Verfahren zur Gewinnung eines elektropositiven Metalls aus einem Metallcarbonat

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines elektropositiven Metalls aus einem Metallcarbonat, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts steigt der Kohlenstoffdio- xidanteil in der Atmosphäre aufgrund der Industrialisierung an. Kohlenstoffdioxid zählt zu den Treibhausgasen. Im Rahmen des Kyoto-Protokolls wurden Reduktionsziele der Treibhausgas ^¬ anteile in der Atmosphäre definiert, um das Klima zu schüt- zen. Diese Reduktionsziele sollen durch verschiedene Klima ^¬ schutzmaßnahmen erreicht werden. Einerseits ist eine Verringerung des Ausstoßes von Treibhausgasen, insbesondere von Kohlenstoffdioxid, nötig. Diese kann beispielsweise mit Hilfe von Wirkungsgradverbesserungen bei der Stromproduktion reali- siert werden. Weiterhin ist eine stoffliche Verwertung von Kohlenstoffdioxid zu Grundchemikalien oder in Verbrennungen zur Energiegewinnung (z.B. beim Verbrennen in CO ₂ ) sinnvoll.

In der WO 2012/038330 wird ein Verfahren offenbart, in wel- ehern Kohlenstoffdioxid zu Grundchemikalien umgesetzt wird.

Dabei wird zuvor aus einem Abgasstrom isoliertes Kohlenstoff ^¬ dioxid mit einem elektropositiven Metall verbrannt. In der Verbrennung entstehen Grundchemikalien wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid oder Carbide, welche beispielsweise durch Hydrolyse zu Acetylen umgesetzt werden können. Kohlenmonoxid kann später mit Wasserstoff weiter zu Methanol oder anderen Wertprodukten (Fischer-Tropschverfahren) umgesetzt werden. Die bei der Verbrennung des elektropositiven Metalls in Kohlendioxid, oder alternativ in Stickstoff, frei werdende ther- mische Energie kann beispielsweise zur Dampferzeugung genutzt werden, um Generatoren anzutreiben oder Trennprozesse zu beheizen. Nach der Verbrennung liegt das Metall oft in seiner energetisch niedrigsten Form, dem Metallcarbonat, vor. Damit ein Kreisprozess möglich ist, der auf dem Metall basiert, muss das Metallcarbonat nun wieder zu Metall recycelt werden. Dies geschieht derzeit über zunächst ein Umsetzen des Metall- carbonats zu Metallchlorid. Dabei wird das Metallcarbonat in wässriger Salzsäurelösung gelöst. Das Metallcarbonat reagiert nun mit der wässrigen Salzsäure zu Metallchlorid. Die wässri- ge Metallchloridlösung wird anschließend erhitzt, um das Was ^¬ ser zu verdampfen und wasserfreies Metallchlorid herzustel ^¬ len. Das Verdampfen von Wasser verbraucht dabei nachteilig große Energiemengen (http://www.derneueschwan.ch/

Chemieberatung/question . php?q=14 ) .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, mit denen weniger Energie bei der Herstellung eines elektropositiven Metalls aus einem Metallcarbonat verbraucht wird, wobei insbesondere von vornherein vermieden wird, dass sich Hydrate bilden.

Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 genannte Verfahren und die in Anspruch 12 genannte Anordnung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung eines elektropositiven Metalls aus einem Metallcarbonat wird festes Metallcarbonat mit Halogenwasserstoff, bevorzugt HCl oder HF, insbesondere bevorzugt HCl, zu Metallhalogenid, bevorzugt Me ^¬ tallchlorid oder Metallfluorid, insbesondere bevorzugt Me ^¬ tallchlorid umgesetzt.

Ein elektropositives Metall im Rahmen der Erfindung ist ein Metall, dessen Potential in der elektrochemischen Spannungs ^¬ reihe (in Bezug auf die Normalwasserstoffelektrode bei

E° = 0 V) kleiner als -0,7 V, bevorzugt kleiner -1,0 V, insbesondere bevorzugt kleiner als -2,0 V ist. Bevorzugte Metal ^¬ le sind Li, Mg, Na, K, Ca und Zn, wobei Li, Mg, Na, K und Ca weiter bevorzugt und Li und Mg noch weiter bevorzugt sind. Besonders bevorzugt ist Li. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zur Gewinnung eines elektropositiven Metalls aus einem Metallcarbonat umfasst einen ersten Reaktor (zweite Einrich ^¬ tung) zum Umsetzen von festem Metallcarbonat und gasförmigem, bevorzugt wasserfreiem, Halogenwasserstoff zu Metallhaloge- nid .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anordnung wird bevorzugt wasserfreier, gasförmiger Halogenwasserstoff, be- vorzugt wasserfreies HCl-Gas, zum Umsetzen von festem Metall ^¬ carbonat (Me _2/n C03) zu Metallhalogenid, bevorzugt Metallchlo ^¬ rid (MeCl _n ) verwendet, wobei n die Wertigkeit des Metalls darstellt (Bsp. Li: n = 1, Mg: n = 2) . Wasserfrei bedeutet hierbei, dass der gasförmige Halogenwas ^¬ serstoff bevorzugt weniger als 10 Vol.% H ₂ O, weiter bevorzugt weniger als 5 Vol.% H ₂ O und besonders bevorzugt kein Wasser enthält . Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt eine beispielhafte Umsetzung von Metallcarbonat mit der bevorzugten HCl zu Metallchlorid (Formel 1) .

Me _2/ nC0 ₃ (fest) + 2 HCl (gas) -» 2/n MeCl _n + H ₂ 0 + C0 ₂

Die Umsetzung von festem Metallcarbonat (Me _2/n C03) mit gasför ^¬ migem Halogenwasserstoff, beispielsweise HCl, zu Metallhalo ^¬ genid, beispielsweise Metallchlorid (MeCl _n ) , erfolgt vorzugs ^¬ weise in dem ersten Reaktor (zweite Einrichtung) .

Die Umsetzung kann hierbei bei einem Druck von 1 - 100 bar, bevorzugt < 20 bar, beispielsweise für HCl, erfolgen.

Die Umsetzung des festen Metallcarbonats mit dem gasförmigen wasserfreien Halogenwasserstoff, beispielsweise gasförmiger HCl, kann bei einer Temperatur vom mehr als 100 °C und weniger als 500 °C, bevorzugt mehr als 150 °C und weniger als 400 °C, und insbesondere bevorzugt bei 250 °C bis 350 °C er ^¬ folgen .

Durch die gewählte Temperatur bei der Reaktion des Metallcar- bonats mit dem Halogenwasserstoff koordiniert das bei der Re ^¬ aktion entstehende Wasser, nicht an das Metallhalogenid. Das so erhaltene Metallhalogenid ist daher nahezu trocken, wobei Restwassergehalte von < 5 Gew.%, bevorzugt < 1 Gew.% möglich sind. Energieintensives Verdampfen von Wasser wird somit vor- teilhaft vermieden, so dass der Energieverbrauch der Herstellung von Metallhalogenid aus Metallcarbonat niedriger ist im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren . Da das Metallcarbonat fest ist, kann es gut transportiert werden, so dass die Reaktion örtlich flexibel durchgeführt werden kann. Bevorzugt wird die Umsetzung des Metallcarbonats zum Metallhalogenid, beispielsweise Metallchlorid, dort stattfinden, wo gasförmiger Halogenwasserstoff, beispielswei- se gasförmige HCl, in ausreichender Menge produziert wird und/oder zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise am Ort der Elektrolyse von Metallhalogenid, wo Halogen in ausrei ^¬ chender Menge vorhanden ist. Alternativ zu Metallchlorid kann das Metallcarbonat auch zu anderen Metallhalogeniden, beispielsweise Metallfluorid oder Metallbromid, umgesetzt werden, wobei jedoch Metallfluorid und Metallchlorid bevorzugt sind und Metallchlorid besonders bevorzugt ist.

Im ersten Reaktor (zweite Einrichtung) können die Reaktionsgase, also Halogenwasserstoff und in der Reaktion entstehen ^¬ des Wasser und CO ₂ , wie dies zum Beispiel bei einem bevorzugt verwendeten Wirbelschichtreaktor der Fall ist, zirkuliert und/oder aus der Einrichtung ausgeführt werden und ggf. auch wiederverwendet werden. Auch kann ein Produkt aus Wasser und Halogenwasserstoff, beispielsweise (wässrige) konzentrierte Salzsäure, das entstehen kann, innerhalb der Einheit auskon- densiert und als Produkt erhalten und weiterverwendet werden. Bei einem batchweisen Betrieb des ersten Reaktors kann bei einem Überschuss an gasförmigem Halogenwasserstoff, bei ^¬ spielsweise HCl, das CO ₂ sogar bis zur Beendigung der Umset- zung eines Batches zirkuliert werden.

Bevorzugt wird als Metallcarbonat ein Alkalimetallcarbonat , beispielsweise Lithiumcarbonat, oder ein Erdalkalimetallcar- bonat, beispielsweise Magnesiumcarbonat oder Calciumcarbonat, verwendet. Besonders bevorzugt wird Lithiumcarbonat verwen ^¬ det. Darüber hinaus können auch Natriumcarbonat , Kaliumcarbo- nat oder ggf. Zinkcarbonat verwendet werden. Die Verwendung von Lithiumcarbonat und Magnesiumcarbonat ist jedoch bevor ^¬ zugt .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der zur Herstellung des Metallhalogenids benö ^¬ tigte, gegebenenfalls wasserfreie, gasförmige Halogenwasser ^¬ stoff, beispielsweise gasförmige HCl, in einem zweiten Reak- tor (vierte Einrichtung) zum Verbrennen von Wasserstoff und Halogen, beispielsweise Chlor, zu Halogenwasserstoff, bei ^¬ spielsweise HCl, hergestellt. Das hierzu benötigte Halogen, beispielsweise CI ₂ , kann aus der Elektrolyse von Metallhalo- genid stammen, und Wasserstoff (H ₂ ) kann beispielsweise aus einer Wasserelektrolyse, die bevorzugt mit regenerativer Energie betrieben wird, stammen.

Wenn der erste Reaktor (zweite Einrichtung) und der zweite Reaktor (vierte Einrichtung) räumlich voneinander getrennt sind, kann die während des Verbrennens von Wasserstoff und Halogen, beispielsweise Chlor zu Halogenwasserstoff, bei ^¬ spielsweise HCl, im zweiten Reaktor entstehende Wärme dazu genutzt, das Umsetzen des Metallcarbonats zum Metallchlorid im ersten Reaktor zu beheizen.

Alternativ kann das Beheizen des ersten Reaktors durch den Einsatz einer Heizung und/oder von Wärmetauschern erfolgen. Bei einem Überschuss an entstehender Wärme im zweiten Reaktor kann diese gegebenenfalls dazu genutzt werden, die Elektroly ^¬ se des Metallchlorids in der 3. Einrichtung zu beheizen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der zweite Reaktor zur Herstellung des Metallhalogenids , beispielsweise der HCl, in den ersten Reaktor zum Umsetzen des Metallcarbonats zum Me- tallhalogenid, beispielsweise Metallchlorid, integriert. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass Wasserstoff und Halogen, beispielsweise Chlor, über gegebenenfalls sepa ^¬ rate Düsen oder nach vorherigem Mischen über eine gemeinsame Düse in den ersten Reaktor (zweite Einrichtung) eingeführt werden und dort zur Reaktion gebracht werden (beispielsweise durch Zünden), wobei diese Reaktion bevorzugt jedoch so stattfindet, dass der Halogenwasserstoff entsteht, bevor der Wasserstoff und das Halogen mit dem Metallcarbonat in Kontakt kommen. In diesem Fall wird der Halogenwasserstoff, bei ^¬ spielsweise das HCl-Gas, im Reaktor zur Umsetzung des Metall ^¬ carbonats zum Metallhalogenid, in situ aus Wasserstoff und Halogen, beispielsweise Chlor gebildet. Dadurch wird ein di ^¬ rekter Wärmeübergang der bei der Herstellung des Halogenwasserstoffs, beispielsweise der HCl, frei werdenden Wärme er ^¬ möglicht . In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der

Erfindung wird das aus der Umsetzung des Metallcarbonats er ^¬ haltene Metallhalogenid, beispielsweise Metallchlorid, in einer Elektrolyse zu Metall und Halogen zerlegt. Das in der Elektrolyse entstehende Halogen wird bevorzugt, zumindest teilweise, zur Herstellung des Halogenwasserstoffs verwendet.

Dadurch wird zumindest ein Teil des Halogens recycelt, so dass der Gesamtumsatz an Halogen im Idealfall gleich Null ist .

Weiterhin umfasst die Anordnung vorteilhaft eine dritte Ein ^¬ richtung zur Elektrolyse von Metallhalogenid, beispielsweise Metallchlorid, zu Metall und Halogen und ein Mittel zum Füh- ren des Halogens aus der dritten Einrichtung zur Elektrolyse zu der vierten Einrichtung zur Halogenwasserstoffherstellung .

Das bei der Elektrolyse des Metallchlorids gebildete Metall wird in einer vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung mit CO ₂ zu Metallcarbonat verbrannt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung findet die Verbrennung von Metalls und CO ₂ in einer ersten Einrichtung statt. Da bei dieser Verbrennung Energie freigesetzt wird, kann somit das

Metall als Energiespeicher angesehen werden. Wenn die Metall- halogenidelektrolyse durch erneuerbare Energie betrieben wird ist es somit möglich, die erneuerbare Energie zumindest teil ^¬ weise in chemischer Form in Form des Metalls zu speichern, wobei diese Speicherung abhängig von der Verfügbarkeit erneu ^¬ erbarer Energie auch saisonal oder tageszeitabhängig erfolgen kann. Die bei der Verbrennung in der ersten Einrichtung erzeugte Energie kann dann beispielsweise auch zur Stromerzeu ^¬ gung verwendet werden, wenn keine erneuerbare Energie verfüg- bar ist, so dass auch die Menge an Strom aus erneuerbarer

Energie, die ins Stromnetz eingespeist wird, durch die Ener- giespeicherung im Metall gesteuert bzw. saisonal und tages ^¬ zeitabhängig ausgeglichen werden kann. Bei der Umsetzung des Metalls mit CO ₂ entsteht Wärme, welche bevorzugt zum Beheizen der Betriebsmittel und/oder zur Stromproduktion, beispielsweise mittels Generatoren, genutzt wer ^¬ den kann. Das bei der Umsetzung des Metalls mit dem CO ₂ gebildete Me ^¬ tallcarbonat, beispielsweise Lithiumcarbonat, wird dann be ^¬ vorzugt wieder mittels gasförmigem, gegebenenfalls trockenem und heißem Halogenwasserstoff, beispielsweise heißer HCl, zu Metallhalogenid, beispielsweise Lithiumchlorid, umgewandelt.

Somit liegt bevorzugt ein Lithium-Kreisprozess vor. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der erste Reaktor (zweite Einrichtung) ein Wirbelschichtreaktor. In einem Wirbelschichtreaktor wird ein Fluid, insbesondere ein Gas, durch ein pulverförmiges Ma- terial geführt. Das Gas umfasst vorteilhaft den gasförmigen heißen Halogenwasserstoff, beispielsweise gasförmiges HCl. Dabei erfolgt eine Fluidisierung des Feststoffs. Ab einem kritischen Wert der Gasgeschwindigkeit, bei dem sich die nach oben gerichteten Kräfte, welche die Partikel nach oben bewe- gen, mit den nach unten gerichteten Gravitationskräften ausgleichen, verhält sich festes Material nahezu so dynamisch wie eine Flüssigkeit. Objekte mit einer niedrigen Dichte wer ^¬ den an die Oberfläche der Wirbelschicht getragen. Dies bedeu ^¬ tet, dass sich im oberen Teil der Wirbelschicht umgesetztes Metallhalogenid, beispielsweise LiCl (2,07 g/cm ³ ), und im un ^¬ teren Teil nicht umgesetztes Metallcarbonat , beispielsweise L1 ₂ CO ₃ (2,11 g/cm ³ ), anreichert.

Vorteilhaft erfolgt das Umsetzen von festem Metallcarbonat mit gasförmigem Halogenwasserstoff, beispielsweise gasförmi ^¬ ger HCl, in dem Wirbelschichtreaktor, da der Feststoff, umfassend Metallcarbonat, in engen Kontakt mit dem Gas, umfas ^¬ send gasförmigen Halogenwasserstoff, kommt. Weiterhin ist der Wärmeübergang zwischen den festen Partikeln und dem Gas sehr gut, da vorteilhaft eine große Oberfläche für den Wärmeüber ^¬ gang zur Verfügung steht.

Der Halogenwasserstoff kann dabei wie bereits beschrieben in einer vierten Einrichtung aus Wasserstoff und Halogen synthe- tisiert werden und anschließend in den Wirbelschicht Reaktor eingeleitet werden.

Bevorzugt kann in einer Wirbelschicht die Herstellung des Ha ^¬ logenwasserstoffs, beispielsweise HCl, aus Wasserstoff und Halogen in situ erfolgen und gleichzeitig das Metallcarbonat zu Metallhalogenid umgesetzt werden. Die bei der Halogenwas ^¬ serstoffherstellung entstehende Wärme wird so direkt bei der Herstellung des Metallhalogenids genutzt. Am oberen Ende des Wirbelschichtreaktors wird das Gas eventuell abgezogen, wobei es jedoch auch im Wirbelschichtreaktor zirkuliert werden kann. Das abzuziehende Gas umfasst insbesondere Kohlenstoff ^¬ dioxid und Wasser. Das Kohlenstoffdioxid kann gegebenenfalls, jedoch nicht bevorzugt, abgetrennt werden und kann in der ersten Einrichtung zur C02~Umsetzung des Metalls eingesetzt werden. Diese Rückführung des Kohlendioxids kann jedoch höhere Kosten verursachen. Das Wasser kann Halogenwasserstoff enthalten, und die so erhaltene Halogenwasserstoffsäure, bei- spielsweise Salzsäure, wird bevorzugt als Grundchemikalie weiter verwendet.

Bei der in situ Herstellung von Halogenwasserstoff in der zweiten Einrichtung bzw. dem Wirbelschichtreaktor ist es be- vorzugt, dass die zweite Einrichtung bzw. der Wirbelschicht ^¬ reaktor und die dritte Einrichtung räumlich nah beieinander liegen. Dadurch kann der Transport von Halogen aus der dritten Einrichtung über eine kurze Strecke erfolgen. Der Wirbelschichtreaktor weist bevorzugt zwei Zonen auf, wobei in einer ersten Zone das eingeleitete Halogen, beispiels ^¬ weise Chlor, mit dem eingeleitet Wasserstoff in situ zu Halo ^¬ genwasserstoff, beispielsweise HCl, reagiert, der im An- schluss daran in einer zweiten Zone mit dem Metallcarbonat zum Metallhalogenid reagiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser erzeugt. Bevorzugt wird so der Wasserstoff für die Herstellung des Halogenwasserstoffs produziert. Der bei der Elektrolyse von Wasser entstehende Sauerstoff kann als Wert ^¬ produkt abgeführt werden.

Die Elektrolyse von Wasser findet bevorzugt in einer fünften Einrichtung statt.

Bevorzugt wird die Energie zum Betreiben der Elektrolyse von Metallhalogenid zu Metall und Halogen sowie gegebenenfalls zur Wasserelektrolyse zu Sauerstoff und Wasserstoff aus Über ^¬ schussstrom aus erneuerbaren/regenerativen Energien bereitgestellt. Somit werden bevorzugt keine kohlenstoffbasierten energietragenden Stoffe verbraucht. Dadurch wird vorteilhaft für den Recyclingprozess kein Kohlenstoffdioxid aus der Ener ^¬ gieerzeugung gebildet, sondern Kohlendioxid wird nur bei der Verbrennung mit dem elektropositiven Metall verwendet, zum einen für die Bildung des Metallcarbonats , zum anderen gege ^¬ benenfalls für die Bildung von höherwertigen Kohlenstoffpro- dukten wie Acetylen, beispielsweise aus Metallcarbid und CO, welche bei der Reaktion des Kohlendioxids mit dem elektropo ^¬ sitiven Metall entstehen.

Erneuerbare/regenerative Energien umfassen hierbei Energie aus der Stromerzeugung mittels Windkraft, Wasserkraft, Solar ^¬ anlagen, Geothermieanlagen, Gezeitenanlagen, oder ähnlichen Anlagen, wobei bevorzugt Überschussstrom aus solchen Anlagen verwendet wird, der nicht ins Netz eingespeist werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung weist mindestens eine Einrich ^¬ tung auf, ausgewählt aus einer Gruppe von Einrichtungen be ^¬ stehend aus einer ersten Einrichtung zur Kohlenstoffdioxid- Umsetzung, einer zweiten Einrichtung zur Metallhalogenid- Herstellung, einer dritten Einrichtung zur Elektrolyse von Metallhalogenid, einer vierten Einrichtung zur Herstellung von Halogenwasserstoff und einer fünften Einrichtung zur Elektrolyse von Wasser.

Das Metall, beispielsweise Lithium, das Metallcarbonat , bei- spielsweise Lithiumcarbonat, und das Metallhalogenid, bei ^¬ spielsweise Lithiumchlorid, liegen als Feststoffe vor. Daher lassen sich diese Komponenten gut, beispielsweise mittels Containern in Schiffen, transportieren. Die Einrichtungen können daher zumindest teilweise auch an unterschiedlichen Orten angeordnet sein, insbesondere auch örtlich voneinander entfernt, d.h. in einer Entfernung von mehreren Kilometern, bevorzugt mehr als 100 Kilometern, voneinander .

Die erfindungsgemäße Anordnung weist darüber hinaus bevorzugt noch Mittel zum Transport der bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten oder entstehenden Stoffe auf, besonders bevorzugt weist die Anordnung mindestens eines der folgenden Mittel zum Transport auf: Ein erstes Mittel zum Transport von Metallcarbonat , bei ^¬ spielsweise Lithiumcarbonat (L1 ₂ CO3) , von der ersten Einrich ^¬ tung zur C0 ₂ -Umsetzung zu der zweiten Einrichtung zur Metallhalogenid-Herstellung . Ein zweites Mittel zum Transport von Metallhalogenid, bei ^¬ spielsweise Lithiumchlorid (LiCl) , von der zweiten Einrich ^¬ tung zur Metallhalogenid-Herstellung zu der dritten Einrichtung zur Elektrolyse von Metallhalogenid. Ein drittes Mittel zum Transport von Metall, beispielsweise Lithium, von der dritten Einrichtung zur Elektrolyse von Metallhalogenid zu der ersten Einrichtung zur C0 ₂ -Umsetzung .

Ein viertes Mittel zum Transport von Halogenwasserstoff, bei- spielsweise HCl, von der vierten Einrichtung zur Herstellung von Halogenwasserstoff zu der zweiten Einrichtung zur Metall ^¬ halogenid-Herstellung .

Ein fünftes Mittel zum Transport von Wasserstoff (H ₂ ) zu der vierten Einrichtung zur Herstellung von Halogenwasserstoff oder zu der zweiten Einrichtung zur Metallhalogenid-Herstellung bzw. dem Wirbelschichtreaktor.

Ein sechstes Mittel zum Transport von Halogen, beispielsweise Chlor (Cl ₂ ) , von der dritten Einrichtung zur Elektrolyse von Metallhalogenid zu der vierten Einrichtung zur Herstellung von Halogenwasserstoff oder zu der zweiten Einrichtung zur Metallhalogenid-Herstellung bzw. dem Wirbelschichtreaktor. Ein siebtes Mittel zum Transport von Wasser (H ₂ 0) und/oder konzentrierter Salzsäure aus der zweiten Einrichtung zur Me- tallhalogenid-Herstellung bzw. dem Wirbelschichtreaktor.

Ein achtes Mittel zum Transport von Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) von der zweiten Einrichtung zur Metallhalogenid-Herstellung bzw. dem Wirbelschichtreaktor zu der ersten Einrichtung zur C02~Umsetzung . Kohlenstoffdioxid kann aber auch auf andere Weise in der ersten Einrichtung bereitgestellt werden, beispielsweise aus anderen Anlagen wie Verbrennungsanlagen oder Kraftwerken. In bestimmten Ausführungsformen wird Kohlenstoffdioxid in der ersten Einrichtung im Überschuss verwendet, so dass auch weitere Produkte wie Metallcarbid und CO entstehen können.

Ein neuntes Mittel zum Transport von Sauerstoff (0 ₂ ) aus der fünften Einrichtung zur Elektrolyse von Wasser. Ein zehntes Mittel zum Transport von Wasser (H ₂ 0) in die fünfte Einrichtung zur Elektrolyse von Wasser.

Entsprechende Mittel zum Transport sind dem Fachmann geläu ^¬ fig, als Mittel zum Transport können beispielsweise beliebi- ges Transportmittel, zum Beispiel ein Schiff oder Güterzüge mit entsprechenden Behältnissen eingesetzt werden. Der Fachmann kennt die Ausgestaltung von Behältnissen, die für den Transport der entsprechenden Stoffe geeignet sind und passt die Behältnisse an den entsprechenden Verwendungszweck an.

Alternativ kann das Mittel zum Transport ein Rohrleitungssys ^¬ tem und/oder System von Förderbändern mit mindestens einem Rohr bzw. einem Förderband sein, d.h. die durch das Mittel zum Transport verbundenen Einrichtungen stehen miteinander in Strömungsverbindung bzw. ein kontinuierlicher Materialfluss kann gewährleistet werden. Rohleitungssysteme bzw. Fördersys ^¬ teme die für die Verwendung der entsprechenden Stoffe geeig- net sind, sind dem Fachmann geläufig und er wählt entspre ^¬ chend geeignete Materialen aus.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann beliebige Kombinationen von Rohrleitungssystemen, Förderbändern und anderen Transportmitteln aufweisen.

Darüber hinaus weisen die vierte und fünfte Einrichtung be ^¬ vorzugt Mittel zum Zuführen von Energie auf.

Die erste Einrichtung weist bevorzugt ein erstes Mittel zum Abführen von Abwärme auf.

Die vierte Einrichtung weist bevorzugt ein zweites Mittel zum Abführen von Abwärme und/oder gegebenenfalls ein drittes Mit ^¬ tel zum Abführen von Abwärme auf, wobei das zweite Mittel zum Abführen von Abwärme die Abwärme zu der zweiten Einrichtung zuführt, also Abwärme zur Herstellung des Metallhalogenids bereitstellt, und das dritte Mittel zum Abführen von Abwärme die Abwärme zu der dritten Einrichtung zuführt, also zur Me ^¬ tallhalogenidelektrolyse .

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft aber nicht ein ^¬ schränkend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert.

Figur 1 zeigt ein schematisches Bild einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung von Lithium als beispielhaftes Metall aus Lithiumcarbonat mit ei- ner zweiten Einrichtung (Reaktor) 7 zur

Lithiumchlorid-Herstellung als beispielhaftes Metall- halogenid und einer dritten Einrichtung 8 zur Lithiumelektrolyse . Figur 2 zeigt ein schematisches Bild einer alternativen bei ^¬ spielhaften Anordnung zur Herstellung von Lithium als beispielhaftes Metall aus Lithiumcarbonat unter Ver ^¬ wendung eines Wirbelschichtreaktors 100 und in situ Herstellung von HCl als beispielhafter Halogenwasserstoff im Wirbelschichtreaktor 100.

Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung zur Herstellung von Lithium aus Lithiumcarbonat.

Die Anordnung zur Durchführung des beispielhaften, erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine erste Einrichtung 4 zur C0 ₂ -Umsetzung, eine zweite Einrichtung 7 zur Lithiumchlorid- herstellung, eine dritte Einrichtung 8 zur Lithiumchlorid ^¬ elektrolyse, sowie eine vierte Einrichtung (Reaktor) 9 zur Herstellung von heißem HCl-Gas.

Der ersten Einrichtung 4 zur C0 ₂ -Umsetzung werden Lithium, über ein Mittel zum Transport 3 von Lithium aus der dritten Einrichtung 8, und Kohlenstoffdioxid, über ein Mittel zum Transport 13 von Kohlenstoffdioxid 13, bevorzugt aus der zweiten Einrichtung 7, zugeführt. Kohlenstoffdioxid kann aber auch auf anderem Wege der ersten Einrichtung 4 zugeführt wer- den, um weitere höherwertige Kohlenstoffprodukte wie Acetylen aus gebildetem Metallcarbid und CO durch Überschuss-Kohlen- stoffdioxid zu bilden (nicht gezeigt) . Durch die Reaktion von Lithium und Kohlenstoffdioxid in der ersten Einrichtung 4 zur C0 ₂ -Umsetzung entsteht das im Vergleich zum Lithium energie- ärmere Lithiumcarbonat. Die bei der Umsetzung von Lithium mit CO ₂ gebildete erste Abwärme , wird über ein erstes Mittel zum Abführen von Abwärme 21 aus der ersten Einrichtung 4 abgeführt und bevorzugt zum Beheizen von Betriebsmitteln oder zur Stromproduktion mittels Generatoren genutzt. Das gebildete Lithiumcarbonat wird wiederum zu Lithium umgewandelt und so ^¬ mit recycelt, um schlussendlich bevorzugt erneut in die erste Einrichtung 4 zurückgeführt zu werden. Es liegt somit bevor ^¬ zugt ein Lithium-Kreisprozess vor, in dem das Lithium als Energiespeicher dienen kann.

Das Lithiumcarbonat wird durch ein erstes Mittel zum Trans ^¬ port 1 von Lithiumcarbonat zunächst in die zweite Einrichtung 7 zur Lithiumchlorid-Herstellung überführt. Da das Lithiumcarbonat 1 in fester Form vorliegt und somit gut transportierbar ist, kann das erste Mittel zum Transport 1 von Lithiumcarbonat beispielsweise ein beliebiges Trans- portmittel, beispielsweise ein Schiff oder Güterzug mit ent ^¬ sprechenden Containern sein und das Lithiumcarbonat wird mit ^¬ tels Schiffs- oder Güterzugcontainern, zur zweiten Einrichtung 7 transportiert. Alternativ kann das erste Mittel zum Transport 1 von Lithiumcarbonat beispielsweise ein Rohrlei- tungssystem und/oder Fördersystem mit mindestens einem Rohr bzw. Förderband sein, d.h. die erste Einrichtung 4 steht mit der zweiten Einrichtung 7 in Strömungsverbindung. Der zweiten Einrichtung 7 wird darüber hinaus HCl durch ein viertes Mittel zum Transport 5 des HCl-Gases aus der vierten Einrichtung 9 zur HCl-Herstellung zugeführt. Alternativ kann HCl, welches bei einem anderen Herstellungsprozess , beispielsweise als Ne- ben-/Abfallprodukt , entsteht, durch ein viertes Mittel zum Transport 5 des HCl, der zweiten Einrichtung 7 zugeführt wer ^¬ den. In der zweiten Einrichtung 7 wird das Lithiumcarbonat mit der gasförmigen wasserfreien HCl zu Lithiumchlorid, Was ^¬ ser und Kohlenstoffdioxid, bevorzugt bei einer Temperatur von wenigstens 300°C, umgesetzt (Reaktionsgleichung gemäß Formel 1, wobei Me = Li; Reaktionsenthalpie = -96 kJ/mol) . Das Was ^¬ ser und/oder konzentrierte Salzsäure und das Kohlenstoffdio- xid werden aus der zweiten Einrichtung 7 durch ein siebtes Mittel 12 zum Transport von Wasser und/oder konzentrierte Salzsäure und ein achtes Mittel 13 zum Transport von Kohlen ^¬ stoffdioxid abgeführt. Bevorzugt wird mindestens ein Teil des gebildeten Kohlenstoffdioxids über ein achtes Mittel zum Transport 13 des Kohlenstoffdioxids wiederum der ersten Ein ^¬ richtung 4 zur C02-Umsetzung zugeführt. Alternativ wird, wenn die zweite Einrichtung 7 und die erste Einrichtung 4 örtlich entfernt voneinander angeordnet sind, das Kohlenstoffdioxid aus der zweiten Einrichtung 7 nicht in die erste Einrichtung 4 zurückgeführt sondern gespeichert und in einem anderen Pro- zess weiterverwertet. Das bei der Reaktion von

Lithiumcarbonat mit HCl gebildete Wasser kann gegebenenfalls mit überschüssigem HCl wässrige Salzsäure bilden. Da nur we- nig Wasser gebildet wird und HCl im Überschuss vorliegt, ist die Salzsäure konzentriert. Diese konzentrierte Salzsäure kann als Grundchemikalie weiter verwendet werden. Das durch Umsetzung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mittels der erfindungsgemäßen Anordnung erhaltene

Lithiumchlorid wird als nahezu trockener Feststoff erhalten und über ein zweites Mittel zum Transport 2 von

Lithiumchlorid in die dritte Einrichtung 8 zur

Lithiumchlorid-Elektrolyse überführt. In der dritten Einrich ^¬ tung 8 wird das Lithiumchlorid elektrolytisch zu Lithium und Chlor umgewandelt. Die Einrichtung 8 weist hierzu ein Mittel zum Zuführen von Energie 15 auf. Die für die Elektrolyse be ^¬ nötigte elektrische Energie stammt bevorzugt aus erneuerbaren Energien. Das bei der Elektrolyse gebildete Lithium wird über ein drittes Mittel zum Transport 3 von Lithium wiederum der ersten Einrichtung 4 zugeführt, so dass ein „Lithium"- Kreislauf entsteht. Das bei der Elektrolyse des

Lithiumchlorids gebildete Chlor wird aus der dritten Einrich- tung 8 über ein sechstes Mittel zum Transport 11 von Chlor der vierten Einrichtung 9 zur HCl-Herstellung zugeführt. Der vierten Einrichtung 9 wird außerdem Wasserstoff über ein fünftes Mittel zum Transport 6 von Wasserstoff zugeführt. Der Wasserstoff kann aus einer beliebigen Quelle stammen, bei- spielsweise kann er durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Eine entsprechende Einrichtung zur Elektrolyse von Wasser ist in der Ausführungsform gemäß Figur 2 beschrieben und kann entsprechend auch in der Ausführungsform gemäß Figur 1 eingesetzt werden.

In der vierten Einrichtung 9 reagiert der Wasserstoff mit dem Chlor zu HCl. Diese Reaktion ist exotherm (Reaktionsenthalpie = -92,31 kJ/mol) . Die entstehende zweite Abwärme wird bevor ^¬ zugt über ein zweites Mittel zum Abführen von Abwärme 20 der zweiten Einrichtung 7 zugeführt und dort bei der Herstellung des Lithiumchlorids aus Lithiumcarbonat genutzt. Darüber hin ^¬ aus kann die Abwärme gegebenenfalls über ein drittes Mittel zum Abführen von Abwärme 20a der dritten Einrichtung 8 zuge- führt und dort genutzt werden, beispielsweise zum Betreiben von Generatoren. Das in der vierten Einrichtung 9, aus der Reaktion von Wasserstoff mit Chlor, gebildete HCl-Gas wird der zweiten Einrichtung 7 durch ein viertes Mittel zum Trans- port 5 von HCl zugeführt.

Figur 2 zeigt schematisch eine alternative Anordnung zur Herstellung von Lithium aus Lithiumcarbonat unter Verwendung ei- nes Wirbelschichtreaktors 100 und in situ Herstellung von HCl im Wirbelschichtreaktor 100.

Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel da- durch, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 die zweite Einrichtung 7 zur Lithiumchlorid-Herstellung und die vierte Einrichtung 9 zur Herstellung von HCl in einem Reaktor integriert sind, wobei dieser Reaktor als Wirbelschichtreaktor 100 ausgebildet ist. Zusätzlich weist die Anordnung gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform eine fünfte Einrichtung 10 zur Elektrolyse von Wasser auf.

Im Übrigen umfasst die Anordnung der Figur 2 eine erste Einrichtung 4 zur Kohlenstoffdioxid-Umsetzung und eine dritte Einrichtung 8 zur Lithiumelektrolyse.

Der ersten Einrichtung 4 zur C0 ₂ -Umsetzung werden Lithium, über ein Mittel zum Transport 3 von Lithium aus der dritten Einrichtung 8, und Kohlenstoffdioxid, über ein Mittel zum Transport 13 von Kohlenstoffdioxid 13, bevorzugt aus der zweiten Einrichtung 7, zugeführt. Darüber hinaus kann Kohlendioxid auch aus anderen Quellen zugeführt werden, so dass Kohlendioxid im Überschuss vorliegen kann (nicht gezeigt) . Durch die Reaktion von Lithium und Kohlenstoffdioxid in der ersten Einrichtung 4 zur C0 ₂ -Umsetzung entsteht das im Vergleich zum Lithium energieärmere Lithiumcarbonat. Die bei der Umsetzung von Lithium mit CO ₂ gebildete erste Abwärme wird über ein erstes Mittel zum Abführen von Abwärme 21 aus der ersten Einrichtung 4 abgeführt und technisch genutzt, beispielsweise zum Beheizen von Betriebsmitteln oder zur Stromerzeugung. Das gebildete Lithiumcarbonat wird wiederum zu Lithium umgewandelt und somit recycelt, um schlussendlich be- vorzugt erneut in die erste Einrichtung 4 zurückgeführt zu werden. Es liegt somit bevorzugt ein Lithium-Kreisprozess vor .

Das Lithiumcarbonat wird durch ein erstes Mittel zum Trans- port 1 von Lithiumcarbonat zunächst in den Wirbelschichtreak ^¬ tor 100 zur Lithiumchlorid-Herstellung überführt.

Da das Lithiumcarbonat 1 in fester Form vorliegt und somit gut transportierbar ist, kann das erste Mittel zum Transport 1 von Lithiumcarbonat ein beliebiges Transportmittel, bei ^¬ spielsweise ein Schiff oder Güterzug mit entsprechenden Containern sein und das Lithiumcarbonat wird mittels Schiffs ^¬ oder Güterzugcontainern, zum Wirbelschichtreaktor 100 transportiert. Der Wirbelschichtreaktor 100 befindet sich hierbei bevorzugt an dem Ort, an dem die Lithiumelektrolyse in der dritten Einrichtung 8 stattfindet. Alternativ kann das erste Mittel zum Transport 1 von Lithiumcarbonat beispielsweise ein Rohrleitungssystem und/oder ein Fördersystem mit mindestens einem Rohr bzw. mindestens einem Förderband sein, d.h. die erste Einrichtung 4 steht mit dem Wirbelschichtreaktor 100 in Strömungsverbindung .

Der Wirbelschichtreaktor 100 kann dabei mehr als 500 km von der ersten Einrichtung 4 entfernt sein. Dem Wirbelschichtre- aktor werden darüber hinaus Wasserstoff und Chlor zugeführt. Wasserstoff wird über ein fünftes Mittel zum Transport 6 von Wasserstoff und Chlor über ein sechstes Mittel zum Transport 11 von Chlor zugeführt. Das Chlor stammt aus der dritten Einrichtung 8 zur Elektrolyse von Lithiumchlorid. Der Wasser- Stoff stammt aus der fünften Einrichtung 10 zur Elektrolyse von Wasser. In der fünften Einrichtung 10 wird das Wasser elektrolytisch zu Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. Die fünfte Ein ^¬ richtung 10 weist hierzu ein Mittel zum Transport 12a von Wasser sowie ein Mittel zum Zuführen von Energie 15 auf. Die für die Elektrolyse benötigte elektrische Energie stammt be ^¬ vorzugt aus erneuerbaren Energien.

Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff wird als Wert ^¬ stoff erhalten und über ein neuntes Mittel zum Transport 14 von Sauerstoff aus der fünften Einrichtung 10 abgeführt bzw. kann auch an die Luft abgegeben werden. Im Wirbelschichtreaktor 100 erfolgen sowohl die in situ Herstellung des HCl-Gases aus Chlor und Wasserstoff als auch die Umsetzung des in situ gebildeten HCl mit Lithiumcarbonat zu Lithiumchlorid. Dadurch kann die bei der Herstellung der HCl entstehende Wärme direkt bei der Umsetzung des Lithiumcarbonats zu Lithiumchlorid ge ^¬ nutzt werden. Im Wirbelschichtreaktor 100 werden die Feststoffe, Lithiumcarbonat und Lithiumchlorid mit der gasförmi ^¬ gen HCl durchmischt, so dass die Reaktion nicht stofftrans- port-limitiert ist.

Aufgrund der hohen Temperaturen im Wirbelschichtreaktor 100 von wenigstens 300°C koordiniert das Wasser nicht mit dem Lithiumchlorid, so dass trockenes Lithiumchlorid erhalten wird .

Das bei der Herstellung des Lithiumchlorids entstehende Was ^¬ ser und/oder konzentrierte Salzsäure und das Kohlenstoffdio- xid werden aus dem Wirbelschichtreaktor 100 durch ein siebtes Mittel 12 zum Transport von Wasser und/oder konzentrierter Salzsäure und ein achtes Mittel zum Transport 13 von Kohlen ^¬ stoffdioxid abgeführt. Gegebenenfalls wird mindestens ein Teil des gebildeten Kohlenstoffdioxids über ein achtes Mittel zum Transport 13 des Kohlenstoffdioxids wiederum der ersten Einrichtung 4 zur C02-Umsetzung zugeführt. Alternativ wird, wenn der Wirbelschichtreaktor 100 und die erste Einrichtung 4 örtlich entfernt voneinander angeordnet sind, das Kohlen ^¬ stoffdioxid aus dem Wirbelschichtreaktor 100 nicht in die erste Einrichtung 4 zurückgeführt sondern abgegeben und gege- benenfalls gespeichert und in einem anderen Prozess weiter ^¬ verwertet. Das bei der Reaktion von Lithiumcarbonat mit HCl gebildete Wasser kann mit dem HCl gegebenenfalls Salzsäure bilden. Diese konzentrierte Salzsäure kann als Grundchemika- lie weiter verwendet werden.

Das durch Umsetzung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mittels der erfindungsgemäßen Anordnung erhaltene

Lithiumchlorid wird als nahezu trockener Feststoff erhalten und über ein zweites Mittel zum Transport von Lithiumchlorid in die dritte Einrichtung 8 zur Lithiumchlorid-Elektrolyse überführt. In der dritten Einrichtung 8 wird das

Lithiumchlorid elektrolytisch zu Lithium und Chlor umgewandelt. Die Einrichtung 8 weist hierzu ein Mittel zum Zuführen von Energie 15 auf. Die für die Elektrolyse benötigte elekt ^¬ rische Energie stammt bevorzugt aus erneuerbaren Energien. Das bei der Elektrolyse gebildete Lithium wird über ein drit ^¬ tes Mittel zum Transport 3 von Lithium wiederum der ersten Einrichtung 4 zugeführt, so dass ein „Lithium"-Kreislauf ent- steht. Das bei der Elektrolyse des Lithiumchlorids gebildete Chlor wird aus der dritten Einrichtung 8 über ein sechstes Mittel zum Transport 11 von Chlor dem Wirbelschichtreaktor 100 zur in situ HCl-Herstellung zugeführt. Es ist somit be ^¬ vorzugt, dass der Wirbelschichtreaktor 100 und die dritte Einrichtung 8 räumlich nah beieinander liegen.

Das Lithium, das Lithiumcarbonat und das Lithiumchlorid lie ^¬ gen als Feststoffe vor. Daher lassen sich diese Komponenten gut, beispielsweise mittels Containern in Schiffen, transportieren. Die Reaktoren und Einrichtungen können daher an unterschiedlichen Orten angeordnet sein.

Alternativ kann der Wasserstoff, der dem Wirbelschichtreaktor 100 zugeführt wird, auch aus einer anderen Quelle stammen und nicht durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die in Figur 1 gezeigte Anordnung dahingehend abgewandelt werden, dass der zweiten Einrichtung zur Lithiumchlorid-Herstellung nicht HCl zugeführt wird, sondern Wasserstoff und Chlor, ent- sprechend der Ausgestaltung in der Ausführungsform gemäß Figur 2, und das HCl-Gas in situ in der zweiten Einrichtung gebildet wird.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Anord- nung gemäß Figur 1 dahingehend abgewandelt werden, dass die zweite Einrichtung 2 durch einen Wirbelschichtreaktor 100 ersetzt wird und die Umsetzung von Lithiumcarbonat mit HCl im Wirbelschichtreaktor 100 erfolgt.