Verfahren und Anlage zur Bereitstellung von gasförmigem Drucksauerstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Bereitstellung von gasförmigem Drucksauerstoff, insbesondere unter Einsatz einer Elektrolyse.

Hintergrund der Erfindung

Sauerstoff kann durch Wasserelektrolyse hergestellt werden, insbesondere als weiteres Produkt neben Wasserstoff. Zur Wasserelektrolyse wird auf einschlägige Fachliteratur, beispielsweise auf den Artikel „Hydrogen“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a13_297, insbesondere Abschnitt 4.2, „Electrolysis“, verwiesen.

In bestimmten Elektrolyseprozessen fällt Sauerstoff bei der Wasserelektrolyse auf einem geringeren Druck als gewünscht an. Viele Anwendungen benötigen Sauerstoff beispielsweise auf einem Druck von 30 oder 60 bar (abs.), weshalb Sauerstoff in diesen Fällen verdichtet werden muss. Die Verdichtung erfordert wiederum typischerweise eine Entfernung von Wasser.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Verdichtung von Sauerstoff, insbesondere von wasserhaltigem Sauerstoff aus einer Wasserelektrolyse, gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von gasförmigem Drucksauerstoff, insbesondere unter Einsatz einer Elektrolyse, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche und die nachfolgende Beschreibung geben Ausgestaltungen an.

Bei der klassischen Wasserelektrolyse wird eine wässrige alkalische Lösung, typischerweise von Kaliumhydroxid, als Elektrolyt verwendet (AEL, Alkalische Elektrolyse). Die Elektrolyse, die mit einer uni- oder bipolaren Elektrodenanordnung durchgeführt wird, erfolgt dabei bei Atmosphärendruck oder im industriellen Maßstab auch deutlich darüber. In entsprechenden Fällen kann ggf. auch auf eine anschließende Verdichtung verzichtet werden.

Neuere Entwicklungen bei der Wasserelektrolyse umfassen die Verwendung von protonenleitenden lonenaustauschmembranen (SPE, Solid Polymer Electrolysis; PEM, Proton Exchange Membranes), bei der das zu elektrolysierende Wasser an der Anodenseite bereitgestellt wird. Auch Elektrolysetechnologien unter Verwendung einer Anionenaustauschermembran (AEM, Anion Exchange Membrane) werden eingesetzt. In derartigen Verfahren, insbesondere der PEM, fällt Sauerstoff mit einem geringeren Druck an und muss daher, wie eingangs erwähnt, verdichtet werden, wenn er auf einem entsprechenden höheren Druck benötigt wird.

Die bisher genannten Verfahren der Wasserelektrolyse zählen zu den Niedertemperaturverfahren, bei denen das zu elektrolysierende Wasser in der Flüssigphase vorliegt. Daneben wird auch die sogenannte Dampfelektrolyse eingesetzt, die ebenfalls mit alkalischen Elektrolyten (also als AEL) mit angepassten Membranen, beispielsweise Polysulfonmembranen, sowie unter Verwendung von Festoxidelektrolysezellen (SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cells) durchgeführt werden können. Letztere umfassen insbesondere dotiertes Zirkondioxid oder Oxide anderer seltener Erden, die bei mehr hohen Temperaturen leitfähig werden.

Der Begriff der Elektrolyse soll nachfolgend sämtliche dieser Verfahren umfassen. Insbesondere die Niedertemperaturelektrolyse (PEM, AEL, AEM) eignet sich für einen flexiblen Betrieb, der den Energieübergang zu erneuerbaren Energien unterstützt. Sämtliche Verfahren können in Ausgestaltungen der Erfindung eingesetzt werden.

Bei der Wasserelektrolyse wird Sauerstoff typischerweise mit einem gewissen (Rest-) Wassergehalt gebildet, der produzierte Sauerstoff wassergesättigt vorliegt (abhängig von Temperatur, Druck). Eine weitere Quelle von Wasser kann sich auch aus einer katalytischen Umsetzung von (Rest-) Wasserstoff ergeben. Nachfolgend soll daher unter dem Begriff „Sauerstoff“ nicht nur reiner Sauerstoff, sondern auch ein an Sauerstoff reiches Gasgemisch mit einem Sauerstoffgehalt von beispielsweise mehr als 90%, 95% oder 99% und insbesondere mit einem Wassergehalt von typischerweise 1% bis 5% oder mehr verstanden werden. Wie schon erwähnt ist der Sauerstoff wassergesättigt und damit der Wassergehalt im Sauerstoff druck- und temperaturabhängig. Der Wassergehalt kann daher mittels gängigen Berechnungsmethoden festgestellt werden. Alle zuvor und nachfolgend verwendeten Prozentangaben bezeichnen Masse-, Volumen- oder Molprozent.

Grundsätzlich sind Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Bearbeitung von Elektrolysesauerstoff aus einer Wasserelektrolyse beschränkt, sondern können mit Sauerstoff, insbesondere der soeben genannten Zusammensetzung, aus allen denkbaren Quellen verwendet werden.

Die Verdichtung des Sauerstoffs kann, wie auch in Ausgestaltungen der Erfindung möglich, mit Sauerstoffverdichtern (z.B. Kolbenverdichtern) erfolgen, die aber nur mit im Wesentlichen wasserfreiem Feedgas betrieben werden können. Eine, wie auch in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung mögliche, kryogene Verflüssigung, Aufreinigung oder Verdichtung benötigt ebenfalls wasserfreies Feedgas, da Wasser gefrieren und die verwendeten Wärmetauscher blockieren könnte. Herkömmliche Verfahren weisen dabei den Nachteil auf, dass die eingesetzten Trocknungsverfahren die Sauerstoffausbeute stark reduzieren.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Hochdrucksauerstoff unter Verwendung von Wasser enthaltendem, gasförmigem Niederdrucksauerstoff vor, bei dem der Niederdrucksauerstoff einer Trocknung und anschließend einer Druckerhöhung unterworfen wird, wobei die Trocknung einen Adsorptionsschritt umfasst, der insbesondere als Temperatur- oder Druckwechseladsorption ausgeführt werden kann. Hierbei ist vorgesehen, dass in der Adsorption ein Regeneriergas eingesetzt wird, das unter Verwendung von Sauerstoff bereitgestellt wird, der unter Einsatz der Druckerhöhung und unter Verwendung zumindest eines Teils des Niederdrucksauerstoffs bereitgestellt wird. Das Regeneriergas kann nach seiner Verwendung in dem Adsorptionsschritt, bei dem es mit Wasser beladen wurde, in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere stromauf der Trocknung anschließend wieder in das Verfahren zurückgeführt werden.

Der Begriff „Regeneriergas“ soll hier ein Gas bezeichnen, das in einer Regeneration eines in einer Adsorptionsanlage bzw. einem Adsorptionsschritt verwendeten Adsorbens eingesetzt wird. Bei einer Temperaturwechseladsorption handelt es sich hierbei um ein Gas oder Gasgemisch, das mit erhöhter Temperatur über das beladene Adsorbens geleitet wird und die desorbierenden Komponenten aufnimmt. Bei einer Druckwechseladsorption handelt es sich um das Gas oder Gasgemisch, mittels dessen nach der zur Regeneration erfolgten Druckreduktion die desorbierten Komponenten aus dem Adsorbens ausgespült werden. Die Zusammensetzung nach einer entsprechenden Verwendung kann in beiden Fällen ähnlich oder identisch sein.

Insbesondere kann dabei eine Vereinigung mit frischem, wasserhaltigem Sauerstoff erfolgen. Hierbei kann stromauf der Trocknung und stromab oder stromauf der Vereinigung eine kondensative Wasserabscheidung erfolgen, stromauf derer insbesondere eine Kühlung erfolgen kann. Die kondensative Wasserabscheidung stromauf der Vereinigung kann insbesondere dann erfolgen, wenn keine Wasserstoffentfernung vorgenommen wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, nur das Regeneriergas abzukühlen und dann in einem Wasserabscheider das Wasser zu entfernen. Insbesondere durch diese Rückführung kann in Ausgestaltungen der Erfindung die Sauerstoffausbeute erhöht werden. Abgeschiedenes Wasser kann beispielsweise wieder in einer Elektrolyse, falls verwendet, eingesetzt werden. Ausgestaltungen der Erfindung schaffen eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kostengünstigere Option zur Herstellung von (Hoch-) Drucksauerstoff, insbesondere aus einer Elektrolyse.

Ausgestaltungen der Erfindung können insbesondere umfassen, dass die Regeneration unter höheren Druck vorgenommen wird als die Adsorption in dem Adsorptionsschritt. Das Regeneriergas kann insbesondere erhitzt werden. Um eine Anreicherung von beispielsweise Kohlendioxid oder anderen Gasen im Kreislauf zu vermeiden, kann insbesondere auch eine teilweise Abblasung bzw. Ausschleusung aus dem Verfahren („Purge“) vorgenommen werden.

In Ausgestaltungen der Erfindung kann daher ein mit Wasser beladenes Regeneriergas, das in einer Regenerierung in dem Adsorptionsschritt gebildet wird, damit unter Erhalt einer wässrigen Kondensatfraktion einer Kondensation unterworfen werden, wobei insbesondere eine Wasserkühlung zum Einsatz kommen kann. Allgemeiner ausgedrückt kann in dem Regeneriergas nach seiner Verwendung in dem Adsorptionsschritt enthaltenes Wasser zumindest zum Teil in das Verfahren zurückgeführt werden.

Die Kondensatfraktion kann in Ausgestaltungen der Erfindung ohne Aufbereitung oder nach einer Aufbereitung beispielsweise einer Wasserelektrolyse zugeführt werden, unter Verwendung derer der Niederdrucksauerstoff gebildet wird. Eine Aufbereitung kann in einer Ausgestaltung der Erfindung insbesondere ein thermisches Austreiben von Gasen, insbesondere Argon und/oder Kohlendioxid, aus dem Wasser umfassen, der auch der Elektrolyse zugeführtes Frischwasser unterworfen wird. Hierbei kann beispielsweise ein Gehalt von 5 bis 10 ppm Argon in dem Frischwasser auf einen Gehalt von weniger als 1 ppm, insbesondere von weniger als 10 oder 1 ppb, weiter insbesondere weniger als 0,1 ppb, reduziert werden.

Zu der Aufbereitung kann auch, wie bei einer Elektrolyse mit Protonenaustauschmembran üblich, eine Entmineralisierung vorgesetzt werden, welche störende Ionen entfernt, die insbesondere durch eingesetzte Materialien in der Sauerstoffaufbereitung eingesetzt werden, entstehen können.

In Ausgestaltungen der Erfindung wird der Niederdrucksauerstoff auf einem Druck in einem ersten Druckbereich bereitgestellt, der Hochdrucksauerstoff wird auf einem Druck in einem zweiten Druckbereich oberhalb des ersten Druckbereichs bereitgestellt, und der Sauerstoff, der zur Bildung des Regeneriergases verwendet wird, wird unter Einsatz der Druckerhöhung auf einem Druck in einem dritten Druckbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich oder in dem zweiten Druckbereich bereitgestellt. Der Druck in dem ersten Druckbereich entspricht insbesondere dem Druck der Adsorption in dem Adsorptionsschritt, der Druck in dem dritten Druckbereich insbesondere dem Druck der Regeneration, wie erläutert.

Der Fachmann wählt die Druckbereiche dabei in geeigneter Weise aus. Der Druckbereich für die Regenerierung, also der dritte Druckbereich, liegt dabei oberhalb des Druckes des zu regenerierenden Sauerstoffs, also des Drucks in dem ersten Druckbereich, und wird so eingestellt, dass der beladene Regeneriergasstrom genügend Druck hat, um zurückgeführt zu werden. Er liegt dabei mindestens 200 mbar oberhalb des ersten Druckbereichs. In Ausgestaltungen der Erfindung kann zumindest ein Teil des Sauerstoffs, der zur Bildung des Regeneriergases verwendet wird, der Druckerhöhung auf dem Druck in einem dritten Druckbereich entnommen werden, oder zumindest ein Teil des Sauerstoffs, der zur Bildung des Regeneriergases verwendet wird, der Druckerhöhung auf einem Druck in einem vierten Druckbereich oberhalb des dritten Druckbereichs entnommen und auf den Druck in dem dritten Druckbereich entspannt werden.

In einer ersten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die Druckerhöhung oberhalb von 0 °C und unter Verwendung mehrerer Verdichter oder Verdichterstufen durchgeführt werden, insbesondere mehrerer Turboverdichter oder Turboverdichterstufen oder Kolbenverdichter oder Kolbenverdichterstufen.

Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen eine vorteilhafte Reduzierung des Wassergehalts, die für eine Verdichtung in derartigen Verdichtern oder Verdichterstufen erforderlich ist.

In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die zur erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen zählen, kann zumindest ein Teil des Sauerstoffs, der zur Bildung des Regeneriergases verwendet wird, der Druckerhöhung zwischen zwei der Verdichter oder Verdichterstufen entnommen werden. Insbesondere kann dabei eine Entnahme, und, bei Bedarf, ein Abdrosseln auf einen geeigneten Druck erfolgen. Eine Entnahme kann insbesondere stromauf und/oder stromab eines zwischen den zwei Verdichterstufen bereitgestellten Zwischenkühlers erfolgen. Insbesondere bei einem Einsatz einer Temperaturwechseladsorption in dem Adsorptionsschritt ist ein warmer Abzug zwischen Verdichterstufen (vor dem Zwischenkühler) vorteilhaft, weil auf diese Weise die Verdichtungswärme für die Regeneration genutzt und der Regenerierenergiebedarf verringert werden kann. Ein Abzug stromab eines Zwischenkühlers kann erfolgen, um damit einen Regeneriergasstrom für einen Kühlschritt in der Temperaturwechseladsorption zu bilden. Das Regeneriergas kann also insbesondere während einer Heizphase in dem Adsorptionsschritt stromauf des Zwischenkühlers und während der Kühlphase in dem Adsorptionsschritt stromab des Zwischenkühlers entnommen werden.

In einer zweiten Gruppe von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die Druckerhöhung dagegen ein kryogenes Verflüssigen zumindest eines Teils des der Trocknung und anschließend der Druckerhöhung unterworfenen Niederdrucksauerstoffs unter Erhalt einer kryogenen Flüssigkeit, ein Druckbeaufschlagen zumindest eines Teils der kryogenen Flüssigkeit in flüssigem Zustand unter Erhalt einer druckbeaufschlagten, kryogenen Flüssigkeit, und ein Überführen zumindest eines Teils der kryogenen und druckbeaufschlagten kryogenen Flüssigkeit in den gasförmigen oder überkritischen Zustand umfassen. Die Druckerhöhung kann dabei insbesondere vergleichbar mit einer „Innenverdichtung“ erfolgen, wie sie grundsätzlich aus dem Bereich der kryogenen Luftzerlegung bekannt ist. Die Innenverdichtung ist z.B. bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006 in Abschnitt 2.2.5.2, „Internal Compression", erläutert. Sie bietet insbesondere sicherheitstechnische Vorteile. Die Druckerhöhung kann dabei mittels Pumpe oder sogenannten Runtanks, d.h. mittels Druckaufbauverdampfung erfolgen, wie insbesondere in der WO 2021/129948 A1 beschrieben.

In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die zur erwähnten zweiten Gruppe von Ausgestaltungen zählen, kann das kryogene Verflüssigen insbesondere unter Verwendung eines mit einem Stickstoffkältekreislauf betriebenen Wärmetauschers vorgenommen werden. Hierbei kann beispielsweise auf vorhandenen oder extern bereitgestellten Stickstoff zurückgegriffen werden.

In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die zur erwähnten ersten Gruppe von Ausgestaltungen zählen, können ein Teil der druckbeaufschlagten kryogenen Flüssigkeit und zumindest ein Teil des Sauerstoffs, der zur Bildung des Regeneriergases verwendet wird, in dem Wärmetauscher erwärmt werden. Auf diese Weise ist eine besonders vorteilhafte Wärmerückgewinnung möglich.

Wenngleich zuvor von einer ersten und einer zweiten Gruppe von Ausgestaltungen die Rede war, versteht sich, dass die Ausgestaltungen und Teilaspekte hiervon jeweils auch miteinander kombiniert werden können.

Ausgestaltungen der Erfindung können ein Zwischenspeichern der kryogenen Flüssigkeit in einem Flüssigspeicher umfassen, die insbesondere in bestimmten Betriebsmodi vorgenommen werden kann. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Anpassung an das jeweilige Stromangebot und den jeweiligen Strompreis möglich. So kann beispielsweise in einem ersten Betriebsmodus bei niedrigem Energiepreis in einer Elektrolyse ein Überschuss an Sauerstoff erzeugt werden und dieser Überschuss und/oder auch Flüssigstickstoff können in einem Tank gespeichert werden. In einem zweiten Betriebsmodus wird hingegen so viel Sauerstoff erzeugt, dass dessen Menge den Bedarf an Hochdrucksauerstoff deckt und nicht übersteigt. Es erfolgt keine Speicherung in und keine Entnahme aus dem Tank. In einem dritten Betriebsmodus in Zeiten hoher Strompreise kann dagegen eine geringere Menge Sauerstoff oder kein Sauerstoff durch Elektrolyse gebildet werden und stattdessen der Bedarf an Hochdrucksauerstoff zumindest teilweise aus dem Flüssigspeicher gedeckt werden. Insbesondere kann bei Nutzung von Flüssigstickstoff ein Gasspeicher verwendet werden.

In allen erläuterten Ausgestaltungen kann der Niederdrucksauerstoff unter Verwendung von Elektrolysesauerstoff bereitgestellt werden, der unter Einsatz einer Elektrolyse bereitgestellt wird. Zumindest ein Teil des Elektrolysesauerstoffs kann dabei als Wasserstoff enthaltender Elektrolysesauerstoff bereitgestellt werden, wobei der Wasserstoff zumindest zum Teil unter Verwendung einer katalytischen Wasserstoffentfernung, der eine Kühlung und Wasserabscheidung nachgeschaltet ist, zu Wasser umgesetzt wird, und wobei das (nach der Wasserabscheidung noch vorhandene) Wasser zumindest zum Teil in der Trocknung entfernt wird. Der katalytischen Wasserstoffentfernung kann insbesondere ein Wärmetauscher vorgeschaltet sein, welcher den Niederdrucksauerstoff auf eine Temperatur erwärmt, die mindestens 15 °C oberhalb des Taupunktes liegt, und der insbesondere überwiegend oder ausschließlich durch Strom angetrieben wird. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Verwendung mit entsprechenden Elektrolyseverfahren, da der Sauerstoff hier als wasserhaltiger Sauerstoff gebildet wird. Besondere Vorteile ergeben sich aus den erläuterten Gründen in Verbindung mit einer Elektrolyse, die unter Verwendung einer Protonenaustauschmembran durchgeführt wird.

Eine Anlage zur Bereitstellung von Hochdrucksauerstoff unter Verwendung von Wasser enthaltendem Niederdrucksauerstoff, die dafür eingerichtet ist, den Niederdrucksauerstoff einer Trocknung und anschließend einer Druckerhöhung zu unterwerfen und die Trocknung unter Verwendung eines Adsorptionsschritts durchzuführen, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Diese Anlage ist dafür eingerichtet, in der dem Adsorptionsschritt ein Regeneriergas einzusetzen, das Regeneriergas unter Verwendung von Sauerstoff zu bilden, und den zur Bildung des Regeneriergases verwendeten Sauerstoff unter Einsatz der Druckerhöhung und unter Verwendung zumindest eines Teils des Niederdrucksauerstoffs bereitzustellen.

Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgesehenen Anlage und Ausgestaltungen hiervon sei auf die obigen, zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausgestaltungen erläuterten Merkmale und Vorteile ausdrücklich verwiesen. Dies gilt auch für eine Anlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens ausgestaltet ist, wie es zuvor erläutert wurde, bzw. einer entsprechenden Ausgestaltung hiervon.

In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem Adsorptionsschritt, insbesondere einer Temperaturwechseladsorption, eine Kühlung, v.a. mit einen Kältemedium, dass kälter als das normale Prozesskühlwasser ist (z.B. sog. Chilled Water einer Kälteanlage) und eine Wasserabscheidung vorgeschaltet wird, um eine Reduzierung Wasseranteils zu erreichen und den Adsorptionsschritt auf diese Weise entsprechend zu entlasten.

Alle Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können eine erste Betriebsphase und eine zweite Betriebsphase umfassen, wobei eine Sauerstoffproduktion, d.h. eine Menge des bereitgestellten Niederdrucksauerstoffs, in der zweiten Betriebsphase geringer als in der ersten Betriebsphase ist (sog. Turn-Down-Modus). Die Elektrolyse ist in der zweiten Betriebsphase deaktiviert oder wird mit geringerer Leistung betrieben. Um eine gute Durchströmung der Katalyse zur Wasserstoffentfernung zu gewährleisten, muss eine Mindestmenge an Gas durch diese hindurchgeführt werden. Dies beeinflusst stark die Größe des katalytischen Betts und erhöht im Vollastfall den Druckverlust des katalytischen Reaktors. Daher kann in entsprechenden Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen sein, den Regeneriergasstrom nach seiner Nutzung in dem Adsorptionsschritt in dem zweiten Betriebsmodus stromauf der katalytischen Wasserstoffentfernung zurückzuführen, um dort eine gute Durchströmung zu gewährleisten und den Druckverlust im Vollastfall zu verringern (da der Reaktor hinreichend groß und mit kleinem Druckverlust ausgelegt werden kann). In dem ersten Betriebsmodus kann die Rückführung stromab der katalytischen Wasserstoffentfernung erfolgen. Auch Mischformen sind möglich. Dem Adsorptionsschritt kann der Niederdrucksauerstoff ohne oder mit weiterer Temperaturerhöhung zugeführt werden (die Temperaturerhöhung der Sauerstoffverdichtung kann dabei bereits ausreichen und auf eine weitere Temperaturerhöhung, z.B. einen elektrischen Heizer, kann verzichtet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, welche Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 3 zeigt eine Wasserrückführung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 4 zeigt eine kryogene Verdichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

In den Figuren sind einander baulich und/oder funktional entsprechende Komponenten sowie identische oder vergleichbare Stoffströme mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Erläuterungen bzgl. Verfahrensschritten beziehen sich auch auf entsprechende Vorrichtungen bzw. Komponenten von Anlagen und umgekehrt.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Verfahren 100 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines schematischen Prozessflussdiagramms.

In dem Verfahren 100 wird unter Verwendung einer Elektrolyse 10, beispielsweise unter Einsatz einer Prototonenaustauschmembran, noch gewisse Anteile an Wasserstoff enthaltender Elektrolysesauerstoff E, insbesondere mit einem Gehalt von mehr als 98%, gebildet. Über eine Leitung 11 mit Sicherheitsventil kann der Elektrolysesauerstoff E im Notfall abgeblasen werden. Eine Wasserstoffentfernung ist insgesamt mit 20 bezeichnet. Sie umfasst einen beispielsweise elektrischen Heizer 21 , mit dem ein Temperaturdelta von beispielsweise 25 °C betrieben werden kann. Der entsprechend aufgeheizte Sauerstoff wird einem katalytischen Bett in einem Reaktor 22 zugeführt, in dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird. Nach Vereinigung mit einem wasserbeladenen Regeneriergasstrom R wird der wasserhaltige Sauerstoff in einem Kühler 23, der beispielsweise mit Kühlwasser betrieben wird, abgekühlt und einer Kondensatabscheidung in einem Kondensatabscheider 24 unterworfen. Ein hier gebildeter Wasserstrom W kann, wie im Detail in Figur 3 veranschaulicht, zurückgeführt werden.

Auf diese Weise teilweise von Wasser befreiter Sauerstoff weist jedoch noch immer einen gewissen Wasseranteil auf. Er wird hier als gasförmiger Niederdrucksauerstoff bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen L veranschaulicht. Er wird einer insgesamt mit 30 bezeichneten Trocknung unter Einsatz einer Temperaturwechseladsorption unterworfen. In der Trocknung 30 wird ein Paar von im Wechselbetrieb betriebenen Adsorbern 31 , 32 eingesetzt. Diese werden beispielsweise bei einem Adsorptionsdruck von 4,5 bar und einem Regenerationsdruck von 5 bar betrieben. Anstelle einer Temperaturwechseladsorption kann auch eine Druckwechseladsorption vorgenommen werden, wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt und daher nicht gesondert veranschaulicht. Ist nachfolgend von einer Temperaturwechseladsorption die Rede, soll dies nicht einschränkend verstanden werden. Der auf diese Weise von Wasser befreite, weiterhin mit L bezeichnete Niederdrucksauerstoff wird sodann einer insgesamt mit 40 bezeichneten Druckerhöhung unterworfen.

In der Druckerhöhung werden im hier veranschaulichten Beispiel drei Verdichter oder Verdichterstufen 41 , 42, 43 eingesetzt, stromab derer jeweils Zwischen- bzw. Nachkühler 44, 45, 46 angeordnet sein können. Durch die Druckerhöhung 40 wird Drucksauerstoff H erhalten und aus dem Verfahren ausgeführt.

Im hier veranschaulichten Beispiel wird Regeneriergas R zwischen den Verdichtern oder Verdichterstufen 41 , 42 abgezogen und bei Bedarf über nicht gesondert bezeichnete Ventile abgedrosselt, bevor es in einem einstellbaren Anteil in einem elektrischen Heizer 33 erwärmt und durch den jeweils zu regenerierenden Adsorber 31 , 32 geführt wird. Eine Ausgangstemperatur des Regeneriergases kann durch Einstellen von Mengen, die stromauf und stromab des Zwischenkühlers 44 abgezogen werden, eingestellt werden. Teile des Regeneriergases können vor oder nach der Verwendung zur Regenerierung an die Atmosphäre A abgegeben werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen insbesondere eine Rückführung in der bereits zuvor erläuterten Weise, d.h. nach stromauf der Kühlung in dem Kühler 23, vor. Zusätzliche oder alternative Rückführoptionen sind gestrichelt dargestellt und stromauf und stromab des Heizers 21 veranschaulicht.

Figur 2 zeigt ein Verfahren 200 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, bei dem im Unterschied zu dem in Figur 1 veranschaulichten Verfahren 100 eine kryogene Druckerhöhung 50 in der erläuterten Weise durchgeführt wird. Zu weiteren Details sei insbesondere auf die Erläuterungen zu Figur 4 verwiesen.

Figur 3 zeigt Aspekte eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in alternativer Darstellung wobei insbesondere auch eine Wasserrückführung veranschaulicht ist. Zu Figur 3 erläuterte Verfahrensschritte bzw. Anlagenkomponenten können in beliebigen der zuvor erläuterten Ausgestaltungen zum Einsatz kommen.

Wie hier veranschaulicht, wird hier einer Wasseraufbereitung 60 ein Frischwasserstrom F zugeführt. Die Wasseraufbereitung 60 kann in beliebiger Weise ausgestaltet sein und dieser kann auch ein wie nachfolgend erläutert gebildeter Kondensatstrom C zugeführt werden, der insbesondere mit dem Frischwasserstrom F vereinigt werden kann. Ein in der Wasseraufbereitung 60 gebildeter Reinwasserstrom P kann insbesondere abgekühlt und zu einem Teil in die Elektrolyse 10 geführt werden.

Die Elektrolyse 10 erzeugt den bereits erwähnten Elektrolysesauerstoffstrom E, der der hier vereint veranschaulichten katalytischen Wasserstoffentfernung 20 und Trocknung 30 zugeführt wird. Auf die obigen Erläuterungen wird verwiesen. Aus der katalytischen Wasserstoffentfernung 20 und Trocknung 30 ausgeleiteter Niederdrucksauerstoff L wird unter Erhalt von Hochdrucksauerstoff H der Druckerhöhung 40 bzw. 50 unterworfen, wie bereits zu Figuren 1 und 2 sowie zu Figur 4 erläutert. Ein Wasserstoffstrom ist mit X bezeichnet.

Das zuvor in der Temperaturwechseladsorption bzw. der Trocknung 30 verwendete Regeneriergas R wird in einem hier mit 65 bezeichneten Kühler, beispielsweise mit Kühlwasser, abgekühlt, und in einen Abscheider 66 eingespeist, wo sich eine Kondensatphase abscheidet. Diese kann in der erläuterten Weise in Form des Kondensatstroms C in die Wasseraufbereitung 60 zurückgeführt werden. Eine Gasfraktion aus dem Abscheider 66 besteht im Wesentlichen aus wasserhaltigem Sauerstoff. Sie kann in Form des Stoffstroms O zurückgeführt werden, wie zuvor erläutert. Alternativ zur Aufbereitung des Kondensatstroms C kann, wie mit einem gestrichelten Pfeil veranschaulicht, auch eine direkte Rückführung erfolgen.

Figur 4 zeigt eine kryogene Verdichtung 50 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei wird der Niederdrucksauerstoff L einem Wärmetauscher 51 warmseitig zugeführt und diesem kaltseitig entnommen. Der Wärmetauscher 51 wird mit einem Stickstoffkreislauf 52 betrieben. Optional ist ein Flüssigspeicher 53 bereitgestellt. Der aufgrund der Abkühlung im Wesentlichen flüssig oder in Form eines Zweiphasenstroms entnommene Niederdrucksauerstoff L wird in einen Abscheider 54 eingespeist, wo sich eine kryogene Flüssigkeit abscheidet. Die kryogene Flüssigkeit wird in Form eines Stoffstroms K mittels einer Pumpe 55 oder mittels einer Druckaufbauverdampfung 55 druckerhöht. Zur Bereitstellung des Regeneriergases R kann ein Teil hiervon abgedrosselt werden, der Rest bildet den Hochdrucksauerstoffstrom H. Diese Sauerstoffströme und ein Gasstrom Y vom Kopf des Abscheiders 54 werden in dem Wärmetauscher, soweit flüssig, verdampft oder in den überkritischen Zustand überführt. Der Flüssigspeicher 53 kann in der zuvor erläuterten Weise verwendet werden.

Der Stickstoffkreislauf 52 kann mit gasförmigem Stickstoff in Form eines Stickstoffstroms 501 gespeist werden. Zusammen mit in dem Wärmetauscher 51 erwärmten gasförmigen bzw. rückverdampften Stickstoffströmen 502, 503 wird dieser in einem Kreislaufverdichter 504 verdichtet und in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler nachgekühlt. Ein Teilstrom 505 wird auf dem dabei erreichten Druck in dem Wärmetauscher 51 abgekühlt, in diesem zumindest teilweise verflüssigt, diesem kaltseitig entnommen, und in einen Abscheider 510 eingespeist. Ein weiterer Teil 506 wird in einem Booster 507 weiter druckerhöht, in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler nachgekühlt und danach ebenfalls auf dem dabei erreichten Druck in dem Wärmetauscher 51 abgekühlt, wobei ein Teilstrom 508 dem Wärmetauscher 51 auf einer Zwischentemperatur entnommen, in einer mit dem Booster 507 gekoppelten Turbine 509 entspannt und in den Abscheider 510 eingespeist und ein Teilstrom 511 dem Wärmetauscher 51 kaltseitig entnommen und ebenfalls in den Abscheider 510 eingespeist wird. Auch die Teilströme 508 und 511 werden in den vorigen Schritten zumindest teilweise verflüssigt.

Gas vom Kopf des Abscheiders 510 bildet den bereits erwähnten Stoffstrom 503, Flüssigkeit aus dem Sumpf wird teilweise unter Bildung des Stoffstroms 502 in dem Wärmetauscher 51 rückverdampft Im Überschussfall kann Flüssigstickstoff in Form eines Stoffstroms 513 in einen Flüssigspeicher 514 eingespeist werden. Nach erstmaliger Befüllung des Stickstoffkreislaufs 52 kann dieser autark betrieben werden.