Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur thermischen Cracken bzw. Cracking von gasförmigen Kohlenwasserstoffen und insbesondere von Methan-Moleküle um Wasserstoff als Hauptprodukt und reine Kohlenstoff als Nebenprodukt zu erzeugen. Neben Methan aus Erdgas man kann beispielsweise auch Bio-Methan, z.B. aus Biogas verwendet werden, um auf diese Weise zu transformieren.

Beim thermischen Cracken werden im Stand der Technik Kohlenwasserstofffraktionen unter Druck auf ca. 450 bis 900 °C erhitzt (je nach Verfahren). Dabei geraten die langen Kohlenwasserstoffmoleküle in so starke Schwingungen, dass die Kohlenwasserstoffketten brechen. Es entstehen kurzkettige olefinische Kohlenwasserstoffmoleküle.

Im Folgenden wird der Begriff „Cracking“ verwendet

Das Cracken von Methan ist eine in jüngster Zeit und der Forschung befindliche vielversprechende Methode. Bei diesem Verfahren wird Methan bei hohen Temperaturen in seine molekularen Bestandteile nämlich in Wasserstoff und reinen Kohlenstoff zerlegt. Ein wichtiger Faktor ist, dass die Reaktion, da diese unter Ausschluss von Sauerstoff abläuft, keinerlei CO2-Emissionen freisetzt.

Der erzeugte Wasserstoff dient als Energieträger, während der Kohlenstoff für die kommerzielle Nutzung, zum Beispiel die Herstellung von Kohlenstofffasern, bereitsteht. Alternativ kann er ohne weiteres für die künftige Nutzung gelagert werden. Aus aktuellen Forschungen ist bekannt, dass Methan-Cracken ein praktikabler Prozess ist, und neue Arbeitsergebnisse der Anmelderin, welche bisher noch unveröffentlicht sind, zeigen, dass diese Technologie in industriellem Maßstab angewendet werden kann.

Um das thermische Cracking zu erzielen werden, wie unten genauer ausgeführt sehr hohe Temperaturen (z.B. 1500°C) und ausreihend lange Verweilzeit (z.B. 1 Sekunde) benötigt. Bei niedrigeren Temperaturen muss man die Verweilzeit verlängern, bzw. mit noch höheren Temperaturen deutlich verkürzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erzielt einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere H2- Ausbeute als die bisher bekannten Verfahren und führt gleichzeitig zu deutlich niedrigeren Investitionskosten durch die Vermeidung kostspieliger und technologisch anspruchsvoller Komponenten. Bevorzugt entsteht, insbesondere abhängig von den Heizungsart bzw. der Art der Erwärmung, kein klimaschädliches CO2, oder mindestens deutlich weniger als beispielsweise bei Dampfreforming-Verfahren.

Stand der Technik

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Energiewende, in Deutschland wie weltweit. Als Sekundärenergieträger erzeugt Wasserstoff keine klimaschädlichen Gase bei der Anwendung. Leider wird jedoch derzeit die größte Menge an Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Dabei erzeugt man bis 13 kg CO2 pro erzeugtes Kilogramm Wasserstoff. Aus diesem Grund bezeichnet man diesen H2 als „grauen“ Wasserstoff.

Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist die richtige Lösung, aber spielt zurzeit stark untergeordnete Rolle, nicht zuletzt wegen hoher Kosten. Das bekannteste Verfahren ist die Elektrolyse des Wassers mit dem Strom aus erneuerbarer Energie. Hierzu gibt es verschiedene Elektrolyseverfahren mit unterschiedlichen Wirkungsgraden, so dass für die Erzeugung 1 kg H2 bis über 60 kWh Strom benötigt werden. So erzeugten Wasserstoff bezeichnet man als „grün“. Falls der Strom aus Atomkraft kommt, d.h. auch CO2-neutral, nutzt man die Bezeichnung „roter“ Wasserstoff.

Eine weitere Möglichkeit ist es, den Wasserstoff aus Biomasse zu gewinnen, meistens über ein Vergasungsverfahren. Auch andere Verfahren, wie Torrefizierung, Pyrolyse oder Vergä- rung kommen in Frage, wenn auch mit niedrigerer Ausnutzung des Eingangsmaterials. Das ist in Prinzip auch „grüner“ Wasserstoff, da keine zusätzlichen Mengen von CO2 entstehen. Leider, auch wegen vieler Fehler in der jüngeren Vergangenheit, hat Biomasse ein schlechtes Image, so dass manche Autoren den so gewonnenen Wasserstoff als „orange“ bezeichnen.

Um größere Mengen Wasserstoffs unter annehmbaren Kostenbedingungen zu erzeugen, versucht man, ihn wieder aus fossilem Erdgas herzustellen, aber ohne CO2 Emissionen in die Atmosphäre. Man kann dabei die bekannten Dampfreformierungsverfahren weiter nutzen, aber mit Ausscheiden des CO2 aus den Abgasen und dessen Deponierung in unterirdischen Kavernen. Dieses Verfahren ist auch umstritten, zumal man keine langzeitigen Erfahrungen mit so genannten CCS (Carbon Capture and Storage) Technologien hat. Auf diese Weise gewonnenen Wasserstoff bezeichnet man als „blau“.

Eine andere Möglichkeit ist die Spaltung, bzw. das Cracking des Methan-Moleküls, als Hauptkomponente des Erdgases. Dabei entsteht Wasserstoff und reiner fester Kohlenstoff, entsprechend der Gleichung:

CH ₄ -> 2H ₂ + C

Die notwendige Reaktionswärme für die endotherme Reaktion beträgt 74,9 kJ/mol. Die Speicherung, oder Nutzung von festem Kohlenstoff ist viel einfacher und attraktiver, was für solche Verfahren spricht. So erzeugten Wasserstoff bezeichnet man als „türkis“.

Verfahren mit einer katalytischen Spaltung ermöglichen eine deutlich niedrigere Temperatur (sh. Schneider et al., Verfahrensübersicht zu Erzeugung von Wasserstoff durch Erdgas- Pyrolyse, Chemie Ingenieur Technik, 92, Nr. 8, 2020).

Die erste Entwicklung ist eingestellt, da wegen der Reaktivierung des Katalysators hohe Kosten entstehen und Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Es gibt auch mehrere Entwicklungen die Plasma-Spaltung anwenden. Die Fa. Kvaerner hat einen derartigen Prozess getestet (sh. oben, wie auch den Patentschrift DE 692 08 686.2) und wegen unzureichender Qualität des Thermalrußes im Jahr 2003 die Entwicklung einge- stellt. Es gibt mehrere andere Entwicklungen mit Plasma-Verfahren, manche bis TRL 8, die in Vergleich zu Elektrolyse deutlich niedrigeren Bedarf an elektrischer Energie aufweisen. Alle diese Verfahren brauchen jedoch deutlich höhere Energiemengen als theoretische Reaktionswärme der Methan-Spaltung.

Es gibt mehrere Verfahren zur thermischen Spaltung von Methan, oder allgemein von Kohlenwasserstoffen. Manche nutzen den extern oder intern gewonnenen Kohlenstoff als Katalysator, um die Spaltungsreaktion zu beschleunigen, bzw. die Reaktionstemperatur etwas zu reduzieren, wie z.B. in der Patentschrift US 6670 058 B2 beschrieben. Dort wird eine Menge des Eintrittsgases mit Luft verbrannt und diese Energie wird genutzt um die Kohlenstoffpartikel auf hohe Temperaturen vorzuwärmen. Die so vorgewärmte Kohlenstoffpartikel werden einem Reaktor zugeführt, um die endotherme Reaktion zu ermöglichen.

In den Patentschrift WO 2013/004398 A2 wird ein Verfahren beschrieben bei welchem die Spaltung in einem Reaktionsraum in Gegenwart von kohlenstoffhaltigem Granulat stattfindet. Die notwendige Wärme wird wieder durch Verbrennung eines Tailgases in einem externen Brennraum gewonnen, und durch die Überhitzung eines Teils des Produktgases (Wasser- soffs) in einem externen Wärmetauscher in die Reaktionsraum eingeleitet.

Man hat eine vorteilhafte Überhitzungstemperatur in Bereich 1100°C bis 1400°C erwähnt, allerdings ohne zu erklären mit welchen Mitteln eine derartige Überhitzung umgesetzt werden kann. Nach dem Stand der Technik liegen die maximalen Temperaturen für bestimmte Wärmetauscher wie etwa rekuperative Wärmetauscher in einem Bereich leicht über 900°C, das heißt alles über 1000°C ist zurzeit nicht möglich zu realisieren, was den Umsetzungsgrad und die Qualität des Produktes (Wasserstoff und/oder Kohlenstoff) erheblich negativ beeinflusst.

Die Patentschrift EP 3521 241 A1 beschreibt ein Verfahren zum thermisch/katalytischen Cracken des Methans in einem Metallbad aus Zinn. Das Bad ist thermisch beheizt auf 900°C-1200°C und das Methan tritt durch eine Struktur mit Düsen unter dem Bad ein. Es formieren sich Bläschen des Methans der sich durch hohe Temperatur und lange Verweilzeit auf H2 und C spaltet. An der oberen Oberfläche des Bads formiert sich eine Schicht von Kohlenstoff, der während der Zeit ständig wächst und deswegen periodisch entfernt werden muss. Nach den Angaben in der Patentschrift ist der Stromverbrauch mit 7,5 kWh/kg H2 und damit deutlich niedriger als bei der Wasserelektrolyse, aber noch immer 30% über den theoretischen Energiebedarf für die endotherme Reaktion. Es ist weiter angegeben, dass der Umsatzgrad des Methans nur 58,6% beträgt, was durch die zu niedrige Temperatur von 1100°C bedingt. Es ist nicht gezeigt und auch nicht thematisiert, wie die Konstruktion und Werkstoffauswahl der thermischen Heizer beschaffen sind. Weiter ist es nicht beschrieben wie man mit der Abwärme bei Temperaturen über 1100°C verfahren werden soll und wie dies die Energiebilanz, bzw. den Wirkungsgrad der Anlage beeinflusst.

In einem anderen Artikel über diese Verfahren (Geißler T. et al., Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed, Chemical Engineering Journal 299 (2016) 192-200) wird von einer H2-Ausbeute bis 78%, bei 1175°C Badtemperatur berichtet. Dort ist gezeigt, dass die elektrische Energie für die Erhaltung der Temperatur des Zinnbades genutzt wird. Auch in der aktuellen Web-Präsentation des Projektes (https://www.kit.edu/kit/pi_2019_wasserstoff-aus-erdgas-ohne -co2-emissionen.php) stehen keine besseren Werte für die ^-Ausbeute.

Ziel der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche ein Cracken von gasförmigen Kohlenwasserstoffen und insbesondere von Methan ermöglichen. Daneben soll ein Wirkungsgrad bei der Herstellung von Wasserstoff erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich weiterhin die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Spaltung gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie Methan zur Verfügung zu stellen bei denen die Investitionskosten niedriger und der Wirkungsgrad höher sind als im Stand der Technik Der so erzeugte Wasserstoff wird deutlich preiswerter, wann man auch die Kosten für die Deponierung, bzw. Speicherung von Kohlendioxid mitrechnet.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, für die Spaltung deutlich weniger Energie zu verbrauchen als die konkurrierenden Verfahren. Gleichzeitig sollen die Investitionskosten, durch die Vermeidung technisch anspruchsvoller und teurer Bauteile, wie Plasmabrenner und rekupe- rativer Hochtemperaturwärmetauscher, sowie durch kompaktere und kostengünstigere Bauteile, erheblich reduziert werden. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und eine Vorrichtung nach den unabhängigen Patentansprüchen beschrieben Weitere Ausgestaltungsvarianten, die Vorteile und Verbesserungen zur grundlegenden Ausführung liefern, sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Das hier beschriebene Verfahren ist vor allem für die Verwendung von Methan, bzw. Erdgas, als Inputstoff geeignet, es können aber auch beliebige gasförmige Kohlenwasserstoffe verwendet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch thermische Spaltung gasförmiger Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen oberhalb 1000 °C ist wenigstens eine Erwärmungseinrichtung zum Speichern oder Abgabe von thermischer Energie vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird zunächst der Kohlenwasserstoff erwärmt und insbesondere vorerwärmt und insbesondere auf eine vorgegebene Reaktionstemperatur in der besagten Einrichtung zur Erwärmung vorgewärmt.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt eine weitere Erwärmung des vorgewärmten Kohlenwasserstoffs und/oder insbesondere eines aus dem Kohlenwasserstoff (insbesondere durch Cracking entstehenden Produktgases) bzw. der Kohlenwasserstoff und/oder das aus dem Kohlenwasserstoff entstehende wird weiter erwärmt, und/oder das Produktgas wird wieder erwärmt insbesondere in einem Reaktionsraum und/oder Hochtemperaturabschnitt der Vorrichtung.

Dabei erfolgt diese Erwärmung wenigstens teilweise durch eine Zuführung (und insbesondere eine Eindüsung) von Sauerstoff in die Hochtemperaturzone und bevorzugt eine nachfolgende Verbrennung eines Teils des erzeugten Wasserstoffs und/oder die weitere Erwärmung wird durch eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung bewirkt.

Durch den Crackingprozess, bei dem es sich um eine endotherme Reaktion handelt kommt es zu einer Abkühlung der Produktgase. Diese werden, bevorzugt nach der Abscheidung von Kohlenstoff, bevorzugt wieder aufgewärmt. Diese Wiedererwärmung erfolgt besonders bevorzugt, um in der zweiten Einrichtung zur Speicherung von Wärme wieder Wärme abgeben zu können, damit auf diese Weise ein Dauerbetrieb gewährleistet werden kann.

Bevorzugt erfolgt die Eindüsung von Sauerstoff unter einem Druck, der zwischen 2 bar und 200 bar liegt.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt eine Abkühlung des Produktgases insbesondere in einer zweiten Einrichtung zur Speicherung und/oder Abgabe von thermischer Energie.

Bevorzugt handelt es sich bei der Erwärmungseinrichtung zum Speichern und/oder zur Abgabe von thermischer Energie im weitesten Sinne um einen Wärmetauscher, der insbesondere mit einem ihn durchströmenden Fluid, insbesondere einem Gas oder Dampf wechselwirkt, wobei je nach den Temperaturen dieses Fluids und der Erwärmungseinrichtung entweder thermische Energie von dem Fluid an die Erwärmungseinrichtung abgegeben wird oder umgekehrt die Erwärmungseinrichtung dieses Fluid erwärmt.

Bevorzugt weist diese Erwärmungseinrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Fluids sowie auch eine Abführeinrichtung zum Abführen des Fluids, bei dem es sich hier insbesondere um gasförmigen Kohlenwasserstoff oder um Wasserstoffgemische handelt, auf.

Es wird dabei ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zwei Erwärmungseinrichtungen vorgesehen sind, welche insbesondere wechselseitig betrieben werden. Eine der beiden Erwärmungseinrichtungen dient bevorzugt zur Vorerwärmung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe und die andere Erwärmungseinrichtung dient zum Abkühlen des Prozessgases, d. h. von Wasserstoff.

Dabei werden bevorzugt diese beiden Erwärmungseinrichtungen wechselseitig betrieben, das bedeutet, wenn eine der Erwärmungseinrichtungen die Kohlenwasserstoffe erhitzt, kühlt gleichzeitig die zweite Erwärmungseinrichtung das entstehende Prozessgas ab. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die entsprechende Erwärmungseinrichtung selbst wieder durch das Prozessgas zu einem gewissen Maß wieder aufgewärmt wird. Auf diese Weise ist durch eine entsprechende Beschaltung von Ventilen ein kontinuierlicher Pro- zess möglich.

Besonders bevorzugt werden die gasförmigen Kohlenwasserstoffe auf eine Temperatur vorgewärmt, die größer ist als 1000°C, bevorzugt größer als 1500°C. Bevorzugt werden die gasförmigen Kohlenwasserstoffe auf eine Temperatur vorgewärmt, die kleiner ist als 1800°C, bevorzugt kleiner als 1600°C.

Bevorzugt erfolgt die weitere Erwärmung und/oder die Wiedererwärmung des Prozessgases wie oben erwähnt, entweder durch eine elektrische Erwärmungseinrichtung oder durch eine Zuführung von Sauerstoff und eine Verbrennung eines Teils des bereits entstandenen Wasserstoffes. Dabei ist es auch möglich, dass diese weitere Erwärmung durch mehrere Prozesse erreicht wird, beispielsweise sowohl eine elektrische Erwärmung als auch eine Zuführung von Sauerstoff. Dabei kann es beispielsweise möglich sein, dass zu Beginn eines Prozesses zunächst überwiegend elektrisch beheizt wird und in einem weiteren Verfahrensstadium überwiegend durch teilweise Verbrennung von Wasserstoff weiter erhitzt wird.

Besonders bevorzugt erfolgt daher anteilsweise eine elektrische Erwärmung und anteilsweise eine Erwärmung durch Verbrennung, wobei sich diese Anteile während eines Arbeitsbetriebs ändern können.

Besonders bevorzugt werden die kohlenstoffhaltigen Gase in dem Hochtemperaturabschnitt auf eine Temperatur erhitzt, die größer ist als 1000° C, bevorzugt größer als 1100° C, bevorzugt größer als 1200° C, bevorzugt größer als 1300° C, bevorzugt größer als 1400° C und bevorzugt größer als 1500° C.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist eine Verweilzeit der kohlenstoffhaltigen Gase in dem Hochtemperaturabschnitt größer als 0,1 s, bevorzugt größer als 0,2 s, bevorzugt größer als 0,3 s, bevorzugt größer als 0,4 s und besonders bevorzugt größer als 0,5 s.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Verweilzeit der Gase in dem Hochtemperaturabschnitt geringer als 40 s, bevorzugt geringer als 30 s. bevorzugt geringer als 20 s, bevorzugt geringer als 15 s und besonders bevorzugt geringer als 10 s und bevorzugt geringer als 5 s und bevorzugt geringer als 3 s. Durch diese genau definierten Verweilzeiten kann eine besonders effiziente Spaltung der Kohlenwasserstoffe erreicht werden.

Bevorzugt wird eine Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in dem Hochtemperaturabschnitt gesteuert und insbesondere in Abhängigkeit von wenigstens einem weiteren Prozessparameter gesteuert. Man kann beispielsweise (durch die Ventile) den Durchfluss steuern, aber auch die Anlage entsprechend auslegen (etwa durch eine geeignete Dimensionierung der Rohre) um die gewünschte Verweilzeit zu erreichen).

Diese Steuerung erfolgt bevorzugt durch Ventileinrichtungen, die entsprechend angesteuert werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem weiteren Prozessparameter um eine Temperatur und insbesondere um eine Temperatur der Kohlenwasserstoffgase in dem Hochtemperaturabschnitt und/oder um eine Temperatur des Hochtemperaturabschnitts selbst.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden wenigstens zwei Einrichtungen zum Speichern und/oder Abgabe von thermischer Energie wechselweise betrieben.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei wenigstens einer dieser Vorrichtungen zum Speichern und/oder Abgeben von thermischer Energie um sogenannte Schüttgutgeneratoren. Diese weisen ein Schüttgut auf, welches zum Wärmetausch mit einem weiteren Medium, hier den jeweiligen Gasen, dient.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird als gasförmiger Kohlenwasserstoff Methan (CH4) verwendet. Es hat sich gezeigt, dass Methan besonders gut für die hier beschriebenen Spaltungsprozesse geeignet ist.

Besonders bevorzugt werden die gasförmigen Kohlenwasserstoffe auf Temperaturen von über 1500° C erwärmt und besonders bevorzugt bei dieser Temperatur gespalten.

Bei einem bevorzugten Verfahren werden die vorgewärmten gasförmigen Kohlenwasserstoffe zu dem Hochtemperaturabschnitt gefördert. Dies erfolgt bevorzugt mit Hilfe von Rohrleitungen und durch eine entsprechende Ansteuerung von Ventilen.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird Kohlenstoff abgeschieden und insbesondere Kohlenstoff in Form eines feinen Pulvers abgeschieden. Besonders bevorzugt wird in einer Abscheideeinrichtung, welche nach und/oder zwischen den Hochtemperaturzungen angeordnet ist, Kohlenstoff abgeschieden.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird dem erhitzten Produkt, insbesondere nach einer Entfernung von Kohlenstoff, Sauerstoff zugeführt, insbesondere um dem Produktgas, wie oben erwähnt, weiter und/oder wieder zu erhitzen. Besonders bevorzugt erfolgt diese Zuführung von Sauerstoff nach der oben beschriebenen Abscheideeinrichtung.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird eine Gasmischung, insbesondere eine entstehende Gasmischung, abgekühlt und bevorzugt erfolgt diese Abkühlung, um durch die Verbrennung entstandenes Wasser von Wasserstoff zu trennen. Besonders bevorzugt erfolgt diese Abkühlung in einem Kondensator.

Besonders bevorzugt erfolgt die Abkühlung auf eine Temperatur, die geringer ist als 50°C, besonders vorteilhaft geringer als 20°C. Insbesondere handelt es sich bei der abzukühlenden Gasmischung um eine Mischung aus Wasserstoff und Wasser genauer aus Wasserstoff und Wasserdampf.

Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff durch thermische Spaltung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen gerichtet, welche wenigstens zwei Einrichtungen zur Speicherung und/oder Abgabe thermischer Energie aufweist.

Dabei ist jede dieser zwei Einrichtungen sowohl zu einer Vorwärmung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe als auch zu einer Kühlung eines bei der Spaltung entstehenden Produktgases, insbesondere Wasserstoff, geeignet und bestimmt.

Bevorzugt sind die zwei Einrichtungen zur Speicherung und/oder Abgabe thermischer Energie voneinander getrennt und insbesondere voneinander beabstandet.

Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung wenigstens einen Hochtemperaturabschnitt auf, der mit jeder der Einrichtungen zur Speicherung und/oder Abgabe von thermischer Energie derart in Strömungsverbindung bringbar ist, dass ein von dieser Einrichtung vorgewärmter gasförmiger Kohlenwasserstoff in diesem Hochtemperaturabschnitt weiter erwärmt wird und/oder erwärmbar ist und/oder ein in diesen Hochtemperaturabschnitt gelangendes Pro- duktgas wieder erwärmt wird oder wiedererwärmbar ist, wobei die Vorrichtung eine Erwärmungseinrichtung aufweist, welche die Erwärmung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe in dem Hochtemperaturabschnitt bewirkt.

Wie oben erwähnt, kann es sich bei den Speichereinrichtungen um sogenannte Schüttgutregeneratoren handeln. Bevorzugt weisen die Speichereinrichtung einen Aufnahmeraum auf, der zur Aufnahme eines Schüttguts geeignet und bestimmt ist.

Bevorzugt ist dieser Hochtemperaturabschnitt in einer Strömungsrichtung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe stromabwärts der Erwärmungseinrichtung angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens zwei Hochtemperaturabschnitte auf. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Hochtemperaturabschnitt auf, der in Strömungsverbindung mit beiden Erwärmungseinrichtungen bringbar ist.

Besonders bevorzugt ist der Hochtemperaturabschnitt dazu geeignet und bestimmt, ein Gas und insbesondere die gasförmigen Kohlenwasserstoffe auf eine Temperatur zu erwärmen, die größer ist als 1000 °C, bevorzugt größer als 1100 °C, bevorzugt größer als 1200 °C bevorzugt größer als 1300 °C, bevorzugt größer als 1400 °C und besonders bevorzugt größer als 1500 °C.

Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Abscheideeinrichtung zum Abscheiden von Kohlenstoff aus den erhitzten Kohlenwasserstoffen oder dem Kohlenstoff-Wasserstoff- Gemisch auf, wobei bevorzugt diese Abscheideeinrichtung in Strömungsverbindung mit einem Hochtemperaturabschnitt und bevorzugt mit zwei Hochtemperaturabschnitten bringbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass die Abscheideeinrichtung wenigstens einem Hochtemperaturabschnitt und bevorzugt beiden Hochtemperaturabschnitten (in der Strömungsrichtung der gasförmigen Kohlenwasserstoffe und/oder des Produktgases) nachgeordnet ist. So ist es möglich, dass sich diese Abscheideeinrichtung im Wesentlichen in der Mitte eines in seiner Gesamtheit betrachteten Hochtemperaturabschnitts oder der beiden Hochtemperaturabschnitte befindet. Bevorzugt handelt es sich bei dem Hochtemperaturabschnitt um einen Abschnitt, in dem gasförmigen Kohlenwasserstoffe noch weiter erhitzt werden, insbesondere nachdem diese bereits vorgewärmt in den Hochtemperaturabschnitt gelangen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Erwärmungseinrichtung eine elektrisch betriebene Erwärmungseinheit auf und/oder der Erwärmungseinrichtung weist eine Zuführleitung zum Zuführen von Sauerstoff in den Hochtemperaturabschnitt auf. Bei der zweiten Ausgestaltung kann mit Hilfe dieses Sauerstoffes eine Verbrennung eines Teils des Wasserstoffes erfolgen.

Wie oben beschrieben, werden auf diese Weise zwei Vorgehensweisen vorgeschlagen, um die Kohlenwasserstoffe weiter zu erhitzen und/oder um das Produktgas wieder zu erwärmen, nämlich einerseits ein elektrisches Erwärmungsmittel und andererseits die Zuführung von Sauerstoff, insbesondere um das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu verbrennen und auf diese Weise weitere thermische Energie bzw. Wärme zu erzeugen. Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung auf, welche den Betrieb der Vorrichtung steuert und welche insbesondere bewirkt, dass wechselweise die oben genannten Erwärmungseinrichtungen betrieben werden.

Dies bedeutet, dass in einem bestimmten Zeitabschnitt eine der beiden Erwärmungseinrichtungen die gasförmigen Kohlenwasserstoffe vorwärmt und anschließend das durch den Cracking Prozess entstehende Produktgas weiter erhitzt wird und in diesem Zeitabschnitt die zweite Einrichtung das entstehende Prozessgas, insbesondere Wasserstoff, kühlt. Auf diese Weise kann auch ein kontinuierlicher Betrieb erreicht werden.

In einem weiteren Zeitabschnitt wärmt die andere der beiden Erwärmungseinrichtungen die gasförmigen Kohlenwasserstoffe vor und anschließend werden diese vorgewärmten Kohlenwasserstoffe weiter erhitzt und/oder das entstehende Produktgas wird wieder erhitzt und in diesem weiteren Zeitabschnitt kühlt die zweite Einrichtung das entstehende Prozessgas, insbesondere Wasserstoff. Auf diese Weise kann auch ein kontinuierlicher Betrieb erreicht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hochtemperaturabschnitt derart ausgebildet, dass eine Verweildauer der gasförmigen Kohlenwasserstoffe in diesem Abschnitt größer ist als 0,1 s, bevorzugt größer als 0,2 s, bevorzugt größer als 0,3 s, bevorzugt größer als 0,4 s und bevorzugt größer als 0,5 Sekunden.

Besonders bevorzugt ist der besagte Abschnitt derart ausgebildet, dass eine Verweildauer der gasförmigen Kohlenwasserstoffe in diesem Abschnitt geringer ist als 60 s, bevorzugt geringer als 50 s, bevorzugt geringer als 40 s, bevorzugt geringer als 30 s, bevorzugt geringer als 20 s, bevorzugt geringer als 10 s, bevorzugt geringer als 8 s, bevorzugt geringer als 6 s, bevorzugt geringer als 5 s, bevorzugt geringer als 4 s und bevorzugt geringer als 3 s.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Hochtemperaturabschnitt als Leitung und insbesondere Rohrleitung ausgebildet.

Bevorzugt ist die Rohrleitung aus einem Material hergestellt, welches aus einer Gruppe von Materialen ausgewählt ist, welche Mulit, oder noch besser reines Alumina enthält.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abscheideeinrichtung einen mit einem Schüttgut und insbesondere mit einem keramischen Schüttgut befüllten Aufnahmeraum auf. Auf diese Weise kann auch die Abscheideeinrichtung in der Weise arbeiten, dass das zu reinigende Gas durch diese Abscheideeinrichtung strömt und auf diese Weise Kohlenstoff ausgeschieden bzw. abgeschieden wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abscheideeinrichtung Umlenkmittel auf, welche bewirken, dass einströmendes Gas wenigstens einmal und bevorzugt mehrmals seine Strömungsrichtung bei einem Durchströmen des Schüttguts ändert.

Diese Umlenkmittel können dabei durch das Schüttgut selbst ausgebildet sein.

Es entsteht weiterhin Kohlenstoff durch thermische Spaltung von Methan oder anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffen. So gewonnener Wasserstoff ist deutlich preiswerter als bei der Gewinnung durch die Elektrolyse. Falls man den Kohlenstoff nicht als Brennstoff nutzt, ist dieser Wasserstoff genauso umweltfreundlich und klimaneutral wie der, der durch die Nutzung von erneuerbaren Energien erzeugte H2. Weiter wird vorgeschlagen, anstatt fossile Kohlenwasserstoffe zu spalten, Kohlenstoffe aus Biomasse zu nutzen um so die negative CO2 Emissionen zu erreichen. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird die notwendige Energie um die Reaktionstemperatur (z.B. 1500°C) zu erreichen schon im inneren eines Reaktors gespeichert und weiter für die Überhitzung des Gases genutzt. Die Reaktionswärme wird auch im Inneren des Reaktors, insbesondere direkt in einer Hochtemperaturzone, erzeugt. Dabei gibt es bevorzugt zwei Möglichkeiten diese Warme zu generieren:

- durch Sauerstoff-Eindüsung und Nachverbrennung von einer kleinen Menge Wasserstoffs und/oder anderer Spaltungsprodukte, und/oder

- durch die elektrische Heizung, mit Hochtemperatur-Heizelemente die bevorzugt direkt im Hochtemperaturzone platziert sind.

Auf diese Weise reduziert sich die Energieverbrauch nur auf eine physikalisch notwendige Menge, trotzt der sehr hohen Temperaturen in die Reaktionszone.

Bevorzugt wird für die Speicherung der Hochtemperaturwärme eine Speicherungseinrichtung und bevorzugt wenigstens zwei Speicherungseinrichtungen zu der Überhitzung des Eintrittsgases und zu der Abkühlung des Produktgases genutzt. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen Regenerator und besonders bevorzugt um einen Schüttgutregenerator.

Besonders bevorzugt weist dieser Schüttgutregenerator eine Wärmespeichermasse aus Schüttgut auf, welche innerhalb eines Behältnisses und welche besonders bevorzugt innerhalb zwei zueinander koaxialen zylinderförmigen Rosten angeordnet ist, wie in der Patentschrift DE 42 36 619 02 und EP 0 620 909 B1 beschrieben ist. Der Offenbarungsgehalt dieser zwei Patentschriften wird hiermit durch Bezugnahme vollständig in die hier vorliegende Offenbarung einbezogen.

Bevorzugt umgibt der innere dieser beiden Roste einen heißen Sammelraum für die heißen Gase. Um den äußeren zylinderförmigen Rost ist bevorzugt eine umlaufende Wandung angeordnet und besonders bevorzugt ist zwischen dem äußeren zylinderförmigen Rost und dieser Wandung ein Sammelraum für kalte Gase vorgesehen.

Bei einer weitere bevorzugten Ausführungsform sind axial und/oder vertikal durchströmte Schüttungen vorgesehen, die besonders für kleinere Anlagen vorteilhaft sind. Besonders bevorzugt weist die Wärmespeichermasse eine kugelförmige Schüttung auf, die auch bei sehr hohen Temperaturen bestehen kann. Bevorzugt sind verschiedene keramische oder naturbelassene Werkstoffe vorgesehen, besonders vorteilhaft sind die Kugeln aus Alumina, die bis 1700°C einsetzbar sind und trotzdem ein sehr gutes Preis/Leistungs- Verhältnis haben.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist die Korngröße des Schüttgutes kleiner als 30mm, bevorzugt kleiner als 25mm, bevorzugt kleiner als 20mm und besonders bevorzugt kleiner als 15 mm. Bevorzugt ist die Korngröße des Schüttguts größer als 0,5mm, bevorzugt größer als 2 mm.

Bevorzugt liegen die Reaktionstemperaturen in den Verbindungsrohr zwischen zwei Einrichtungen für die Speicherung und Abgabe thermischer Energie oberhalb 1000°C, besonders vorteilhaft oberhalb 1500°C. Die Länge und Durchmesser des Verbindungsrohrs wird so ausgewählt, dass die Reaktionsvolumen eine vorgegebene Verweilzeit entsprechend der Reaktionstemperatur gewährleistet. Für die Temperatur 1500°C sollte die Verweilzeit mindestens 1 Sekunde betragen. Für noch höhere Temperaturen wird eine kürzere Verweilzeit möglich und umgekehrt, für niedrigere Temperaturen sollte die Verweilzeit deutlich länger sein. Auf diese Weise wird eine ausreichende Zeit für die vollständige Spaltung des Methans gegeben. In einer Testanlage für 2 bis 4 m ³ Vh CH4 wurde bereits eine H2-Ausbeute von mehr als 94% erreicht.

Zwischen den zwei Einrichtungen für die Speicherung und Abgabe thermischer Energie, ist besonders bevorzugt ungefähr in der Mitte eine Verbindungsrohrs - bei einem weiteren bevorzugten Verfahren, eine Vorrichtung zur Kohlenstoffabscheidung angeordnet. Besonders vorteilhaft ist wird diese Vorrichtung mit keramischem Schüttgut, z.B. Alumina, gefüllt.

Wasserstoffhaltiges Gas, welches Rußpartikel enthält, wird, bevorzugt mehrmals, seine Strömungsrichtung ändern und dabei wird der größte Teil des Kohlenstoffs abgeschieden. Dabei bildet sich bevorzugt ein Filterkuchen, der dann noch effektiver den Kohlenstoff filtriert. Diese Vorrichtung wird bevorzugt kontinuierlich oder periodisch nach einer gewissen Zeit entleert. Durch Auswechselung dieser Schüttung mit abgelagerten Kohlenstoffstaub wird bevorzugt verhindert, dass eine größere Ansammlung entsteht und so wird ein zu großer Druckverlust vermeiden.

Bei dem Verfahren kann es zu einer Abscheidung von Kohlenstoff kommen, der nicht hundertprozentig entfernen kann. Dabei kann sich eine kleinere Menge des Kohlenstoffs in den höheren Bereichen die Schüttungen in den Einrichtungen für die Speicherung und Abgabe der thermischen Energie sammeln. Bei einem bevorzugten Verfahren wird diese Schüttung auch periodisch umgelaufen und/oder umgewälzt um dabei den abgelagerten Ruß zu entfernen, so dass eine größere Ansammlung an Kohlenstoff verhindert werden.

Diese Ansammlungen von Kohlenstoff an Schüttungen und in der Vorrichtung für die Kohlenstoffabscheidung dienen bevorzugt gleichzeitig als Katalysator für die Spaltungsreaktionen. Deswegen sollte bei einem bevorzugten Verfahren diese Entleerung des Kohlenstoffs nicht zu intensiv sein. Es ist vorteilhaft, stets eine kleine Menge Ruß in der Anlage zu belassen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff eine Trennwand auf, welche wenigstens einen Teil eines Innenraums der Vorrichtung in zwei Teilräume unterteilt. Bevorzugt ist die Trennwand derart ausgebildet, bzw. endet im Inneren der Vorrichtung derart, dass die beiden Teilräume unterhalb der Trennwand miteinander verbunden sind.

Bevorzugt weist die Vorrichtung eine erste Zuführeinrichtung auf, um der Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff Schüttgut zuzuführen. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine zweite Zuführeinrichtung auf, um der Vorrichtung zur Abführung von Kohlenstoff Schüttgut zuzuführen.

Bevorzugt sind die erste Zuführeinrichtung und die zweite Zuführeinrichtung getrennt voneinander betreibbar. Bevorzugt sind die erste Zuführeinrichtung und die zweite Zuführeinrichtung voneinander getrennt.

Bevorzugt mündet die erste Zuführeinrichtung in einen ersten Teilraum der Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff und die zweite Zuführeinrichtung ein einen ersten Teilraum der Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff.

Bevorzugt weist die Vorrichtung eine erste Abführeinrichtung auf, um von der Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff Schüttgut abzuführen. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine zweite Abführeinrichtung auf, um der Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlenstoff Schüttgut abzuführen.

Bevorzugt sind die erste Abführeinrichtung und die zweite Abführeinrichtung getrennt voneinander betreibbar. Bevorzugt sind die erste Abführeinrichtung und die zweite Abführeinrichtung voneinander getrennt.

Bevorzugt weist wenigstens eine Zuführeinrichtung und/oder wenigstens eine Abführeinrichtung und bevorzugt mehrere und bevorzugt alle Zuführeinrichtungen und Abführeinrichtungen eine Ventileinrichtung auf, welche einen Durchfluss von Schüttgut steuert.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird Sauerstoff für die Erzeugung der verbrauchten Reaktionswärme erstmals nach der Vorrichtung für die Kohlenstoffpartikel eingeblasen, so dass bevorzugt die Nachverbrennung fast ausschließlich mit einem Teil des erzeugten Wasserstoffs stattfindet, bzw. so dass kein CO oder CO2 entsteht.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass statt mit dem Sauerstoff oder zusätzlich zu dem Sauerstoff die notwendige Reaktionswärme durch elektrische Energie entsteht. Die entsprechende Hochtemperatur-Heizungselemente werden bevorzugt in dem Reaktionsraum von wenigstens einer Seite her und bevorzugt von beiden Seiten her an der Vorrichtung für die Kohlenstoffabscheidung angeordnet.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren nutzt man einen Kondensator um aus dem Produktgas, welches viel Wasserstoff enthält, den enthaltenen Wasserdampf zu entfernen. Dieser Wasserdampf entsteht durch Oxidation des Wasserstoffs, insbesondere, falls man den Sauerstoff für die Gewinnung der Reaktionswärme nutzt. Das Kondensat aus dem Kondensator enthält auch eine kleine Menge Rußpartikel und kann bevorzugt genutzt werden um den Ruß aus der Anlage zu pelletieren. Falls man dieses Wasser nach der Filtrierung nicht benötig kann es abgeführt werden. Das erzeugte Wasserstoff kann weitere sehr feine Kohlenstoffpartikel enthalten. Deswegen ist vorteilhaft ein Feinpartikelfilter nach der Anlage vorgesehen. Falls man einen sehr reinen Wasserstoff braucht, z. B. für die Anwendung in Brennstoffzellen oder in Carbonfasern, kann man auch eine PSA oder Membrantechnologie Anlage vorsehen, um die eventuell vorhandenen Gase, wie Methan, CO, CO2 oder H2O vollständig zu entfernen.

Die Patentanmeldung wird im Detail unter Bezugnahme auf die Beschreibung und die Figuren 1 bis 3 beschrieben. Darin zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit Erzeugung der notwendigen Reaktionswärme im Inneren des Reaktionsraums durch Sauerstoff- Eindüsung, gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein Verfahrensschema gemäß der Erfindung, wobei die notwendige Reaktionswärme durch elektrische Heizung in Inneren des Reaktionsraum erzeugt wird; und

Figur 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung für die Abscheidung von Kohlenstoff.

Gemäß der in den Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Darstellungen vorliegenden Erfindung zur Spaltung des Methans in Wasserstoff und Kohlenstoff, werden wechselweise mindestens zwei Einrichtungen 1 , 2 zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie verwendet, wobei die gasförmigen Kohlenwasserstoffe und insbesondere das Methan durch eine und der gewonnene Wasserstoff durch die zweite Einrichtung strömt.

Die Umschaltorgane, die Wechseln der Strömungsrichtung durch die Anlage verursachen, sind ebenso gezeichnet. Hierbei handelt es sich um die Ventile 12, 11 , 21 und 22. In Fig. 1 sind die geschlossenen Ventile schwarz dargestellt und die geöffneten Ventile ohne schwarze Füllung. Damit wird bei der in Fig. 1 gezeigten Situation die Einrichtung 1 verwendet um hier Methan zu erwärmen bzw. vorzuerwärmen und die Einrichtung 2 dazu, um entstehendes Produktgas, insbesondere eine Mischung aus Wasserstoff und etwa Wasser abzukühlen. Die Bezugszeichen 31 , 32, 33 und 34 kennzeichnen Messeinrichtungen, welche Zustände der Kohlenwasserstoffe messen. So kann es sich bei den Messeinrichtungen 31 und 32 um Temperaturmesseinrichtungen handeln, welche eine Temperatur der Kohlenwasserstoffe in der Einrichtung 1 sowie der Einrichtung 2 messen und bei den Messeinrichtung 33 und 34 um Druckmesseinrichtungen.

Das Bezugszeichen 36 und das Bezugszeichen 35 kennzeichnet jeweils eine Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung einer Temperatur der Kohlenwasserstoffe in einem Hochtemperaturabschnitt 4.

Figur 1 zeigt ein Verfahrensschema und die Anordnung der Vorrichtungen wobei beispielhaft das Methan (oder einen anderen gasförmiger Kohlenwasserstoff) durch das geöffnete Ventil 11 in die erste Einrichtung 1 gelangt. Dort heizt sich das Methan von den Eintrittstemperatur (z.B. 20°C) auf Reaktionstemperatur (z.B. 1500°C) durch die Wärme, die in vorherigem Zyklus gespeichert war.

Das vorgewärmte Methan gelangt in eine Hochtemperatur-Verbindungsrohr 4 zwischen Einrichtungen 1 und 2.

Dort entsteht eine sehr intensive Methanspaltung und es ergibt sich ein entsprechender Temperaturabfall. In dem Hochtemperatur Verbindungsrohr 4 nach dem Kohlenstoffabscheider 5 in der Strömungsrichtung steigt die Temperatur wieder, wegen der Sauerstoffeindüsung und der Oxidation eines Teils der vorher entstandenen Wasserstoffs.

Wegen der sehr hohen Temperaturen beginnt sofort eine intensive Spaltung und es entstehen Wasserstoff und Kohlenstoff. In der Mitte der Leitung 4, zwischen den Einrichtungen 1 und 2, ist eine zusätzliche Einrichtung 5 für die Entfernung des entstandenen Kohlenstoffes, vorgesehen.

Nach der Einrichtung 5 in Richtung der Einrichtung 2 strömendes Gas enthält praktisch keinen Kohlenstoff mehr, nur noch die feinen Rußpartikel. Wegen der endothermen Crackingreaktion sinkt die Temperatur des Gases deutlich. Um diese Temperaturverluste auszugleichen, düst man den Sauerstoff durch die Leitung 7 ein. Dieser Sauerstoff reagiert meistens mit Wasserstoff, da die Methanspaltung praktisch schon abgeschlossen ist, und die Temperatur des Gases steigt wieder.

Mit dem Kontrollventil 71 regelt man, dass am Eintritt in die Einrichtung 2 wieder die gleiche Reaktionstemperatur herrscht. Der Massendurchfluss des Gasmischung H2+H2O ist, wegen Abscheidung von Kohlenstoff, niedriger als der von Methan am Anlageeintritt. Die Austrittstemperatur am Ventil 22 und durch die Leitung 8 ist um ca. 5 bis 200K höher.

Um Wasserdampf zu kondensieren und das Kondensat zu entfernen, ist bevorzugt ein Kon¬ensator 9 und/oder eine Drainage 101 vorgesehen. Durch die Leitung 100 tritt der fast reine Wasserstoff aus. Falls eine Reinheit wie für die Brennstoffzelle gewünscht ist, werden bevorzugt in einem optionalen nachgeschalteten Partikelfilter die restlichen Rußpartikel entfernt.

Daneben ist optional eine Separationsanlage (PSA oder Membrantechnologie) vorgesehen, um die eventuell noch immer vorhandenen Gase wie CH4, CO, CO2 oder H2O zu entfernen.

Nach einen vorgegebenen Zeitintervall ändern die Umschaltorgane 11 , 12, 21 und 22 ihre Position und das Gas strömt von Einrichtung 2 in Richtung Einrichtung 1. Das Kontrollventil 71 schließt und die Sauerstoffeindüsung erfolgt durch die Leitung 6 und das Kontrollventil 61.

Figur 2 zeigt eine Alternative, bei welcher die verbrauchte Reaktionswärme nicht durch die Wasserstoffverbrennung mit dem eingedüsten Sauerstoff, sondern durch die elektrische Energie in das System eingebracht wird. Wie in vorherigen Fall, gelangt das Methan (oder ein anderer gasförmiger Kohlenwasserstoff) durch das geöffnete Ventil 11 in die erste Ein- richtung 1.

Dort heizt sich das Methan von den Eintrittstemperatur (z.B. 20°C) auf Reaktionstemperatur (z.B. 1500°C) durch die Wärme, die in vorherigem Zyklus gespeichert war, auf. Das vorgewärmte Methan gelangt in eine Hochtemperatur-Verbindungsrohr 4 zwischen den Einrich- tungen 1 und 2. Wegen sehr hohen Temperaturen beginnt sofort eine intensive Spaltung und entstehen Wasserstoff und Kohlenstoff.

In der Mitte der Leitung 4, zwischen den Einrichtungen 1 und 2, ist wieder eine zusätzliche Einrichtung 5 für die Entfernung des entstandenen Kohlenstoffs vorgesehen. Gas, das nach der Vorrichtung 5 in die Einrichtung 2 strömt, enthält praktisch keinen Kohlenstoff mehr, nur noch die feinen Rußpartikel. Wegen die endotherme Crackingreaktion, werden die Temperatur des Gases deutlich gesenkt. Um diese Temperaturverluste auszugleichen, heizt man das Gas mit einem elektrischen Heizer 81 nach der Einrichtung 1 und weiter mit einem elektrischen Heizer 82 vor der Einrichtung 2.

Die Leistung dieser Heizer ist durch die entsprechenden Temperaturmessungen kontrolliert, so dass man praktisch konstante Reaktionstemperatur (z.B. 1500°C) in ganzem Rohr 4 erhält. Die Heizer 81 und 82 sind bevorzugt direkt in dem Gasrohr integriert.

Dabei entsteht kein Wasserdampf und keine Kohlenstoffoxide, was sehr vorteilhaft für den weiteren Prozess ist. Nachteilig ist, dass der Massendurchfluss des Gases (in diesem Fall nur H2), wegen Abscheidung von Kohlenstoff, noch niedriger ist als der von Methan am Anlageeintritt.

Die Austrittstemperatur am Ventil 22 und durch die Leitung 8 steigt um mehr als ca. 5 bis 200K. Hier entfällt bevorzugt der Wasserdampfkondensator, sowie die Drainage. Durch die Leitung 100 tritt der reine Wasserstoff aus.

Falls eine Reinheit wie für die Brennstoffzelle gewünscht ist, kann man in einem nachgeschalteten Partikelfilter die restlichen Rußpartikel entfernen. Nach einen gewiesenen Zeitintervall, ändern die Umschaltorgane 11 , 12, 21 und 22 ihre Position und das Gas strömt von Einrichtung 2 in die Einrichtung 1.

Statt nur zwei Schüttgutregeneratoren 1 und 2 einzusetzen, kann man 3 oder mehrere Schüttgutregeneratoren nutzen um einen besonders gleichmäßigen Betrieb zu erreichen und eine Spülphase bei der Umschaltung zu integrieren.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 5 für die Abscheidung der Kohlenstoffpartikel, die durch die Hochtemperaturleitung 4, gemischt mit dem Wasserstoff, ankommen. Die Vorrichtung 5 wird mit einem - bevorzugt keramischen - Schüttgut 55 gefüllt.

Das Bezugszeichen 50 kennzeichnet einen im Inneren der Vorrichtung ausgebildeten Aufnahmeraum zum Aufnehmen des Schüttguts. Das Bezugszeichen 57 bezieht sich auf eine Trennwand, welche in einem oberen Bereich den Aufnahmeraum der Vorrichtung in zwei Teilräume unterteilt.

Die Schüttung ragt leicht über das untere Ende den Trennwand 57 hinaus. Auf diese Weise wird das einströmende Gas gezwungen durch die beiden Hälften des Schüttgutsraums zu fließen.

Dabei setzen sich die Kohlenstoffpartikel ab, die meisten sofort an der Oberfläche des Schuttgutes, und bilden dort einen sogenannten Filterkuchen 56. Der Filterkuchen 56 intensiviert weitere Abscheidung der Kohlenstoffpartikeln und agiert bevorzugt katalytisch für die weitere Spaltung eventuell noch vorhandenen Methan-Moleküle.

Die Kohlenstoffpartikel bilden eine sehr poröse und durchlässige Struktur, die wenig Druckverlust erzeugt. Deswegen wird auch bei der umgekehrten Strömungsrichtung, von unten nach oben, der Filterkuchen nicht zerstört und der größte Teil der Partikel bleib dort.

Falls die Schicht von Kohlepartikel 56 sehr hoch geworden wird, muss man die Abscheider 5 lehren. Dafür öffnet man bevorzugt das Schüttgut Ventil (oder Schleuse) 52 bis der ganzen linken Teil leer wird. Dann wird das Ventil 52 wieder geschlossen und öffnet das obere Ventil 51 geöffnet, um die neue Menge Schüttgutes einzulassen und den linken Teil wieder aufzufüllen.

Dies kann während des Betriebs der Anlage erfolgen, da die rechte Hälfte noch immer vorhanden ist und diese für eine kurze Zeit allein für Abscheidung agieren kann. Etwas zeitlich versetzt, werden die gleichen Prozedere auch mit dem rechten Teil des Abscheiders, durch die Betätigung der Ventile 54 und 53 durchgeführt.

Die Anmelderin behält sich vor sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombi- nation mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.

Bezugszeichenliste

1 Erste Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

2 Zweite Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

3 eventuelle dritte Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

4 Hochtemperatur Leitung

5 Vorrichtung für die Abscheidung von Kohlenstoff

6 erstes Rohr für die Eindüsung von Sauerstoff

7 zweites Rohr für die Eindüsung von Sauerstoff

8 Austrittsleitung

9 Kondensator

11 Umschaltorgan am Eintritt der ersten Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

12 Umschaltorgan am Austritt der ersten Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

21 Umschaltorgan am Eintritt der zweiten Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

22 Umschaltorgan am Austritt der zweiten Einrichtung zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie

51-54 Schüttgutventil / Schleuse

55 Schüttgut im Kohleabscheider

56 abgelagerte Kohlepartikel

57 Trennwand

61 erstes Regelventil für Sauerstoff

62 zweites Regelventil für Sauerstoff

81 erster elektrischer Heizer

82 zweiter elektrischer Heizer

83 erste elektrische Kontrolleinheit

84 zweite elektrische Kontrolleinheit

100 Austrittsleitung des Wasserstoffs

101 Kondensatdrainage