Verfahren und Vorrichtung zur Verwertung von Emissionen eines Kraftwerks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von

Emissionen eines mit mindestens einem Brennstoff auf

Kohlenstoffbasis betriebenen Kraftwerks, umfassend mindestens einen Emittenten, welcher Emissionen umfassend ein

Kohlenstoffdioxid enthaltendes Abgas erzeugt, mindestens eine Elektrolyseeinrichtung zur Zerlegung von Wasser in

Wasserstoff und Sauerstoff, und mindestens einen, dem

mindestens einen Emittenten und der mindestens einen

Elektrolyseeinrichtung nachgeschalteten chemischen Reaktor zur Umsetzung zumindest eines Teils des Abgases und des

Wasserstoffs in mindestens einen synthetischen Grund- oder Brennstoff. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Kraftwerke, die mit Brennstoffen auf Kohlenstoffbasis

betrieben werden, zählen zu den Hauptverursachern von

Kohlenstoffdioxid .

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 10 2009 007 567 AI bereits bekannt. Hier wird eine Verwertung von Kohlenstoffdioxid CO ₂ aus Abgasen fossil befeuerter Kraftwerke und anderer Emittenten zur Herstellung von Methanol CH ₃ OH beschrieben. Dabei wird Strom, der durch regenerative Energiequellen erzeugt wird, zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt. Der dabei gebildete Sauerstoff wird insbesondere zum Kraftwerk oder zum Emittenten geleitet und für einen Verbrennungsprozess genutzt. Der weiterhin erzeugte Wasserstoff wird mit aus dem Abgas des Verbrennungsprozesses stammendem Kohlenstoffdioxid gemäß folgender

Reaktionsgleichung zu Methanol CH ₃ OH umgesetzt:

C0 ₂ + 3H ₂ -> CH3OH + H ₂ 0 Das Methanol wird optional zum Kraftwerk oder zum Emittenten geleitet und dem Verbrennungsprozess zugeführt.

Die FR 28 244 93 AI beschreibt eine Verwertung von

Kohlenstoffdioxid aus Industrieanlagen. Dabei wird zur

Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff eine Elektrolyse durchgeführt. Das in der Industrieanlage anfallende

Kohlenstoffdioxid wird gemäß folgender Reaktionsgleichung mit dem Wasserstoff bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 2000°C zu Wasser und (CO + 2H ₂ ) bzw. Methanol umgesetzt:

C0 ₂ + 4H ₂ + 0, 5 02 ^ 2H ₂ 0 + (CO + 2H ₂ )

Die WO 2007/108014 AI offenbart ebenfalls eine Nutzung von aus industriellen Anlagen stammendem Kohlenstoffdioxid zur

Herstellung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Methanol. Der zur Umsetzung des Kohlenstoffdioxids benötigte

Wasserstoff wird beispielsweise über eine bipolare alkalische Elektrolyseeinrichtung bereitgestellt .

Die US 5,964,908 offenbart ein Energieumwandlungssystem mit einem geschlossenen Kreislauf zur Umwandlung einer nichtfossilen Energiequelle in einen fossilen Brennstoff, wobei das System eine Dissoziierungseinheit zur Dissoziierung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umfasst. Kohlendioxid aus dem Abgas einer Verbrennungseinheit wird mit dem

Wasserstoff in einem Reaktor zu dem fossilen Brennstoff in Form von Kohlenwasserstoff umgesetzt und der

Verbrennungseinheit wieder zugeführt. Weiterhin wird Wasser aus dem Abgas der Verbrennungseinheit zur Dissoziierung der Dissoziierungseinheit zugeführt.

Die WO 2008/054230 AI beschreibt ein Verfahren zur

Herstellung von Methan mittels einer katalytischen

Gasreaktion. Dabei wird Abgas aus einer fossilen Verbrennung, beispielsweise eines Kohlekraftwerks oder einer Gasturbine, enthaltend Kohlenstoffdioxid, Wasser und Abwärme, verwertet. Das Wasser wird zerlegt und der gewonnene Wasserstoff mit dem Kohlenstoffdioxid zu Methan umgesetzt.

Die EP 0 539 244 AI beschreibt ein Verfahren zur Elektrolyse von Wasser mittels Solarenergie und eine Synthese von

Methanol aus dem dabei erzeugten Wasserstoff mit

Kohlenstoffdioxid aus einem Verbrennungsvorgang.

Die WO 00/25380 A2 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie. Mittels einer durch

Solarenergie betriebenen Elektrolyse wird Wasserstoff erzeugt und dieses mit Kohlenstoffdioxid zu einer speicherbaren

Zusammensetzung, insbesondere Methanol, umgesetzt. Die DE 10 2006 034 712 AI beschreibt ein Verfahren zur

Reduzierung der C02-Emission fossil befeuerter

Kraftwerksanlagen sowie eine Kraftwerksanlage, die einen mit deren Rauchgasableitungssystem verbundenen Synthesereaktor und ggf. Einrichtungen zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff aufweist.

Die US 2009/0307975 AI wie auch die JP 57-167935 A

beschreiben Verfahren zur Aufarbeitung von

Verbrennungsprodukten fossiler Brennstoffe. Dabei werden Kohlenstoffdioxid und Wasser aus den Verbrennungsprodukten verwendet, um erneuerbare synthetische Brennstoffe

herzustellen. Zur Bildung von Wasserstoff, der mit dem

Kohlenstoffdioxid zu Brennstoff umgesetzt wird, ist eine Elektrolyse des Wassers vorgesehen.

Von Kraftwerken, die mit Brennstoffen auf Kohlenstoffbasis betrieben werden, werden neben stofflichen Emissionen in Form von Abgasen, Dämpfen, Feinstäuben, Abwässern und dergleichen auch Emissionen in Form von Energie, insbesondere Abwärme, Hörschall und dergleichen, an die Umwelt abgegeben. Die

Abwärme kann dabei in einer stofflichen Emission gespeichert sein. Eine Abgabe der Abwärme an die Umgebung kann generell über Konvektion, Wärmeleitung oder Strahlung erfolgen. So enthält das Abgas eines solchen Kraftwerks, neben dem bereits für eine Verwertung vorgesehenen Kohlenstoffdioxid, häufig beispielsweise große Mengen an Wasserdampf. Die

Abwärme, zum Teil in Form von Verdampfungsenergie, sowie das Wasser und weitere Emissionen werden bisher oft nur

unzureichend genutzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine

Vorrichtung zur effizienteren Verwertung von Emissionen eines Kraftwerks bereitzustellen, das mit mindestens einem

Brennstoff auf Kohlenstoffbasis betrieben wird.

Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Verwertung von

Emissionen eines mit mindestens einem Brennstoff auf

Kohlenstoffbasis betriebenen Kraftwerks, umfassend mindestens einen Emittenten, welcher Emissionen umfassend ein

Kohlenstoffdioxid enthaltendes Abgas erzeugt, mindestens eine Elektrolyseeinrichtung zur Zerlegung von Wasser in

Wasserstoff und Sauerstoff, und mindestens einen, dem

mindestens einen Emittenten und der mindestens einen

Elektrolyseeinrichtung nachgeschalteten chemischen Reaktor zur Umsetzung zumindest eines Teils des Abgases und des

Wasserstoffs in mindestens einen synthetischen Grund- oder Brennstoff, gelöst, wobei die mindestens eine

Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie aus einer regenerativen Energiequelle versorgt wird, wobei der

mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder dem

mindestens einen chemischen Reaktor, zusätzlich zu einer ersten Emission umfassend mindestens den Teil des Abgases, mindestens eine zweite Emission des mindestens einen

Emittenten zur Verwertung zugeführt wird, und wobei der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung nachgeordnet

mindestens zwei unterschiedliche chemische Reaktoren zur Umsetzung von zumindest zwei chemisch unterschiedlichen

Teilen des Abgases und weiterhin des Wasserstoffs in

mindestens zwei unterschiedliche synthetische Grund- oder Brennstoffe betrieben werden. Die Aufgabe wird für die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, indem sie folgendes umfasst :

- ein mit mindestens einem Brennstoff auf Kohlenstoffbasis betriebenes Kraftwerk, umfassend mindestens einen

Emittenten, der Emissionen umfassend ein Kohlenstoffdioxid enthaltendes Abgas erzeugt,

- mindestens eine Elektrolyseeinrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff,

- eine regenerative Energiequelle zur Versorgung der

mindestens einen Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie,

- mindestens zwei, dem mindestens einen Emittenten und der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung nachgeschaltete chemische Reaktoren umfassend unterschiedliche

Katalysatormaterialien zur Umsetzung von zumindest zwei chemisch unterschiedlichen Teilen des Abgases und weiterhin des Wasserstoffs in mindestens zwei unterschiedliche synthetische Grund- oder Brennstoffe,

- mindestens eine erste Einrichtung zur Zuführung einer

ersten Emission umfassend mindestens einen Teil des Abgases zu der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder mindestens einem der chemischen Reaktoren; und

- mindestens eine zweite Einrichtung zur Zuführung mindestens einer zweiten Emission des mindestens einen Emittenten zu der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder mindestens einem der chemischen Reaktoren.

Ein Kraftwerk ist eine Anlage zur Stromerzeugung und zudem gegebenenfalls zur Bereitstellung von thermischer Leistung. Ein mit mindestens einem Brennstoff auf Kohlenstoffbasis betriebenes Kraftwerk ist beispielsweise ein Kohlekraftwerk, ein Gasturbinenkraftwerk oder ein Ölkraftwerk. Zur Befeuerung dieser werden fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl oder

Erdgas eingesetzt. Weiterhin sind auch Müllkraftwerke,

Biomassekraftwerke, usw. Kraftwerke, die mit mindestens einem Brennstoff auf Kohlenstoffbasis betrieben werden. Ein Emittent, welcher Emissionen umfassend ein

Kohlenstoffdioxid enthaltendes Abgas erzeugt, ist in einem solchen Kraftwerk beispielsweise eine Brennkammer, die mit einem oder mehreren Brennern befeuert wird. Als Emittent wird hier auch eine Kombination einer Brennkammer mit mindestens einer der Brennkammer mittelbar oder unmittelbar

nachgeordneten Turbine verstanden.

In mit Erdgas betriebenen Kraftwerken kann das Erdgas auch in einer Reformereinheit zu Wasserstoff und Kohlendioxid

reformiert und lediglich der Wasserstoff verfeuert werden. Das Kohlendioxid kann abgetrennt und als Emission oder

Bestandteil einer Emission verwertet werden, so dass auch eine solche Reformereinheit einen Emittenten bildet.

Als „Abgas" wird hierbei nicht nur eine Abgaskomponente oder eine Mischung diverser Abgaskomponenten verstanden, die unmittelbar aus einem Emittenten kommen, sondern auch deren Abbau- oder Folgeprodukte im Verfahrensablauf, bevor ein synthetischer Grund- oder Brennstoff hergestellt wurde.

Beispielsweise kann die Abgaskomponente Kohlenstoffdioxid in einer Elektrolyseeinrichtung zumindest teilweise in

Kohlenmonoxid umgewandelt werden. Das Kohlenmonoxid wird hierbei immer noch als „Abgas" angesehen.

Als chemisch unterschiedlich werden stoffliche Teile das Abgases bezeichnet, die sich in Anzahl oder Art der

chemischen Elemente, aus denen sie aufgebaut sind,

unterscheiden. Dabei werden Kohlenstoffdioxid CO ₂ und

Kohlenstoffmonoxid CO aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Sauerstoffatomen ebenso als chemisch unterschiedlich angesehen wie Kohlenstoffdioxid CO ₂ und Stickstoff ₂ usw. Eine Abtrennung chemisch unterschiedlicher Gase aus dem Abgas erfolgt über bekannte Maßnahmen, wie z.B. über Membrantechnik usw .

Als Grund- oder Brennstoffe werden, sofern beispielswe

Kohlenstoffdioxid aus dem Abgas verwertet wird, Kohlenwasserstoffe und deren Derivate gebildet, die

insbesondere in gasförmigem oder flüssigem Aggregatzustand vorliegen. Alkane, Alkohole usw. sind Beispiele für mittels des Verfahrens herstellbare Grund- oder Brennstoffe.

Derartige Kohlenwasserstoffe weisen vorteilhafter Weise einen höheren spezifischen Energieinhalt auf als Wasserstoff. Wird Stickstoff oder eine Verbindung enthaltend Stickstoff aus dem Abgas verwertet, so kann Ammoniak als Grundstoff erzeugt werden .

Gemäß der Erfindung werden neben einer Verwertung einer ersten Emission umfassend mindestens einen Teil des Abgases weitere, eingangs beschriebene Emissionen des Kraftwerks verwertet. Dies erhöht die Effizienz des Kraftwerks,

minimiert die Emissionsmengen zumindest bestimmter Emissionen und ermöglicht einen besonders kosten- und energiesparenden Kraftwerksbetrieb .

Bei einer bevorzugten Elektrolyseeinrichtung handelt es sich um eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit mit einer

Betriebstemperatur von > 600°C, insbesondere im Bereich von 600 bis 1000°C. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine keramische Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit, welche mit Wasser in dampfförmigem Zustand gespeist wird. Bei einer Dampfspeisung wird von einem hohen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 80 % ausgegangen. Eine keramische Hochtemperatur- Elektrolyseeinheit weist bevorzugt einen Sauerstoffionen leitenden Elektrolyten auf, insbesondere auf Basis von

Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid . Der Betrieb einer

Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit erfolgt üblicherweise in einem Niederdruckbereich, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 4 bar. Alternativ ist es aber ebenso möglich, eine

Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit in einem Druckbereich von bis zu etwa 100 bar zu betreiben.

Alternativ ist auch der Einsatz einer Elektrolyseeinrichtung in Form einer Niedertemperatur-Elektrolyseeinheit,

insbesondere einer PEM-Elektrolyseeinheit (PEM = Proton Exchange Membrane) mit einer Betriebstemperatur im Bereich von 0 bis 130°C, insbesondere von 50 bis 90°C, von Vorteil. Der Elektrolyt besteht hier aus einer mechanisch verformbaren Polymermembrane und nicht, wie bei den oben genannten

keramischen Elektrolyseeinheiten, aus einer vergleichsweise spröden Keramik. Eine PEM-Elektrolyseeinheit wird

vorzugsweise in einem Druckbereich von 4 bis 100 bar, insbesondere von 10 bis 50 bar, mit Wasser in flüssigem

Zustand betrieben. Das eingesetzte Wasser ist dabei frei von ionischen Verunreinigungen zu halten. Daher wird das Wasser in einer bevorzugten Ausgestaltung mittels mindestens einer Ionentauschereinheit gereinigt, bevor es in die

Elektrolyseeinheit eingeleitet wird. Dabei werden spezifische elektrische Leitfähigkeiten des gereinigten Wassers im

Bereich von < 1 μΞ/ατι angestrebt.

Aufgrund der geringen Betriebstemperatur und der mechanischen Eigenschaften der verwendeten Komponenten sind

Niedertemperatur-Elektrolyseeinrichtungen mit einem geringen technischen und betriebswirtschaftlichen Risiko betreibbar.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder dem

mindestens einen chemischen Reaktor, zusätzlich zu einer diesen optional über die erste Emission zugeführten ersten Wärmemenge, eine zumindest zum Teil aus einer zweiten

Emission in Form von Abwärme des mindestens einen Emittenten gewonnene zweite Wärmemenge zugeführt. So kann der verwertete Teil des Abgases im Hinblick auf ein Temperaturniveau unmittelbar beim Austritt des Abgases aus dem Emittenten in abgekühltem Zustand oder in vergleichbar heißem Zustand, also inklusive einer beträchtlichen ersten Wärmemenge, aus dem Emittenten in die mindestens eine

Elektrolyseeinrichtung und/oder den mindestens einen

chemischen Reaktor eingespeist werden. Eine Abkühlung gegenüber dem Temperaturniveau unmittelbar beim Austritt des Abgases aus dem Emittenten kann

beispielsweise durch eine Abgasreinigung, Abgasseparation, beispielsweise zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid,

Stickstoff usw. auftreten. Insbesondere wird bisher

beispielsweise Wasserdampf, der sich, z.B. während eines Verbrennungsprozesses, in einem Emittenten bildet, abgetrennt und abgeführt. Die in dieser stofflichen zweiten Emission enthaltene zweite Wärmemenge wird nun vorzugsweise im Bereich einer Elektrolyseeinrichtung und/oder eines chemischen

Reaktors verwertet.

Weiterhin wird insbesondere auch Abwärme, die über

Wärmeübertragungseinheiten, wie z.B. Kühleinheiten oder

Wärmetauschereinheiten, von einem Emittenten abgeführt oder unmittelbar an die Umgebung abgegeben wird, nun als zweite Emission im weiteren Verfahrensablauf im Bereich der

mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder des

mindestens einen chemischen Reaktors verwertet.

Es hat sich bewährt, wenn eine zweite Emission in Form von Abwärme zumindest eines Bauteils des mindestens einen

Emittenten zur Beheizung der mindestens einen

Elektrolyseeinrichtung und/oder des mindestens einen

chemischen Reaktors eingesetzt wird.

So kann beispielsweise Abwärme, welche über häufig zur

Kühlung von Brennern vorgesehene Kühleinrichtungen vom

Emittenten abgeführt wird, der mindestens einen

Elektrolyseeinrichtung und/oder dem mindestens einen

chemischen Reaktor zugeführt werden.

Vorzugsweise wird die mindestens eine Elektrolyseeinrichtung zumindest teilweise mit einer zweiten Emission in Form von Wasser betrieben, das aus dem mindestens einen Emittenten stammt. Dabei ist es von Vorteil, wenn mindestens eine

Zuführleitung für das Wasser aus dem Emittenten zu der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung vorhanden ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das in der ersten Emission enthaltene Kohlenstoffdioxid direkt an einer negativen Elektrode einer Hochtemperatur- Elektrolyseeinrichtung zusammen mit Wasser in dampfförmigem Zustand, das aus dem Emittenten stammt, umgesetzt.

Eine zweite Emission in Form von Abwärme des mindestens einen Emittenten kann auch zumindest teilweise dazu eingesetzt werden, außerhalb des mindestens einen Emittenten Wasserdampf zu erzeugen, mit welchem eine Elektrolyseeinrichtung, insbesondere Hochtemperatur-Elektrolyseeinrichtung, zumindest teilweise gespeist wird. Auch ein Einsatz von erwärmtem Brauchwasser des Kraftwerks, insbesondere aus Kühleinrichtungen des Emittenten, als Wasser zur Speisung einer Elektrolyseeinrichtung ist möglich. Je nach verwendeter Elektrolyseeinrichtung ist dabei

gegebenenfalls eine Reinigung des Wassers, beispielsweise über Filter und/oder Ionentauschereinheiten, erforderlich.

Diese Maßnamen ermöglichen Einsparungen beim Einsatz von Frisch- bzw. Trinkwasser. In einer besonders bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine erste Emission umfassend

Kohlenstoffdioxid und eine zweite Emission in Form von

Abwärme direkt einem chemischen Reaktor zugeführt und dort mit Wasserstoff, der aus einer Niedertemperatur- Elektrolyseeinheit stammt, umgesetzt.

Wird eine zweite Emission in Form von Abwärme zumindest teilweise dem mindestens einen chemischen Reaktor zu dessen Beheizung zugeführt, so entfällt ein zusätzlicher

Energiebedarf und die Kosten für den Reaktorbetrieb können gesenkt werden. Der in der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung erzeugte Sauerstoff wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dem mindestens einen Emittenten zumindest teilweise als Oxidationsmittel , z.B. zu dessen Befeuerung, zugeführt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist diese dazu mit mindestens einer Gasleitung ausgestattet, über welche der Sauerstoff von der Elektrolyseeinrichtung zum Emittenten geleitet wird. Der Sauerstoff kann dabei in einem Speichertank zwischengespeichert werden. Eine Befeuerung von Emittenten mit reinem Sauerstoff oder einer Mischung aus Luft und Sauerstoff ist besonders bevorzugt, da dies zu einem hohen Anteil an effizient verwertbarem reinem

Kohlenstoffdioxid im Abgas führt. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn der mindestens eine synthetische Grund- oder Brennstoff zumindest teilweise zur Befeuerung des mindestens einen Emittenten eingesetzt wird. Der Kohlenstoff aus dem ursprünglich verfeuerten Brennstoff wird dadurch im Kreis geführt und eine Umweltbelastung durch hohe Mengen an Kohlenstoffdioxid verhindert.

Neben einer Verwertung von Emissionen in Form von

Kohlenstoffdioxid, Wasser und Abwärme werden erfindungsgemäß weitere dazu chemisch unterschiedliche Emissionen aus

Verbrennungsvorgängen, wie beispielsweise Stickstoff,

Stickstoff-Verbindungen usw. mit elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff in mindestens einen weiteren synthetischen Grundoder Brennstoff umgesetzt werden. Stickstoff, welcher z.B. aus eingesetzter Verbrennungsluft stammt, kann beispielsweise in Ammoniak H ₃ umgesetzt. Dabei werden jeweils auf den zu erzeugenden synthetischen Grund- oder Brennstoff abgestimmte chemische Reaktoren eingesetzt.

Dabei sind der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung mindestens zwei unterschiedliche chemische Reaktoren zur Umsetzung von zumindest zwei chemisch unterschiedlichen

Teilen des Abgases und weiterhin des Wasserstoffs in mindestens zwei unterschiedliche synthetische Grund- oder Brennstoffe nachgeordnet.

Besonders bevorzugt wird als erster Teil des Abgases

Kohlenstoffdioxid in einem ersten chemischen Reaktor mit elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff in eine

KohlenwasserstoffVerbindung oder ein Kohlenwasserstoffderivat umgesetzt wird und als zweiter Teil des Abgases Stickstoff in einem zweiten Reaktor mit elektrolytisch erzeugtem

Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt. Weiterhin ist eine

Umsetzung von in zwei Stoffströme aufgeteiltem

Kohlenstoffdioxid aus dem Abgas in zwei unterschiedlichen chemischen Reaktoren zu unterschiedlichen

KohlenwasserstoffVerbindungen oder Kohlenwasserstoffderivaten möglich.

Die mindestens zwei unterschiedlichen chemischen Reaktoren weisen bevorzugt unterschiedliche Katalysatormaterialien zur Umsetzung chemisch unterschiedlicher Teile des Abgases in unterschiedliche synthetische Grund- oder Brennstoffe auf.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung mit einer Umschalteinrichtung ausgestattet wird, mit welcher eine

Auswahl eines bestimmten chemischen Reaktors aus einer Anzahl an zur Verfügung stehenden unterschiedlichen chemischen

Reaktoren bzw. ein Abschalten eines bestimmten chemischen Reaktors möglich ist. Dies kann gewünscht sein, wenn ein bestimmter Grund- oder Brennstoff gerade besonders dringend bzw. nicht benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird die mindestens eine

Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie aus einer regenerativen Energiequelle versorgt, da diese Energiequellen bei der Stromproduktion im Gegensatz zu einem

konventionellen, fossil befeuerten Kraftwerken nachhaltig sind und kein Kohlenstoffdioxid freisetzen. Der Bau von Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien, wie geothermaler Energie, Wasserkraft, insbesondere von

Windenergie, Sonnenenergie, usw. hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Allerdings ist die naturgegebene

Angebotssituation, insbesondere im Hinblick auf die

Windenergie, für derartige Anlagen oft schwer

prognostizierbar. Dadurch treten witterungsbedingt,

beispielsweise in Starkwind - bzw. Windflautezeiten,

Energieerzeugungsspitzen bzw. Energieerzeugungstäler auf.

Zur Überbrückung von Stark- und Schwachlastphasen ist es daher von Vorteil, wenn z.B. Kohlenstoffdioxid aus dem

Emittenten sowie elektrolytisch gewonnener Sauerstoff und Wasserstoff in entsprechenden Speicheranlagen auf Vorrat hinterlegt bzw. vorgehalten werden.

Vorzugsweise werden die mindestens eine

Elektrolyseeinrichtung und der mindestens eine chemische Reaktor auf gleichem oder ähnlichem Druckniveau betrieben. So werden chemische Reaktoren üblicherweise unter Druck

betrieben. Das Druckniveau der Elektrolyseeinrichtung wird diesem bevorzugt angepasst oder in etwa angepasst. Aufgrund einer dadurch erzielbaren höheren Speicherdichte können die Betriebskosten gesenkt werden.

Alternativ ist es jedoch ebenso möglich, wenn die mindestens eine Elektrolyseeinrichtung und der mindestens eine chemische Reaktor auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben werden. In diesem Fall wird zwischen einer Elektrolyseeinrichtung und einem chemischen Reaktor mindestens ein Kompressor oder mindestens eine Druckreduziereinrichtung zwischengeschaltet, um den Übergang zwischen den unterschiedlichen Druckniveaus zu realisieren. Die mindestens eine zweite Einrichtung, über welche der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung und/oder dem

mindestens einen chemischen Reaktor die mindestens eine zweite Emission zugeführt wird, umfasst bevorzugt mindestens eine Wärmeübertragungseinheit, welche eingerichtet ist, eine zweite Emission in Form von Abwärme zumindest eines Bauteils des Emittenten zumindest teilweise an die mindestens eine Elektrolyseeinrichtung und/oder den mindestens einen

chemischen Reaktor zu übertragen. Es kann sich bei der

Wärmeübertragungseinheit um einen Wärmetauscher, ein Gebläse, eine Kondensiereinheit, einen Wasserdampferzeuger usw.

handeln . Insbesondere umfasst die mindestens eine zweite Einrichtung mindestens eine Wärmeübertragungseinheit in Form eines

Wasserdampferzeugers, welcher eingerichtet ist, mittels einer zweiten Emission in Form von Abwärme des mindestens einen Emittenten außerhalb des mindestens einen Emittenten

Wasserdampf zu erzeugen und diesen zumindest teilweise der mindestens einen Elektrolyseeinrichtung zu deren Speisung zuzuführen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von

Hochtemperatur-Elektrolyseeinheiten, welche mit Wasser in dampfförmigem Zustand gespeist werden, von Interesse.

Es hat sich bewährt, wenn mindestens eine Sammeleinrichtung zur Speicherung des erzeugten mindestens einen synthetischen Grund- oder Brennstoffs vorhanden ist. Der mindestens eine synthetische Grund- oder Brennstoff kann, gegebenenfalls nach einer weiteren Aufbereitung, in Transportbehälter abgefüllt werden, um ihn an andere Orte zu transportieren. Hierzu ist bei flüssigen synthetischen Grund- oder Brennstoffen eine weniger komplizierte und lediglich ein geringeres

Gefahrenpotential aufweisende Transporttechnologie anwendbar, wie sie beispielsweise bei einem Transport von Wasserstoff notwendig wäre. Reiner Wasserstoff ist bekanntermaßen

hochentzündlich, hochexplosiv und zudem schwierig in der Lagerung . Die mindestens eine Sammeleinrichtung ist bevorzugt mittels mindestens einer Versorgungsleitung mit dem mindestens einen Emittenten verbunden, über welche der mindestens eine

synthetische Grund- oder Brennstoff - falls dafür einsetzbar - der Befeuerung des mindestens einen Emittenten zuführbar ist .

Die Figur soll die Erfindung beispielhaft erläutern. Sie zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwertung von Emissionen eines Kraftwerks.

Die Figur zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur

Verwertung von Emissionen eines Kraftwerks, das mit einem Brennstoff 6 auf Kohlenstoffbasis betrieben wird. Das hier nicht näher dargestellte Kraftwerk umfasst einen Emittenten 1, der mit dem Brennstoff 6 befeuert wird und ein

Kohlenstoffdioxid enthaltendes Abgas erzeugt. Bei dem

Emittenten 1 handelt es sich um eine Kombination einer

Brennkammer, die mit mindestens einem Brenner oder mehreren Brennern befeuert ist, und mit einer der Brennkammer

nachgeschalteten Turbine. Als Brennstoff 6 auf

Kohlenstoffbasis wird hier Kohle, Erdgas, Erdöl, Abfall, Biomasse und dergleichen verfeuert. Als Oxidationsmittel 7 werden zur Verfeuerung des Brennstoffs 6 in der Regel Luft oder bevorzugt auch Sauerstoff oder Luft-Sauerstoff- Mischungen eingesetzt.

Dem Emittenten 1 ist eine Elektrolyseeinrichtung 2 zur

Zerlegung von Wasser 14 in Wasserstoff 6a und Sauerstoff 7a nachgeschaltet. Die Elektrolyseeinrichtung 2 wird dabei durch eine regenerative Energiequelle mit Energie 17 versorgt.

Die Elektrolyseeinrichtung 2 ist hier in Form einer

Niedertemperatur- Elektrolyseeinheit ausgebildet, im Detail als eine PEM-Elektrolyseeinheit . Diese wird bei einer

Betriebstemperatur im Bereich von 0 bis 130°C, insbesondere von 50 bis 90°C, und in einem Druckbereich von 4 bis 100 bar, insbesondere von 10 bis 50 bar, mit Wasser (in flüssigem Zustand) 14 betrieben. Der von der Elektrolyseeinrichtung 2 erzeugte Sauerstoff 7a wird optional als Oxidationsmittel 7 für die Verbrennung des Brennstoffs 6 eingesetzt. Weiterhin oder alternativ zu einer Zufuhr von Wasser 14 kann der Elektrolyseeinrichtung 2 optional aus dem Abgas des

Emittenten 1 Wasser in dampfförmigem Zustand 10 oder nach Kondensation unter Gewinnung der enthaltenen Wärmemenge zugeführt werden, das elektrolytisch zerlegt werden kann. Dies ist hier allerdings nicht dargestellt. Die bei

Kondensation aus dem Wasser in dampfförmigem Zustand 10, ggf. über einen Wärmetauscher, gewonnene Wärmemenge kann bei

Bedarf der Elektrolyseeinheit 2 zugeführt werden.

Der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff 6a und das

Kohlenstoffdioxid 9 werden getrennt einem ersten chemischen Reaktor 3 zugeführt, wo eine Umsetzung in einen synthetischen Grund- oder Brennstoff 13 auf Kohlenstoffbasis erfolgt.

Der, der Elektrolyseeinrichtung 2 nachgeschaltete erste chemische Reaktor 3 weist einen geeigneten Katalysator auf und wird auf gleichem Druckniveau betrieben wie die

Elektrolyseeinrichtung 2. Je nach umzusetzender Emission und gewünschtem synthetischen Grund- oder Brennstoff sind

geeignete Katalysatoren z.B. Metalloxide in Form von NiO oder CuO.

Zumindest ein Teil der Abwärme 11 des Emittenten 1 wird hier unabhängig von der ersten Emission enthaltend das

Kohlenstoffdioxid 9 unmittelbar dem chemischen Reaktor 3 zu dessen Beheizung zugeführt.

Der erzeugte Grund- oder Brennstoff 13 wird in einer

Sammeleinrichtung 4 aufgefangen und außerhalb des Prozesses verwendet, 13a, oder dem Emittenten 1 zusätzlich zum

Brennstoff 6 als synthetischer Brennstoff 13b zugeführt.

Es ist ein zweiter chemischer Reaktor 3' vorgesehen, welcher dem Emittenten 1 und der Elektrolyseeinrichtung 2 zusätzlich nachgeschaltet ist. Dem ersten chemischen Reaktor 3 wird eine erste Emission umfassend Kohlenstoffdioxid 9 aus dem Abgas des Emittenten 1 zugeführt, das mit Wasserstoff 6a aus der Elektrolyseeinrichtung 2 zu einem ersten Grund- oder

Brennstoff 13, beispielsweise Methan oder Methanol, umgesetzt wird. Dem zweiten chemischen Reaktor 3' wird eine weitere erste Emission umfassend einen chemisch unterschiedlichen Teil des Abgases, hier in Form von Stickstoff 9', aus dem

Abgas des Emittenten 1 zugeführt, die mit Wasserstoff 6a aus der Elektrolyseeinrichtung 2 zu einem zweiten Grund- oder Brennstoff 13' in Form von Ammoniak umgesetzt wird. Als zweite Emission wird zumindest ein Teil der Abwärme 11 des Emittenten 1 unmittelbar den chemischen Reaktoren 3, 3' zu deren Beheizung zugeführt. Die bei Kondensation aus dem Wasser in dampfförmigem Zustand 10, ggf. über einen

Wärmetauscher, gewonnene Wärmemenge kann ebenfalls dem ersten chemischen Reaktor 3 und/oder dem zweiten chemischen Reaktor 3' zugeführt werden.

Der erzeugte erste Grund- oder Brennstoff 13 wird in einer ersten Sammeleinrichtung 4 aufgefangen und außerhalb des Prozesses verwendet, 13a, oder dem Emittenten 1 zusätzlich zum Brennstoff 6 als synthetischer Brennstoff 13b zugeführt. Der erzeugte zweite Grund- oder Brennstoff 13' wird in einer zweiten Sammeleinrichtung 4 ' aufgefangen und außerhalb des Prozesses verwendet.

Anstelle einer Niedertemperatur-Elektrolyseeinheit kann hier auch eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit eingesetzt werden, welche unmittelbar mit Wasser in dampfförmigem

Zustand 10 aus dem Abgas des Emittenten 1 gespeist werden kann, das unmittelbar elektrolytisch zerlegt werden kann.

Auch Wasser, das über eine Abwärmenutzung des Abgases aus dem Emittenten 1 in einen dampfförmigen Zustand gebracht wird, kann hier mit Vorteil eingesetzt werden. Das in der Figur dargestellte Verfahren und die Vorrichtung können von einem Fachmann jederzeit modifiziert werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. So kann das Abgas eines oder mehrerer Emittenten parallel mehreren Elektrolyseeinrichtungen und/oder chemischen Reaktoren zugeführt werden, das Abgas mehrerer Emittenten lediglich einer Elektrolyseeinrichtung und/oder den mindestens zwei chemischen Reaktoren zugeführt werden, die Anzahl an

Elektrolyseeinrichtungen und chemischen Reaktoren

unterschiedlich gewählt sein usw.

Die konkret erforderliche Ausgestaltung einer Vorrichtung hängt wesentlich von den zu verarbeitenden Emissionsmengen, der Leistung der eingesetzten Elektrolyseeinrichtung und der Leistung des jeweiligen chemischen Reaktors ab. Es können weiterhin auch andere als die genannten Typen von

Elektrolyseeinrichtungen oder gleichzeitig unterschiedliche Typen von Elektrolyseeinrichtungen eingesetzt werden. Die verwendeten chemischen Reaktoren können sich in Aufbau und eingesetztem Katalysatormaterial stark unterscheiden, da diese je nach damit zu behandelnder Emission und gewünschtem Grund- oder Brennstoff auszuwählen sind.