ist. Beispielsweise wird über eine Abscheideeinrichtung das bei der Verbrennung entstandene Kohlendioxid ausgeleitet. Es kann auch eine Abscheideeinrichtung für die Ausleitung des abgetrennten Stickstoffs umfasst sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwertungs-Vorrichtung so mit dem Kraftwerk verbunden, dass der abgetrennte Stickstoff in die Brennkammer ein ^¬ leitbar ist. Beispielsweise ist eine zweite Verwertungs- Vorrichtung vorteilhafterweise so mit dem Kraftwerk verbunden, dass das über die Abscheideeinrichtung ausgeleitete Kohlendioxid in die Brennkammer einleitbar ist.

In aktuellen Kraftwerken entsteht als Abfall z.B. ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid. Wird dieses Gemisch mit ei ^¬ nem elektropositiven Metall weiterverarbeitet, verläuft die Reaktion mit Kohlendioxid viel heftiger als mit Stickstoff. Insbesondere kann so CO ₂ als Lithiumcarbonat aus dem Abgas abgetrennt werden.

Der Vorteil der Stickstoff-Verwertung sowie der Kohlendioxid- Verwertung liegt darin, dass bei dem Verbrennungsschritt in der Verbrennungskammer Energie in Form von Hochtemperaturwärme erzeugt wird, die zur Erzeugung elektrischer Energie ge ^¬ nutzt werden kann. Vorzugsweise ist eine Vorrichtung zur Stickstoff-Verwertung oder eine Vorrichtung zur Kohlendioxid- Verwertung oder je eine Vorrichtung zur Stickstoff-Verwertung und je eine zur Kohlendioxid-Verwertung an ein Kraftwerk angekoppelt. In dem Fall kann die in dem Verbrennungsschritt in der Brennkammer erzeugte Energie in Form von Hochtemperaturwärme an das Kraftwerk, insbesondere den Dampferzeuger in dem Kraftwerk zusätzlich zugeführt werden und der Erzeugung elektrischer Energie dienen. Des Weiteren birgt die Kohlendi ^¬ oxid-Verwertung den Vorteil, dass die C0 ₂ -Emission verhindert werden kann bzw. stark reduziert werden kann. Das Kohlendioxid, das bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht, kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung nahezu vollständig in ein weiterverwertbares Endprodukt umgewandelt werden. Beispielsweise wird Methanol erzeugt. Ein weiterer Vorteil der Stickstoff-Verwertung liegt daran, dass ein Abfallprodukt wie beispielsweise Ammoniak erzeugt werden kann, was zu einem der wichtigsten Rohstoffe der Düngemittelindust ^¬ rie zählt. Insgesamt liegt der Vorteil der Erfindung darin, dass die Wertschöpfungskette für den Kraftwerksbauer und Kraftwerksbetreiber verlängert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung eine Verwertungs-Vorrichtung für das Kohlendioxid mit einer Brennkammer und einer Reaktionskammer. Dabei ist die Brennkammer vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie für einen Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion eines elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid geeignet ist. Insbesondere ist die Brennkammer so ausgestaltet, dass die Reaktion so führbar ist, dass am Ende Kohlenmonoxid ent ^¬ steht. Prinzipiell kann bei der exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid auch Kohlenstoff erzeugt werden. Dieser kann jedoch über das Boudouard- Gleichgewicht weiter zu Kohlenmonoxid komproportionieren . Die Reaktionskammer ist vorteilhafterweise mit einem Synthesegas ^¬ reaktor ausgestattet. Insbesondere ist die Reaktionskammer mit einem Synthesegasreaktor gekoppelt, der die Umsetzung von Wasserstoff mit dem Kohlenmonoxid ermöglicht. Beispielsweise wird der Reaktionskammer ein Synthesegasreaktor nachgeschaltet. Der Synthesegasreaktor wiederum kann so ausgestaltet sein, dass er zur Synthese von Methanol aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff geeignet ist. Eine derartige Vorrichtung zur Koh ^¬ lendioxid-Verarbeitung kann beispielsweise überall da ange ^¬ bracht und betrieben werden, wo Kohlendioxid in geeigneter Form anfällt, d.h. mit niedriger Entropie bzw. hochkonzent ^¬ riert vorliegt. Neben Kraftwerken sind also auch bereits be ^¬ stehende Kohlendioxidspeicher-Reservoirs als Quelle für die Kohlendioxid-Verwertung denkbar.

In einer weiteren zweckdienlichen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verwertungs-Vorrichtung für den Stickstoff mit einer Brennkammer und einer Reaktionskammer ausgestaltet. Die Brennkammer ist z.B. für einen Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion eines elektropositiven Metalls mit dem Stickstoff ausgestaltet. Bei einer derartigen Verbrennungsre ^¬ aktion kann z.B. ein Nitrid des elektropositiven Metalls entstehen oder als Intermediat auftreten. Des Weiteren ist die Reaktionskammer so ausgestaltet, dass darin mittels Hydrolyse von dem Nitrid des elektropositiven Metalls unter Zugabe von Wasser Ammoniak hergestellt werden kann. Alternativ ist eine Hydrolysekammer neben der Reaktionskammer angebracht.

Beispielsweise ist die Erfindung so ausgestaltet, dass die Vorrichtung für die Erzeugung von Ammoniak aus dem Stickstoff eine Verwertungs-Vorrichtung vorsieht, die mit nur einer kombinierten Brenn- und Reaktionskammer ausgestaltet ist. In dieser kombinierten Brenn- und Reaktionskammer ist zweckdienlicherweise eine Prozessführung möglich, so dass mittels des elektropositiven Metalls Stickstoff und Wasser direkt

moniak umsetzbar sind.

Beispielsweise kann für die Umsetzung bzw. Verwertung von

Stickstoff das elektropositive Metall Lithium herangezogen werden. Bei der Verbrennung von Lithium in Stickstoff ergibt kcctl sich ein Wert für die Energiefreisetzung von 16 .

mol■ electron

Diese Angabe ist also auf die Anzahl umgesetzter Elektronen bei der Reaktion normiert. Bei der Verbrennung von Kohlenstoff in Sauerstoff ergibt sich ein Wert für die Energiefrei- kcal

Setzung von 24 , der also nur gering höher ist als mol■ electron

der für die Verbrennung von Lithium in Stickstoff. Das zeigt den ersten Vorteil des Prozesses der Stickstoff-Verwertung, nämlich dass wiederum Energie in Form von Hochtemperaturwärme erzeugt werden kann, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Das bei dieser Verbrennungsreaktion entstehende Lithiumnitrid muss aber kein Abfallprodukt sein. Er ^¬ findungsgemäß kann das Lithiumnitrid weiter umgesetzt werden. Das Lithiumnitrid reagiert z.B. exotherm mit Wasser zu Ammo ^¬ niak. Ein weiteres Endprodukt dieser Reaktion ist Lithiumhydroxid, was in einer erfindungsgemäßen Rückgewinnungsreaktion wieder zu Lithium reduziert werden kann.

Bisher wird Ammoniak mittels fossiler Brennstoffe herge ^¬ stellt. Das erfindungsgemäße Stickstoff-Verwertungsverfahren ist ein alternatives Ammoniakherstellungsverfahren. Für die Herstellung von Ammoniak werden 3 % der fossilen Gesamtwelt- energie-Aufwände verbraucht. Das zeigt den großen Vorteil der erfindungsgemäßen Stickstoff-Verwertung .

Die Reaktion muss nicht immer sequentiell geführt werden. Beispielsweise kann die Prozessführung in der Brennkammer so gestaltet sein, dass mittels Lithium, Stickstoff und Wasser direkt in Ammoniak umgesetzt werden können. Die Bindung des im Wassermolekül enthaltenen Sauerstoffs kann durch Lithium zu Lithiumoxid erfolgen, was die Wärmetönung der Reaktion insgesamt erhöhen kann.

Des Weiteren kann Lithiumnitrid auch als Superbase mit mole ^¬ kularem Wasserstoff zu Lithiumamid und Lithiumhydrid reagie ^¬ ren. Lithiumhydrid stellt einem potenziellen Hochtemperatur- WasserstoffSpeicher dar, der bei 270°C seinen Wasserstoff wieder reversibel abgibt.

Vorteilhafterweise ist die Verwertungs-Vorrichtung mit einem Kraftwerk (A) zur Erzeugung elektrischer Energie, angeordnet. Zur Erzeugung elektrischer Energie aus der thermischen Energie der Verbrennung des elektropositiven Metalls ist vorteilhafterweise eine Dampfturbine umfasst. Es kann auch je eine Dampfturbine in der Verwertungseinrichtung oder in dem Kraftwerk umfasst sein. Eine Anordnung aus Kraftwerk und zwei Verwertungsvorrichtungen für Stickstoff und Kohlendioxid kann bis zu drei Dampferzeuger umfassen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung eine Wärmetransporteinrichtung, die das Kraftwerk mit der Brennkammer einer der Verwertungs-Vorrichtung en verbindet. Insbesondere kann eine Wärmetransporteinrichtung umfasst sein, die das Kraftwerk mit beiden Brennkammern der Verwertungs-Vorrichtung en für Stickstoff und Kohlendioxid verbindet. Die Wärmetransporteinrichtung ist so ausgestaltet, dass thermische Energie, die insbesondere durch einen Verbrennungsschritt in einer der Brennkammern frei wird, transportiert und dem Kraftwerk zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere kann der Wärmetransport zu einer Brennkammer in dem Kraftwerk gelangen. Beispielsweise wird dem Dampferzeuger in dem Kraftwerk zusätzliche Hochtemperaturwärme aus den Brennkammern der Verwertungseinrichtungen für den Stickstoff und das Kohlendioxid zur Erzeugung elekt ^¬ rischer Energie zugeführt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil einer doppelten Nutzung der ursprünglichen Abfallprodukte Stickstoff und Kohlendioxid. Nicht nur wird der CO ₂ - Ausstoß dadurch stark verringert, sondern durch den Verbren- nungsprozess zusätzliche Hochtemperaturwärme für die Erzeu ^¬ gung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus hat die Vorrichtung zur Kohlendioxid-Verwertung den Vorteil insbesondere Methanol als Ausgangsprodukt zur Verfü- gung zu stellen. Die Vorrichtung zur Stickstoff-Verwertung birgt gleichermaßen den Vorteil aus der Verbrennungsreaktion zusätzliche Hochtemperaturwärme zur Verfügung zu stellen, ne ^¬ ben dem wichtigen Ausgangsprodukt Ammoniak. Das zentrale Element für die Stickstoff- und Kohlendioxid- Verwertung ist ein elektropositives Metall, insbesondere Li ^¬ thium. Dieses wird selbst bei dem Prozess nicht verbraucht, sondern ändert nur die Oxidationsstufe . Mittels eines Rückge ^¬ winnungsprozesses kann so der Kreislauf geschlossen werden. Für den Rückgewinnungsprozess wird insbesondere Sonnenenergie genutzt. Elektropositive Metalle, die für den Post-Oxyfuel- Prozess geeignet sind, bilden somit auch Sonnenenergiespei ^¬ cher . Insbesondere für die Märkte der Erzeugung regenerativer Energien ohne inhärente Speichermöglichkeit wie z.B. Energie aus Sonne, Wind, Gezeiten oder Biomasse sind neue Speichermög ^¬ lichkeiten von großem zukünftigem Interesse. Dabei kann die Rückgewinnung, also das Recycling der elektropositiven Metal- le, die in dem Post-Oxyfuel-Prozess Anwendung finden, ange ^¬ wendet werden. Dafür besteht auch keine Konkurrenzsituation zum Transport elektrischer Energie über weite Strecken mittels Kabel. Beispielsweise wird derzeit auch der Energieträ ^¬ ger Kohle oder Erdöl aus den Erzeugerländern transportiert, anstelle diesen in den Erzeugerländern vor Ort in Strom zu verwandeln. Mit elektropositiven Metallen als Energiespeicher, beispielsweise für Sonnenenergie, kann die bestehende Energieerzeugungslandschaft klima- und umweltfreundlicher gestaltet werden, aber auch auf lange Sicht ist in den elek- tropositiven Metallen als Energiespeicher das Potential zu sehen, dass fossile Energieträger gänzlich abgelöst werden können. Dazu wäre auch eine Verbrennung der elektropositiven Metalle in Luft denkbar. Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figur beschrieben. Die Figur zeigt ein Flussdiagramm, das den gesamten Prozessablauf abbildet bzw. die notwendigen Vorrichtungen für ein erfindungsgemäßes Kraftwerk schematisch darstellt. Die zen ^¬ tralen Prozessschritte werden durch große Kästen oder Rechtecke dargestellt, kleine Kästen stellen die Eingangs- und Ausgangsprodukte der Prozessschritte dar. Mit Bezug auf ein

Kraftwerk können die Kästen auch exemplarisch für verschiedene Vorrichtungen und Kammern stehen. Die Pfeile zwischen den Kästen deuten den Prozessablauf an, insbesondere den zeitli ^¬ chen Prozessablauf. In Bezug auf Eingangs- und Ausgangspro- dukte der unterschiedlichen Prozessschritte deuten die Pfeile auch das Ein- und Ausleiten der Produkte an. Für das Ein-, Aus- und Weiterleiten von Produkten bzw. des Stoffes stehen einfache Pfeile. Die hohl dargestellten dicken Pfeile stehen für einen Energieeingang, -ausgang oder -transport.

Auf der linken Seite der Figur ist ein Standard-Oxyfuel- Kraftwerk A schematisch dargestellt. Von oben nach unten sind folgende Prozessschritte bzw. Vorrichtungen verbildlicht: Die LuftZerlegungsanlage 20 benötigt zur Zerlegung der Luft einen gewissen Energieeintrag 10. Aus der LuftZerlegungsanlage tritt zu einer Seite Stickstoff 20a aus. Des Weiteren tritt Sauerstoff 20b aus. Der Stickstoff 20a wird in der ersten Weiterverarbeitungsvorrichtung ZI weiter verarbeitet. Dazu wird er aus dem Kraftwerk A, von der LuftZerlegungsanlage 20 ausgeleitet und stellt ein erstes Eingangsprodukt 41a für die Weiterverwertungs-Vorrichtung ZI dar. Der Sauerstoff 20b, der aus der LuftZerlegungsanlage 20 austritt wird als Ein ^¬ gangsprodukt 31b in den Dampferzeuger 31 eingeleitet. Des Weiteren werden in den Dampferzeuger 31 Kohle oder allgemein ein fossiler Brennstoff 31a eingeleitet sowie weiterer Sauer ^¬ stoff 61b, Kohlendioxid 61c und Wasser 61d, das mittels eines Rauchgasrückführungsprozesses 70 wieder in den Dampferzeuger 31 eingeleitet wird. In dem Dampferzeuger 31 findet die Verbrennung des fossilen Brennstoffs 31a, insbesondere der Kohle unter Sauerstoffatmosphäre statt. Mittels darüber er ^¬ zeugter Wärmeenergie wird eine Dampfturbine 32 und darüber wiederum ein Generator 33 angetrieben, mittels dem elektrische Energie erzeugt werden kann. Alternativ ist es möglich die heißen Gase der Verbrennung direkt auf eine Gasturbine zu leiten .

Die Verbrennungsprodukte gelangen zunächst nach der Verbren ^¬ nung in dem Dampferzeuger 31 in die Staubabscheidevorrichtung 61. Über diese Stauabscheideeinrichtung 61 wird Staub 61a aus dem Kraftwerk ausgeleitet. Des Weiteren wird Kohlendioxid 61c, Sauerstoff 61b und in Teilen Wasser 61d rezirkuliert, d.h. in die Brennkammer des Dampferzeuger 31 zurückgeführt. Somit wird der noch nicht verbrauchte Sauerstoff 61b für die Verbrennung ein weiteres Mal genutzt und gewährleistet, dass am Ende hochkonzentriertes Kohlendioxid als Ausgangsprodukt zur Verfügung steht, was nicht mehr zum Dampferzeuger zurückgeführt wird. Über die Rauchgas-Reinigungsvorrichtung 62 werden die Ausgangsprodukte Wasser 62a und hochkonzentriertes Kohlendioxid 62b ausgeleitet. Des Weiteren wird von der

Rauchgas-Reinigungsvorrichtung 62 Niedertemperaturwärme 11 abgeführt. Die Staubabscheidung 61 und die Rauchgasreinigung 62 bilden zusammen die Abscheideeinrichtung. Das Ausgangsprodukt Kohlendioxid 62b aus der Abscheidevorrichtung wird zur weiteren Verarbeitung in die zweite Verwertungs-Vorrichtung für das Kohlendioxid Z2 eingeleitet. Dort bildet das Kohlen ^¬ dioxid 51a ein erstes Eingangsprodukt in die Brennkammer 51 der Weiterverarbeitungseinrichtung Z2.

Die Weiterverarbeitungseinrichtungen Z1/Z2 sind direkt an das Oxyfuel-Kraftwerk A angebracht, so dass Stickstoff 20a/41a und Kohlendioxid 51a/62b direkt aus dem Kraftwerk ausgeleitet und in die Weiterverarbeitungseinrichtungen Z1/Z2 eingeleitet werden können. Genauer werden der Stickstoff 20a/41a und das Kohlendioxid 51a/62b direkt in die jeweiligen Brennkammern 41/51 der Weiterverarbeitungseinrichtungen Z1/Z2 eingeleitet. Das Kohlendioxid 41a wird zusammen mit Lithium 41b in der Brennkammer 41 verbrannt. Dabei entsteht Hochtemperatur-Wärme 12, die zusätzlich zur entstandenen Wärme im Kraftwerk zur Dampferzeugung 31 zurückgeführt und genutzt werden kann. Aus ^¬ gangsprodukt der Brennkammer 41 ist Lithiumnitrid, was in die Hydrolysekammer 42 weitergeleitet wird. Das entstandene Li ^¬ thiumnitrid ist bei weitem kein Abfallprodukt. Es reagiert exotherm mit Wasser zu Ammoniak 42b. Ammoniak ist eines der wichtigsten Ausgangsprodukte der Düngemittelherstellung. Im jetzigen Stand der Technik wird Ammoniak mittels fossiler Brennstoffe hergestellt. Dabei entfallen 3 % der fossilen Ge ^¬ samtwelt-Energieaufwände auf die Herstellung von Ammoniak. Ohne Düngemittel ist nämlich keine wirtschaftliche Herstel ^¬ lung von Biomasse möglich.

Beispielsweise ist die Brennkammer so ausgestaltet, dass im oberen bzw. vorderen Teil L1 ₃ N erzeugt wird. Dann fliegt der Staub mit hoher Geschwindigkeit entlang einem Rohr. Im unte ^¬ ren bzw. hinteren Teil der Brennkammer wird dann Wasserdampf eingeleitet. Am Ende wird ein Gas-Staub-Gemisch aus L1 ₂ O, Am ^¬ moniak und überschüssigem H ₂ O erhalten.

Normiert man die Verbrennung auf die Zahl umgesetzter Elektronen so ergibt sich bei der Verbrennung von Kohlenstoff in kcal

Sauerstoff eine Energiefreisetzung von 24 . Bei der mol■ electron

Verbrennung von Lithium in Stickstoff ergibt sich eine Ener- kcctl

giefreisetzung von 16 . Dieser Wert ist nur etwa mol■ electron

30 % geringer, was die Nutzung der Lithiumverbrennung in Stickstoff kraftwerkstauglich und großtechnisch nutzbar macht .

Aus der Hydrolysekammer 42 treten die Ausgangsprodukte Ammo ^¬ niak 42b und Lithiumhydroxid 42c aus. Das Lithiumhydroxid kann mittels elektrochemischer Reduktion zu Lithium zurückgeführt werden. Ein benötigtes Eingangsprodukt für den Hydroly ^¬ seschritt ist Wasser 42a. Entsprechend der Weiterverarbeitung von Stickstoff wird auch das Kohlendioxid 62b/51a zur Weiterverarbeitung in die Brennkammer 51 der Weiterverarbeitungseinrichtung, bzw. Verwertungs-Vorrichtung Z2 eingeleitet. Des Weiteren wird in die Brennkammer 51 Lithium 51b eingeleitet. Das Lithium 51b wird unter Kohlendioxidatmosphäre verbrannt. Dabei entsteht wie ^¬ derum Hochtemperaturwärme 12, die dem Kraftwerk zugeführt werden kann, insbesondere dem Dampferzeugungsprozess 31. Die Reaktion von Lithium mit CO ₂ ist stark exotherm. Als Aus ^¬ gangsprodukte der Verbrennungsreaktion 51 entstehen Kohlenmo- noxid 51c, Lithiumoxid und Lithiumcarbonat 51d/e. Das Li ^¬ thiumoxid und -Carbonat kann elektrochemisch reduziert werden und somit zu Lithium zurückgeführt werden. Dies geschieht z.B. über Zwischenschritte wie z.B. Chlorid. Das Kohlenmono- xid 51c stellt zugleich das Eingangsprodukt 52a für den fol ^¬ genden Syntheseschritt dar. Es wird in den Synthesegasreaktor 52 eingeleitet. Dazu kommt als weiteres Eingangsprodukt Was ^¬ serstoff 52d. Mit dem Kohlenmonoxid 52a und dem Wasserstoff 52d zusammen erhält man somit Synthesegas, das unter anderem für die Methanolherstellung verwendet werden kann. Methanol 52c ist also eines der Ausgangsprodukte des Synthesegasreak ^¬ tors 52 bzw. des Syntheseschrittes.

Ein Oxyfuel-Kraftwerk A ist eine moderne Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei fällt Kohlendioxid in hochkon ^¬ zentrierter Form an. Des Weiteren fällt relativ reiner Stickstoff an. Werden diese Gase weiter genutzt, steigt die Effek ^¬ tivität des Gesamtsystems. Die Prozesskette wird durch die Reduktion von Kohlendioxid und Stickstoff verlängert. Über die Ausgangsprodukte wie z.B. Ammoniak kann eine Umstruktu ^¬ rierung des Düngemittelmarktes erfolgen. Das Ausgangsprodukt Methanol ist bedeutend für die Kraftstoffherstellung, da die ^¬ se nun nicht mehr aus fossilen Rohstoffen als Energieträger, sondern umweit- und klimafreundlich mittels des Sonnenenergiespeichers Lithium erzeugt werden. Lithium wird deshalb als Sonnenenergiespeicher bezeichnet, da es mittels photovol- taisch erzeugter elektrischer Energie aus seinen Oxiden oder Salzen gewonnen werden kann.

Somit kann der Markt fossiler Energieträger Volumen an den wachsenden Alkalimetall- bzw. Lithiummarkt abgeben. Zur Erzeugung der gleichen Menge thermischer Energie werden durch ein erfindungsgemäßes Kraftwerk weniger fossile Brennstoffe benötigt. Die Kohlenstoffatome, die für die Herstellung von Kraftstoffen benötigt werden, stammen aus Kohlendioxid nied ^¬ riger Entropie, d.h. hochkonzentriertem Kohlendioxid. Bei der Verbrennung im Kraftfahrzeug wird es zu Kohlendioxid hoher Entropie und kann dann nur noch von Pflanzen zurückgeführt werden. Der Kraftstoffmarkt wird vergleichbar mit Kraftstof ^¬ fen aus Biomasse kohlendioxidneutral. Der Alkalimetall- bzw. Lithiummarkt wird dadurch stark anwachsen. Zugleich werden sich Märkte in der Entwicklung einer Lithiuminfrastruktur entwickeln. Zum einen sind dies die Erzeugung von Lithium, zum anderen dessen Recycling.