Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas.

Hintergrund der Erfindung (und Stand der Technik)

Aus dem Stand der Technik sind Power-to-Liquids- oder PtL-Verfahren bekannt, welche (elektrische) Leistung auf verschiedenen Wegen in flüssige Brennstoffe umwandeln. Dabei wird zunächst Wasser in einer Elektrolyseanlage unter Einsatz von Strom zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der dadurch gewonnene Wasserstoff wird dann zusammen mit CO2 mit Hilfe einer reversen Wassergas-Shift-Reaktion (rWGS-Reaktion) zu Synthesegas umgewandelt. Aus diesem Synthesegas können anschließend flüssige Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden. Aus Gründen des Umweltschutzes kommt der Strom vorzugsweise aus regenerativen Stromquellen wie Wind- und Solarstrom. Das CO2 kann aus der Luft entnommen werden. Beispielsweise offenbart WO 2006/099 573 A1 ein solches Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, bei dem die eingesetzte elektrische Energie bevorzugt aus regenerativen Quellen kommt. Auch eine Rückgewinnung von Wärmeenergie wird beschrieben. Die eingesetzte elektrische Energie wird in den synthetisierten flüssigen Kohlenwasserstoffen gespeichert.

Weiter beschreibt US 5,312,843 ein Verfahren zur Herstellung von Methanol aus Kohlendioxid und Wasser. Bei diesem Verfahren wird Wasserstoff mittels einer Hochtemperatur-Elektrolyse aus Wasser gewonnen, welches durch Abwärme eines Hochtemperatur-Nuklearreaktors aufgeheizt wird. In einer reversen Wassergas-Shift-Reaktion wird CO2 unter Verwendung des gewonnenen Wasserstoffes und unter Anwendung von Wärme zu CO reduziert. Das CO wird im Anschluss einer Methanol-Syntheseanlage zugeführt. Aus EP 2 491 998 A1 ist ein Verfahren bekannt, in welchem synthetische Kraftstoffe mithilfe von regenerativer Energie aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt werden. Wasser wird bei einem Druck von 20 bar verdampft und der Wasserdampf mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird mit Kohlendioxid in einem Molverhältnis von vorzugsweise 3:1 bei einem Druck von 19 bar gemischt und ein Kohlendioxid-Wasserstoff-Gemisch erzeugt. Das Kohlendioxid-Wasserstoff-Gemisch wird vorgewärmt und weiter in einer elektrisch beheizten Vorrichtung im Beisein eines Katalysators auf über 900° C aufgeheizt. Dabei entsteht ein Rohgasgemisch, bei CO und Wasserstoff zusammen einen Anteil von ca. 65 Volumen-% haben und der Rest aus Wasserdampf und nicht reagiertem CO2 besteht. Der Wasserdampf und das CO2 werden durch Kondensation und Abscheidung aus dem Rohgasgemisch entfernt, um reines Synthesegas zu erzeugen. Aus diesem reinen Synthesegas können Wachs oder flüssige Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden.

Alle oben genannten Verfahren haben den Vorteil, dass synthetische Kraftstoffe aus klimaschädlichem CO2 erzeugt werden. Jedoch wird auch Wasserstoff zur Umwandlung des CO2 in synthetische Kraftstoffe benötigt. Bei den obigen Verfahren wird der Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt. Verbreitete Elektrolyseverfahren sind Hochtemperatur- bzw. HT-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse und Protonenaustauschmembran- bzw. PEM-Elektrolyse. Alle diese Elektrolyseverfahren haben einen hohen Stromverbrauch. Beispielsweise wird zur Herstellung von 1000 kg Wasserstoff ein beträchtlicher elektrischer Energieaufwand von mehr als 50 MWh benötigt. Aus Kostensicht ist Strom aber derzeit der wertvollste Energieträger und stammt oft aus Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden und wiederum selbst CO2 ausstoßen. Auch Strom aus vollständig regenerativen Quellen (z.B. Solar-, Wasser- und Windkraftwerke) ist wertvoll, da hohe Investitionen nötig sind. Weiter ist der Strom aus regenerativen Quellen nicht immer gleichmäßig verfügbar und muss oft über weite Strecken transportiert werden. Aufgabe der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus CO2 bereitzustellen, welches einen geringeren Strombedarf hat. So kann Strom bei der Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen eingespart werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe und weitere Probleme werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, welches folgende Schritte aufweist: Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids in Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C-Partikel) durch Energieeingabe mittels Plasma, wobei wenigstens ein Teil des Wasserstoffes von dem Kohlenstoff getrennt wird. Der Wasserstoff wird mit CO2 bei Prozessparametern gemischt, welche eine Umwandlung gemäß der Gleichung H2 + CO2 -> CO + H2O (reverse Wassergas-Shift-Reaktion oder rWGS-Reaktion) ermöglichen. Das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff wird so eingestellt, dass nach der Umwandlung ein restlicher Teil des Wasserstoffes zurückbleibt. Folglich wird ein erster Teil des Wasserstoffes in H2O umgewandelt. Ein restlicher (oder zweiter) Teil des Wasserstoffes bleibt übrig und ist vermischt mit CO und H2O. Weil der Wasserstoff nicht vollständig in H2O umgewandelt wird, resultiert daraus eine Mischung aus H2, CO und H2O.

Das Aufspalten des Kohlenwasserstoff-Fluids in H2 und C-Partikel durch Energieeingabe mittels Plasma (Plasma-Pyrolyse) erfolgt unter Abschluss von Sauerstoff und benötigt eine elektrische Energie von weniger als 15 MWh zur Erzeugung von 1000 kg Wasserstoff. Da die Erzeugung von Wasserstoff mittels der oben genannten Elektrolyseverfahren mehr als 50 MWh benötigt, hat das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus CO2 einen deutlich geringeren Strombedarf. Das Aufspalten des Kohlenwasserstoff-Fluids hat ein H2/C-Aerosol aus Wasserstoff (H2-Gas) und Kohlenstoffpartikeln (C-Par- tikeln) zur Folge.

Bei dem obigen Verfahren erfolgt das Aufspalten des Kohlenwasserstoff-Fluids vorzugsweise in einem Kohlenwasserstoffkonverter, der eine Plasma-Heizvor- richtung aufweist und den Eintritt von Luft oder Sauerstoff verhindert. Das Aufspalten des Kohlenwasserstoffes erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von mehr als 1000 °C (Hochtemperatur-Reaktor bzw. Hochtemperatur-Aufspaltung). Dadurch wird Wärmeenergie für die nachfolgende rWGS-Reaktion bereitgestellt. Jedoch kann ein Teil des Kohlenwasserstoff-Fluids bei einer Temperatur unter 1000 °C, insbesondere unter 600 °C, mittels eines Mikrowellenplasmas aufgespalten werden (Niedertemperatur-Reaktor bzw. Niedertemperatur- Aufspaltung).

Das Mischen von H2 mit CO2 wird in einem rWGS-Konverter ausgeführt in dem die Reaktion H2 + CO2 -> CO + H2O (rWGS-Reaktion) abläuft. Weil nach dieser Reaktion zunächst eine Mischung aus H2, CO und H2O vorliegt, wird das H2O von H2 und CO getrennt, beispielsweise mittels Kondensation oder Ausfrieren, wobei jedoch auch andere Trennungsverfahren möglich sind. Falls zusätzlicher Wasserstoff aus einer Niedertemperatur-Aufspaltung verfügbar ist, kann dieser zusätzliche Wasserstoff nach der rWGS-Reaktion bzw. nach dem Ausgang des rWGS-Konverters zugegeben werden.

Vorteilhafterweise hat der Wasserstoff bei dem Verfahren eine Temperatur von mehr als 500 °C und vorzugsweise mehr als 700 °C beim Mischen mit dem CO2. Dadurch wird die Wärmeenergie des warmen Wasserstoffes der endothermen rWGS-Reaktion zugeführt, und eine externe Energiezufuhr wird vermieden oder zumindest verringert. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Wasserstoff H2 beim Mischen mit CO2 eine Temperatur von mehr als 700°C und einen Druck unter 5 bar hat. Daraus resultieren eine hohe Ausbeute von CO und schnelle Umwandlungsraten. Vorzugsweise wird das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff H2 so eingestellt, dass ein Verhältnis von CO zu H2 nach der Umwandlung in der rWGS-Reaktion auf einen Wert von größer 1 :1 bis 1 :3, insbesondere auf einen Wert von ungefähr 1 :2,1 oder auf einen Wert von 1 :1 ,75 bis 1 :1 ,95 eingestellt wird. Um dies zu erreichen, kann die Zusammensetzung der Gasmischung nach der rWGS-Reaktion mittels eines Sensors gemessen werden, und die Dosierung von H2 und/oder CO2 kann basierend auf dem Messergebnis geregelt werden.

Das Trennen wenigstens eines Teils des Wasserstoffes von dem Kohlenstoff erfolgt vorzugsweise durch einen der folgenden Schritte

- Ablagern von Kohlenstoff an einer temperaturbeständigen Platte oder einem temperaturbeständigen Körper und Abschaben des Kohlenstoffes. Die temperaturbeständige Platte oder der Körper können fest stehen, werden aber vorzugsweise während des Abschabens gedreht. Kohlenstoff, der sich an der Platte oder dem Körper festsetzt, wird durch einen Schaber abgeschabt.

- Absetzen des Kohlenstoffes durch Schwerkraft, wobei bevorzugt der Wasserstoff und Kohlenstoff durch ein Labyrinth und/oder eine Rohrleitung geleitet werden.

- Wasserkühlung von Wasserstoff und Kohlenstoff, vorzugsweise durch direkt eingespritztes Wasser, wobei der Kohlenstoff anschließend aus dem Wasser gefiltert wird. Dadurch werden die C-Partikel aus dem gasförmigen H2 gewaschen. Alternativ kann die Wasserkühlung durch Wärmetauscher erfolgen.

Die oben genannte Aufgabe und weitere Probleme werden auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas, welche eine Quelle für Kohlenwasserstoff und einen Kohlenwasserstoffkonverter aufweist, der eine Plasma-Heizvorrichtung, einen Prozessraum mit wenigstens einem Kohlenwasserstoffeingang für ein Kohlenwasserstoff-Fluid und wenigstens einem Ausgang für Wasserstoff H2 und Kohlenstoff aufweist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang mit der Quelle für Kohlenwasserstoff verbunden ist. Weiter weist die Vorrichtung eine Trennvorrichtung auf, die mit dem Ausgang für Wasserstoff und Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist und zum Trennen wenigstens eines Teils des Wasserstoffes von dem Kohlenstoff konfiguriert ist, wobei die Trennvorrichtung weiter einen Kohlenstoffausgang für abgetrennten Kohlenstoff aufweist. Außerdem weist die Vorrichtung eine Quelle für Kohlendioxid und einen rWGS-Konverter mit einem Prozessraum auf, der einen ersten Eingang und einen CO2-Eingang aufweist. Der erste Eingang des rWGS-Kon- verters ist mit der Trennvorrichtung verbunden und konfiguriert, um wenigstens den abgetrennten Wasserstoff von der Trennvorrichtung aufzunehmen. Der CO2-Eingang des rWGS-Konverters ist direkt oder über eine Mischvorrichtung mit der Quelle für Kohlendioxid verbunden. Der rWGS-Konverter ist konfiguriert zum Erzeugen von Prozessparametern, welche eine Umwandlung gemäß der folgenden Gleichung ermöglichen H2 + CO2 -> CO + H2O (rWGS-Reaktion). Die Quelle für Kohlendioxid CO2 oder die Mischvorrichtung sind konfiguriert, um CO2 oder H2 zu dosieren und das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff H2 so einzustellen, dass nach der Umwandlung ein restlicher Teil des Wasserstoffes zurückbleibt.

Der Kohlenwasserstoffkonverter verhindert weitgehend das Eindringen von Luft oder Sauerstoff und benötigt zum Aufspalten des Kohlenwasserstoff-Fluids in H2 und C-Partikel durch Plasma-Pyrolyse weniger als 15 MWh elektrische Energie zur Erzeugung von 1000 kg Wasserstoff. Im Vergleich zu einem Energieaufwand von mehr als 50 MWh, die bei bekannten Elektrolysevorrichtungen verbraucht werden, ergibt sich ein deutlich geringerer Strombedarf. Der hier verwendete Kohlenwasserstoffkonverter erzeugt ein H2/C-Aerosol aus Wasserstoff (H2-Gas) und Kohlenstoffpartikeln (C-Partikeln), das beispielsweise mittels Auswaschen der C-Partikel oder Ablagerung der C-Partikel an einer kalten Platte getrennt werden kann.

Bei einer Ausführung der Vorrichtung ist die Trennvorrichtung am Ausgang für Wasserstoff und Kohlenstoff angeordnet und weist ein Labyrinth und/oder einen Raum zum Absetzen des Kohlenstoffes durch Schwerkraft auf. Vorzugsweise ist die Trennvorrichtung in einer Verbindungsleitung zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter und dem rWGS-Konverter angeordnet. So können sich die C- Partikel auf dem Weg zum rWGS-Konverter durch Schwerkraft von dem Wasserstoff trennen oder die C-Partikel bleiben in dem Labyrinth zurück.

Bei einer weiteren Ausführung der Vorrichtung weist die Trennvorrichtung eine temperaturbeständige Platte oder einen temperaturbeständigen Körper (z.B. Zylinder, Kugel oder Tonne) zur Ablagerung von Kohlenstoff und einen Schaber zum Abschaben des Kohlenstoffes auf. Vorzugsweise ist die temperaturbeständige Platte (oder Körper) zumindest teilweise innerhalb des Prozessraums des Kohlenwasserstoffkonverters angeordnet. Beispielsweise kann die temperaturbeständige Platte (oder Körper) drehbar gelagert sein, wobei sie vorzugsweise so gelagert ist, dass sie teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Prozessraums des Kohlenwasserstoffkonverters angeordnet ist. So kann der Kohlenstoff sich kontinuierlich an der Platte (oder Körper) anlagern und aus dem Prozessraum des Kohlenwasserstoffkonverters entfernt werden.

Bei einer Ausführung ist der Kohlenwasserstoffkonverter wiederum insgesamt von einem luftdichten Gehäuse umgeben. In dem luftdichten Gehäuse ist die Temperatur vorzugsweise von 40 - 300 °C. So kann eine Mechanik mit Lagerungen, Gleitschienen, Ketten usw. in dem luftdichten Gehäuse betrieben werden, um den Schaber und/oder die gekühlten Elemente (Platte oder Körper) zu drehen oder zu schieben. Das luftdichte Gehäuse ist vorzugsweise zur Vorwärmung anderer Stoffe (z.B. CO2, H2O) mit Wärmetauschern gefüllt.

Bei einer anderen Ausführung der Vorrichtung weist die Trennvorrichtung eine Wasserkühlungsvorrichtung auf, die vorzugsweise ausgebildet ist, um Wasser direkt in die Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoff (H2/C-Aerosol) einzuspritzen, und weiter eine Filtervorrichtung, die ausgebildet ist, um den Kohlenstoff aus dem Wasser zu filtern. Mit dieser Trennvorrichtung kann der Kohlenstoff durch Auswaschen vom Wasserstoff getrennt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas, die auch den Ablauf des entsprechenden Betriebsverfahrens zeigt;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung einer Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas, die auch den Ablauf des entsprechenden Betriebsverfahrens zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Diese Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Bei einigen Beispielen der Vorrichtung und des Verfahrens zur Herstellung von Synthesegas sinken Feststoffe durch Wirkung der Schwerkraft ab, und Bezeichnungen wie "unten", "herunter" usw. bezeichnen die Richtung der Schwerkraft. Weiter bedeuten die Ausdrücke "im Wesentlichen", "ungefähr", "etwa" und ähnliche Ausdrücke, dass Abweichungen von +/-10%, bevorzugt +/-5%, vom genannten Wert zulässig sind.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Synthesegas, welche einen Kohlenwasserstoffkonverter 3 und einen rWGS-Konverter 5 aufweist. Der Kohlenwasserstoffkonverter hat einen Prozessraum 7, der eine Plasma-Heizvor- richtung 9, einen Kohlenwasserstoffeingang 11 für ein Kohlenwasserstoff-Fluid und wenigstens einem Ausgang 13 für Wasserstoff und Kohlenstoff aufweist. Der Kohlenwasserstoffeingang 11 ist mit einer nicht gezeigten Quelle für Kohlenwasserstoff verbunden, beispielsweise mit einer Pipeline oder einem Tank für Kohlenwasserstoff. Die Kohlenwasserstoffe (CnHm) sind beispielsweise Methan, Erdgas, Biogase, Flüssiggase oder Schweröl, sie können aber auch synthetische, funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe sein.

In dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 werden mittels Energieeingabe eines Plasmas aus Kohlenwasserstoffen gasförmiger Wasserstoff und Kohlenstoffpartikel erzeugt (ein Fh/C-Aerosol aus H2-Gas und C-Partikeln). Primär erfolgt eine Aufspaltung über Wärme. Das Kohlenwasserstoff-Fluid sollte auf eine Temperatur über 1000°C insbesondere über 1500°C aufgeheizt werden. Als kann Plasmagas jedes geeignete Gas ausgewählt werden, welches von außen zugeführt wird oder im Kohlenwasserstoffkonverter 3 entsteht. Als Plasmagas sind beispielsweise inerte Gase geeignet, z.B. Argon oder Stickstoff. Andererseits bieten sich H2, CO oder Synthesegas an, da diese Gase bei der hier beschriebene Vorrichtung 1 sowieso anfallen. Die Kohlenwasserstoffe werden bevorzugt in Gasform in den Kohlenwasserstoffkonverter 3 eingeleitet. Wenn die Kohlenwasserstoffen unter Normalbedingungen flüssig sind, können sie vor dem Einbringen in den Kohlenwasserstoffkonverter in Gasform gebracht werden, oder sie könnten auch in einer fein zerstäubten Form eingeleitet werden. Beide Formen werden nachfolgend als Kohlenwasserstoff-Fluid bezeichnet.

Der Kohlenwasserstoffkonverter verhindert das Eindringen von Luft oder Sauerstoff, wobei geringe Mengen an Sauerstoff, die beispielsweise mit dem Kohlenwasserstoffen eingebracht werden, nicht schädlich sind. Katalysatoren werden nicht eingesetzt und sind auch nicht notwendig.

Weiter weist die Vorrichtung 1 eine Trennvorrichtung 15 auf, die mit dem Ausgang 13 für Wasserstoff und Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters 7 verbunden ist. Die Trennvorrichtung 15 trennt das H2 von den C-Partikeln und weist einen Kohlenstoffausgang 17 für abgetrennten Kohlenstoff auf. Der Kohlenwasserstoffkonverter 7 ist über eine Verbindungsleitung 19 mit dem rWGS- Konverter 5 verbunden. Der rWGS-Konverter 5 weist einen Prozessraum 21 auf, der einen ersten Eingang 23 und einen CC -Eingang 25 hat. Der C02-Ein- gang 25 ist mit einer Quelle für Kohlendioxid verbunden, und der erste Eingang 23 ist mit der Trennvorrichtung 15 verbunden, so dass der abgetrennte Wasserstoff von der Trennvorrichtung in den rWGS-Konverter 5 geleitet wird. Zur Dosierung sind Mischvorrichtungen oder Ventile für Wasserstoff und/oder CO2 vorgesehen. Im rWGS-Konverter 5 werden Prozessparameter erzeugt, welche eine Umwandlung gemäß der Gleichung H2 + CO2 -> CO + H2O (rWGS-Reak- tion) ermöglichen. Im Betrieb dosieren die Quelle für Kohlendioxid CO2 oder die Mischvorrichtung das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff H2 so, dass nach der rWGS-Reaktion ein restlicher Teil des eingeleiteten Wasserstoffes zurückbleibt. Die Quelle für Kohlendioxid kann irgendeine Chemie- oder Industrieanlage sein, die CO2 ausstößt, beispielsweise ein Hochofen zur Metallerzeugung, ein Betonwerk, ein Kraftwerk mit Energiegewinnung durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen. Weiter kann das Kohlendioxid aus der Umgebungsluft oder aus einem CÜ2-Tank oder aus einer in der Natur vorkommenden Quelle entnommen werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung ist die Trennvorrichtung 15 am Ausgang 13 für Wasserstoff und Kohlenstoff angeordnet und weist beispielsweise ein Labyrinth auf, durch welches das H2/C-Aerosol geleitet wird. Alternativ kann die Trennvorrichtung 15 einfach einen freien Raum aufweisen, in dem die Kohlenstoffpartikel durch Schwerkraft absinken. Außerdem kann die Trennvorrichtung 15 eine Kombination eines freien Raums mit einer Labyrinthanordnung darin aufweisen.

Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 2 zur Herstellung von Synthesegas, welche sich von der Vorrichtung 1 nur hinsichtlich der Trennvorrichtung 15 unterscheidet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung ist die Trennvorrichtung 15 in der Verbindungsleitung 19 angeordnet, welche einen freien Raum bildet und optional eine Labyrinthanordnung aufweisen kann. In beiden Fällen kann sich der Kohlenstoff auf dem Weg zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 und dem rWGS-Konverter 5 durch Schwerkraft absetzen. Die C-Partikel bleiben in dem freien Raum oder Labyrinth zurück. Bei beiden Vorrichtungen 1 , 2 zur Herstellung von Synthesegas sind weiter folgende Merkmale und Elemente vorgesehen. Der rWGS-Konverter 5 hat einen Ausgang 27, aus dem eine Gasmischung aus H2, CO und H2O austritt, die in dem Prozessraum 21 erzeugt wurde. Nach dem Ausgang 27 des rWGS-Kon- verters 5 ist eine Abscheidungsvorrichtung 29 vorgesehen, in der optional restliches (nicht umgewandeltes) CO2 und H2O von der Gasmischung abgeschieden werden können, so dass nach der Abscheidungsvorrichtung 29 ein gereinigtes Synthesegas aus H2 und CO vorliegt. Das gereinigte Synthesegas kann durch einen optionalem Mischer 31 geleitet werden, in dem das H2/CO-Verhältnis des Synthesegases beeinflusst werden kann, so dass eine für einen nachfolgenden Umwandlungsprozess erforderliche Zusammensetzung erreicht wird.

Ein nachfolgender Umwandlungsprozess des Synthesegases aus den Vorrichtungen 1 , 2 kann beispielsweise in einem CO-Konverter 33 erfolgen, der zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffe ausgelegt ist. Der CO-Konver- ter 33 ist stromabwärts zum rWGS-Konverter 5 oder Mischer 31 angeordnet. Der CO-Konverter 33 kann ein beliebiger CO-Konverter zur Herstellung von synthetischen, funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen (d.h. mit oder ohne funktionelle Gruppen) sein. Der CO-Konverter 33 weist einen Prozessraum auf, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter Mittel zum Leiten eines Synthesegases in Kontakt mit dem Katalysator, und eine Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur. In der gezeigten Ausführungsform ist der CO-Konverter bevorzugt ein Fischer-Tropsch-Kon- verter, ein Bergius-Pier-Konverter oder ein Pier-Konverter mit einem entsprechenden Katalysator und einer Temperatur- und/oder Drucksteuereinheit.

In einer Ausführungsform weist der erste CO-Konverter 7 einen Fischer- Tropsch-Konverter auf. Ein Fischer-Tropsch-Konverter wandelt katalytisch ein Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen und Wasser um. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen von Fischer-Tropsch-Reaktoren und Fischer- Tropsch-Verfahren bekannt, die hier nicht im Detail dargestellt werden sollen. Die Fischer-Tropsch-Verfahren können als Hochtemperatur-Verfahren oder als Niedertemperatur-Verfahren durchgeführt werden, wobei die Prozesstemperaturen im Allgemeinen zwischen 200 und 400°C liegen. Bekannte Varianten des Fischer-Tropsch-Verfahrens sind u.a. die Hochlast-Synthese, die Synthol-Syn- these und das SMDS-Verfahren der Firma Shell (SMDS = Shell Middle Distillate Synthesis). Durch einen Fischer-Tropsch-Konverter wird typischerweise eine Kohlenwasserstoffverbindung aus Flüssiggasen (Propan, Butan), Benzin, Kerosin (Dieselöl), Weichparaffin, Hartparaffin, Methanol, Methan, Dieselkraftstoff oder eine Mischung mehrerer dieser Produkte erzeugt. Die Fischer- Tropsch-Synthese ist exotherm, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Reaktionswärme aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren kann mittels eines (in den Figuren nicht gezeigten) Wärmetauschers, beispielsweise zum Vorwärmen von CO2 verwendet werden. Es wird beispielsweise eine Vorwärmung des CO2 in Betracht gezogen, welches in den rWGS-Konverter 5 eingeleitet wird.

Alternativ weist der CO-Konverter 33 einen Bergius-Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtL-Konverter (MtL = Methanol- to-Liquid) auf. In einem Bergius-Pier-Konverter läuft das dem Fachmann wohlbekannte Bergius-Pier-Verfahren ab, bei dem Kohlenwasserstoffe durch Hydrierung von Kohlenstoff mit Wasserstoff in einer exothermen chemischen Reaktion erzeugt werden. Das Spektrum der Ausgangsprodukte aus dem Bergius- Pier-Verfahren hängt von den Reaktionsbedingungen und der Reaktionsführung ab. Es werden hauptsächlich flüssige Endprodukte erhalten, die als Kraftstoffe verwendet werden können, beispielsweise Schwer- und Mittelöle. Bekannte Entwicklungen des Bergius-Pier-Verfahrens sind beispielsweise das Konsol-Verfahren und das H-Coal-Verfahren. In der Kombination eines Pier- Konverters mit einem MtL-Konverter wird zunächst Synthesegas nach dem bekannten Pier-Verfahren in Methanol umgewandelt. Der MtL-Konverter ist ein Konverter, in dem Methanol zu Benzin umgewandelt wird. Ein verbreitetes Verfahren ist das MtL-Verfahren der Fa. ExxonMobil bzw. Esso. Eingangsprodukt des MtL-Konverters ist typischerweise Methanol, beispielsweise aus dem Pier- Konverter. Das Ausgangsprodukt, das vom MtL-Konverter erzeugt wird, ist typischerweise Benzin, das zum Betreiben eines Ottomotors geeignet ist. Im Betrieb führen die oben beschriebenen Vorrichtungen 1 , 2 folgenden Betriebsablauf aus. Zunächst wird ein Kohlenwasserstoff-Fluid in dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 in Wasserstoff und Kohlenstoff aufgespalten. Die Energie wird mittels Plasma eingebracht. Das Aufspalten des Kohlenwasserstoff-Fluids in H2 und C-Partikel erfolgt unter Abschluss von Sauerstoff vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 1000° C, insbesondere mehr als 1500° C. Ein Teil des Wasserstoffes wird von dem Kohlenstoff getrennt, und der Kohlenstoff wird über den Kohlenstoffausgang 17 abgeleitet.

Der abgetrennte Wasserstoff wird mit CO2 gemischt und gemäß der Gleichung H2 + CO2 -> CO + H2O (reverse Wassergas-Shift-Reaktion oder rWGS-Reak- tion) umgewandelt. Der Wasserstoff hat beim Mischen mit dem CO2 eine Temperatur von mehr als 500°C und vorzugsweise mehr als 700°C. wenn der Wasserstoff beim Mischen mit CO2 eine Temperatur von mehr als 700°C und einen Druck unter 5 bar hat, resultieren eine hohe Ausbeute von CO und schnelle Umwandlungsraten bei der rWGS-Reaktion. Für das Verfahren ist es unschädlich, wenn die Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff nicht vollständig erfolgt und noch übrige C-Partikel mit dem abgetrennten Wasserstoff in die rWGS-Reaktion kommen. Diese übrigen C-Partikel können mit CO2 zu CO reagieren.

Das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff wird so eingestellt, dass nach der Umwandlung ein restlicher Teil des Wasserstoffes zurückbleibt. Folglich wird ein erster Teil des Wasserstoffes in H2O umgewandelt, und ein restlicher (oder zweiter) Teil des Wasserstoffes bleibt übrig und ist vermischt mit CO und H2O. Weil der Wasserstoff nicht vollständig in H2O umgewandelt wird, resultiert daraus eine Mischung aus H2, CO und H2O.

Das Mischungsverhältnis von CO2 und Wasserstoff H2 kann so eingestellt werden, dass das gereinigte Synthesegas es für die geplante Umwandlung im CO- Konverter 33 gut geeignet ist, d.h. basierend auf der Art des eingesetzten CO- Konverters 33. Für die oben genannten Arten von CO-Konvertern 33 ist ein Synthesegas mit viel Wasserstoff vorteilhaft, z.B. ein Verhältnis von CO zu H2 mit einem Wert von 1 :1 bis 1 :3, insbesondere mit einem Wert von ungefähr 1 :2, 1 oder mit einem Wert von 1 :1 ,75 bis 1 :1 ,95. Um dies zu erreichen, kann die Zusammensetzung der Gasmischung nach der rWGS-Reaktion mittels eines oder mehrerer Sensoren gemessen werden. Die Dosierung von H2 vom Kohlenwasserstoffkonverter 3 und/oder CO2 aus der Quelle für Kohlendioxid kann dann basierend auf dem Messergebnis geregelt werden, z.B. Einleiten von mehr H2 oder weniger CO2, um den H2-Anteil der Gasmischung zu erhöhen.

Das Trennen des Wasserstoffes von dem Kohlenstoff erfolgt beispielsweise durch eines der folgenden Verfahren:

Ablagern von Kohlenstoff an einer temperaturbeständigen Platte oder einem temperaturbeständigen Körper und Abschaben des Kohlenstoffes. Die temperaturbeständige Platte (oder Körper) kann fest stehen oder während des Abschabens gedreht werden. Kohlenstoff, der sich an der Platte (oder Körper) festsetzt, wird durch einen Schaber abgeschabt.

Absetzen des Kohlenstoffes durch Schwerkraft, wobei der Wasserstoff und Kohlenstoff beispielsweise durch ein Labyrinth und/oder eine Rohrleitung geleitet werden.

Wasserkühlung von Wasserstoff und Kohlenstoff, beispielsweise durch direkt eingespritztes Wasser, wobei der Kohlenstoff aus dem Wasserstoffgas gewaschen wird und anschließend aus dem Wasser gefiltert wird. Alternativ kann die Wasserkühlung durch Wärmetauscher erfolgen.

Welches der Trennungsverfahren eingesetzt wird, hängt von der Ausführung der Vorrichtung 1 , 2 ab. Manche Trennungsverfahren können in Kombination eingesetzt werden, z.B. Wasserkühlung mit Absetzen durch Schwerkraft.

Der Kohlenstoff, der über den Kohlenstoffausgang 17 aus dem Verfahren entnommen wird, liegt als feine C-Partikel vor und kann als Rohstoff verkauft werden (z.B. als Aktivkohle, Carbon Black, Graphit oder Industrieruß für Elektronik, Reifen, Toner usw.). Weil nach der rWGS-Reaktion zunächst eine Mischung aus H2, CO und H2O vorliegt, wird das H2O von H2 und CO getrennt, beispielsweise mittels Kondensation oder Ausfrieren, wobei jedoch auch andere Trennungsverfahren möglich sind. Abhängig von der genauen Zusammensetzung der Mischung können optional restliches CO2 (das nicht in der rWGS-Reaktion umgewandelt wurde) und H2O abgeschieden werden, so dass nach der Abscheidung ein gereinigtes Synthesegas aus H2 und CO vorliegt. Das gereinigte Synthesegas kann durch einen weiteren Mischungsschritt bezüglich seines H2/CO-Verhältnisses beeinflusst werden. Falls zusätzlicher Wasserstoff aus einer Niedertemperatur-Aufspaltung verfügbar ist, kann dieser zusätzliche Wasserstoff nach der rWGS-Reaktion bzw. dem Ausgang des rWGS-Konverters zugegeben werden.

Bei allen hier beschriebenen Vorrichtungen 1 , 2 und Verfahren zur Herstellung von Synthesegas können weiter folgende Merkmale und Verfahrensschritte vorgesehen sein.

Bei einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführung weist die Trennvorrichtung 15 eine temperaturbeständige Platte (oder einen temperaturbeständigen Körper( auf, die kälter als die Plasmaheizvorrichtung 9 ist. Da die Temperatur der temperaturbeständigen Platte niedriger ist als die Temperatur des Plasmas und der C-Partikel, lagern sich die C-Partikel tendenziell an der kälteren Platte (oder Körper) an, ähnlich einer Kondensation. Die temperaturbeständige Platte ist vorzugsweise einfach so weit von der Plasmaheizvorrichtung 9 entfernt, dass sie eine Temperatur unter 900 °C hat, sie kann aber auch aktiv gekühlt sein. Wegen der vergleichsweise niedrigen Temperatur der Platte lagert sich Kohlenstoff daran ab und kann mit einem (nicht gezeigten) Schaber abgeschabt werden. Die temperaturbeständige Platte (oder Körper) kann feststehend sein, und der Schaber kann bewegbar sein, oder umgekehrt. Die temperaturbeständige Platte und der Schaber können eine Linearbewegung oder Rotationsbewegung relativ zueinander ausführen. Die temperaturbeständige Platte (oder Körper) kann teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Prozessraums 7 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 angeordnet sein. Beispielsweise kann die temperaturbeständige Platte drehbar gelagert sein, wobei sie so gelagert ist, dass sie teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Prozessraums 7 angeordnet ist. So kann der Kohlenstoff sich kontinuierlich an der temperaturbeständigen Platte (oder Körper) ablagern und durch Rotation aus dem Prozessraum 7 entfernt werden, wobei der Kohlenstoff dann außen durch einen Schaber abgeschabt wird. Die Relativbewegung des Schabers und der temperaturbeständigen Platte (oder Körper) kann kontinuierlich oder intermittierend (mit Pausen) erfolgen. Abhängig von der Geschwindigkeit der Relativbewegung oder den Pausen lagern sich mehr C-Partikel an der Platte an.

Der Kohlenwasserstoffkonverter 3 kann wiederum insgesamt von einem luftdichten Gehäuse umgeben sein (nicht in den Fig. gezeigt). In dem luftdichten Gehäuse ist die Temperatur vorzugsweise von 40 - 300 °C, damit eine Mechanik mit Lagerungen, Gleitschienen, Ketten usw. betrieben werden kann, um den Schaber und/oder die gekühlten Elemente (Platte oder Körper) zu drehen oder zu schieben. Das luftdichte Gehäuse ist vorzugsweise zur Vorwärmung anderer Stoffe (z.B. CO2, H2O) mit Wärmetauschern gefüllt.

Bei einer anderen nicht in den Figuren dargestellten Ausführung weist die Trennvorrichtung 15 eine Wasserkühlungsvorrichtung oder einen Quench auf. Die Wasserkühlungsvorrichtung kann Wasser direkt in die Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoff (Fh/C-Aerosol) einspritzen, um die auszuwaschen. Die ausgewaschenen C-Partikel können dann durch eine Filtervorrichtung aus dem Wasser gefiltert werden.

Bei einer weiteren nicht in den Figuren dargestellten Ausführung weist die Vorrichtung 1 einen Kohlenwasserstoffkonverter mit einer Mikrowellen-Plasmaheiz- vorrichtung auf. In diesem Fall wird ein Teil des Kohlenwasserstoff-Fluids bei einer Temperatur unter 1000°C, insbesondere unter 600°C, aufgespalten (Nie- dertemperatur-Reaktor bzw. Niedertemperatur-Aufspaltung). Der dabei entstehende Wasserstoff wird über eine (nicht gezeigte) Verbindung zu einer Stelle nach dem rWGS-Konverter 5 geleitet, um den H2-Anteil zu erhöhen. Eine zusätzliche Heizeinheit kann für den Start der Vorrichtungen 1 , 2 eingesetzt werden, um zunächst einen oder mehrere der Konverter 3, 5 oder Verbindungsleitungen auf eine Anfangstemperatur zu bringen, beispielsweise zur Durchführung der rWGS-Reaktion oder damit die C-Partikel nicht verklumpen. Später erfolgt die Aufheizung über die im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugte Wärme.

Wenn der abgetrennte Kohlenstoff aus der Trennvorrichtung 15 eine Temperatur von mehr als 550 °C (vorzugsweise 800 bis 1200°C) hat, kann der abgetrennte Kohlenstoff mit H2O vermischt werden und gemäß der Reaktion C + H2O -> CO + H2 umgewandelt werden. Ein Katalysator ist nicht nötig. Dadurch entsteht zusätzliches Synthesegas, welches nicht von H2O getrennt werden muss.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich.