Elektrochemische Kohlehydrierung

Treiber der Idee

 

Spannungsfelder der Bioenergie anhand von Eindrücken aus Brasilien:

  1. Könnte man aus dem abgefackelten Urwald nicht wenigstens Holzkohle erzeugen?
  2. Das würde nichts nützen, denn der Mensch ist ungeduldig und lässt Energiepflanzungen nicht alt werden. Sie sind kein Ersatz für den Wald.
  3. Für die Natur wäre es besser, den Wald stehen zulassen. Dann muss man aber nach Öl bohren. Das wollen wir auch nicht.

Physikalisches Grundprinzip

Physikalisches Grundprinzip der elektrochemischen Kohlehydrierung: Thermodynamische Kohlehydrierung braucht Druck und Temperatur

Kernfragen:

Kann Druck durch hohe Dichte von Wasserstoffionen im Elektrolyt ersetzt werden?
Kann Temperatur durch elektrochemische Spannung ersetzt werden?

Elektrochemische Erzeugung von Treibstoff aus Kohle oder CO2 in Minikraftwerken

Eine Studie von Dipl.-Ing. Dr. Friedrich Kröner und Dipl.-Ing. Zeljka Kröner.

Nr,ReaktionDescriptionEnergy required
kJ/mol
12 H2O + Ptel → H2↑ + 2OH- + PtsfAlkaline hydrogen electrolysis153
22 H2O + Ptel → 2Hcs + 2OH-Alkaline hydrogen chemisorptions152
44 OH- + Ptel → O2↑ + H2O + PtsfAlkaline oxygen electrolysis115
52HPO42- + H2O → H3PO4 + O2Acidic coal gasification319
6C+H2O → CO↑ + H2↑Ordinary coal gasification-153
910H+ + 4Cel → C4H10 + 4CsfElectrolytic coal hydrogenation to butane-566
105H2 + 4Csf → C4H10 + 4CsfDirect coal hydrogenation to butane-401
11CO2 liq + H2Oel → CO + OH-Electrolytic CO2-reduktion208
12CO + Fesf → OC-FesfCO-chemisorptions-294
154OC-Feel + 14H+ → C4H10 + 4Fesf + 2H2O + O2Electrolytic butane synthesis378
164OC-Fecs + 7H2 → C4H10 + H2O + 4Fesf + O2Catalytic butane synthesis755
194CO2 + 13H2 → C4H10 + 8 H2ODirect butane synthesis-621
232H+ + Ptel → H2↑ + PtsfAcidic hydrogen electrolysis-86
24CO + H2 → C + H2OCO recovery-83

I. Gap to total gas balance

CO Reduction:

  • S = (24) + (1) + ½(4) → 128kJ/mol

CO Reduction + Oxygen recovery:

  • S*acid = S + (5) → 337kJ/mol
  • S*alk = S + (4) → 243kJ/mol

Conclusion: alkali electrolysis is really better than acid electrolysis (for this purpose)

II. Bergius-Pier (big waste of CO)

  • 5(6) + 1(10) → 24kJ/mol
  • Additional effort for sustainable development
  • + 9(S*alk= → 2211kJ/mol

III. Fischer-Tropsch (moderate waste of CO)

  • 7(6) + 1(16) + 4(12) → 174kJ/mol
  • Additional effort for sustainable development
  • + 5(S*alk= → 1290kJ/mol

IV. Electrolytic coal liquefaction (acid)

  • 7(5) + 1(9) → 1670kJ/mol
  • Additional effort for sustainable development
  • + 4(S) → 2180kJ/mol

V. Electrolytic coal liquefaction (alkali) inkl. additional effort for sustainable development

  • 7(2) + 7/2(4) + 1(9) + 4(S) → 1410kJ/mol

VI. Conventional butane synthesis with electrolytic hydrogen

  • 1(19) + 13(1) + 13/2(4) → 2116kJ/mol

VII. Butane with total electrolytics CO2 recycling approach

  • 4(11) + 4(12) + 7/2(4) + 7(2) + 1(15) → 1450kJ/mol

Conclusions

Energy balance of the calculated processes is only comparable when taking into account also sustainability of oxygen.

Energy demand for electrolytic processes is not principally lower than for thermodynamic processes, but:

  • Efficiencies of pressure making piston engines mostly are below 50%
  • Electrochemical effiencies usually are above 50%
  • Resistive heat is very inert, e.g. response to grid demands is slowly
  • Thermodynamic processes are not suitable for small units (sad to say – the world still moves to ever larger units)

e.g. Maybe our developments are too early. Nevertheless: experiments will start soon in the Helio-Synth Lab!

Arbeitsschwerpunkt

Auswahl des Arbeitsschwerpunktes mit einer Wirtschaftlichkeitsberechnung

Heizenergie von einem Kubikmeter Diesel

ca. 9000 kWh

  • 750 kg Diesel
  • 2200 kg Holz
  • 1200 kg Kohle

INPUT Werte

Auf Wunsch kann kurzfristig auch mit anderen Werten gerechnet werden.

Wirkungsgrad
Ölbrenner90 %
Holzbrenner90 %
Thermieanlage60 %
Windsystem30 %
Akku90 %
PV-System10 %
Verkohlung
Wirkungsgrad
Kohlehydrierung80 %
Anode80 %
H2-tank90 %
COs Wäscher75 %
CO2 Freisetzen80 %
CO2 Reduktion95 %
Mikroreaktor75 %
Wirkungsgrad
El. Chemische Synthese75 %
Sonnentage150 %
Sonnenstunden6 %
Windtage100 %
Windstunden12 %
Akku-Ladezyklen1.000 %
I-Kohlehydrierung (A/dm2)10 %
Wirkungsgrad
I-Hydroniumerzeugung (A/dm2)3 %
I Freisetzung CO2 (A/dm2)3 %
I Reduktion CO2 (A/dm2)3 %
I El. Chemische Synthese (A/dm2)3 %

Alternative 1: Hydridspeicher

Das Wissen ist sehr gut dokumentiert, wie zum Beispiel im Buch „Handbook of Hydrogen Storage: New Materials for Future Energy Storage“ von Michael Hirscher.

Trend: Speichermedium ist verkohlte Biomasse

Bild: Volumetric adsorption testing apparatus aus „Hydrogen storage capacity of activated carbon pellet bounded by Lignocellulose liquid“ von Y.Nasrudin, Mahmud Sudibandriyo, Awaludin Martin, Jauhari Ali.

Alternative 2: CO2 Recycling

Alternative 3: Kohlehydrierung

Sprit aus Kohle und solarem Wasserstoff

Das Wissen über Kohleveredelung ist sehr umfangreich und wurde bzw. wird noch immer großindustriell angewandt.

Neuer Weg: elektrochemisch für kleine Einheiten ist im Versuchsstadium

Begriffserklärung

solarthermische Anlagekonventionelle, saisonale Speicherung von Warmwasser in einer großen kaverne
netzgekoppelte PVselbsterklärend
Insel PV-Anlage (Akkus)saisonale Speicherung photovoltaischer Energie in Blei-Akkumulatoren
kohleaequ. Hydrierungder Heizölmenge entsprechende Kohle wird mit solarem Wasserstoff zu Brennstoff gemacht
brennstoffaequ. Hydrierungnur so viel Kohle wird hydriert, damit die gegebene Heizölmenge dabei herauskommt
PV-Anlage mit Hydridspeichereine PV-Anlage erzeugt Wasserstoff, der in einem drucklosen Feststoff-Speicher bei Raumtemperatur gelagert wird
CO2-Recycling mit MikR.CO2 wird in Lauge eingefangen und mit erneuerbarem Strom wieder in Brennstoff rückgeführt
teilweise thermisches CO2 Recyclingwie oben, nur das Wieder-Freisetzen des CO2 erfolgt mit Parabolspiegelkollektoren
CO2 Recycling mit Elektroaktiver Membranwie obige zwei Anzätze, nur elektrochemisch mit einer revolutionären Membrantechnologie

Energiebedarf

Die Werte sind variabel, weil PV- und Thermieflächen wetterabhängig sind!

1m3 Heizöl enspricht
1.208,6 kg Kohle
4,77 Raummeter Holz

Art der EnergiewirtschaftkWh elektrischm2 Photovoltaikm2 Thermiem3 Speicher
Solarthermischer Anlage0034128
Netzgekoppelte PV8.92912400
Insel PV-Anlage (Akkus)19.412270059
Kohleaequ. Hydrierung4.0495602
Brennstoffaequ. Hydrierung2.1283001
PV-Anlage mit Hydridspeicher9.821137012
CO2-Recycling mit Thermischem Mikroreaktor11.106154012
Teilweise Thermisches CO2 Recycling4.40861196
CO2 Recycling mit elektroaktiver membran9.85312706

Schlussfolgerungen

  1. Kohlehydrierung benötigt die kleinste PV-Fläche und liefert damit Brennstoff mit einem konkurrenzfähigen Preis.
  2. Kohlehydrierung ist die beste Alternative Sonnenstrom unabhängig von Netzbetreibern und Einspeisetarifen zu verwerten.
  3. Kohle kann auf viele verschiedene Arten gewonnen werden (Kohlegewinnung aus Biomasse birgt ein gewisses Missbrauchsrisiko).
  4. Kohlehydrierung benötigt nur einen Verfahrensschritt.

Erste Ergebnisse

Erste experimentelle Ergebnisse der Kohlehydrierung in kleinsten Einheiten durften wir auf der EMR 2017 – The Energy and Materials Research Conference in Lissabon vorstellen.

Abstract

From the Energy and Materials Research Conference – EMR 2017 in Lisbon (Portugal), 5-7 April 2017

Electrochemistry of Coal for Fuel Synthesis and Energy Storage

F. Kröner
HELIO-SYNTH e.V., W. Hohenheimstrasse 5, 9500 Villach, Austria
At EMR2012 the author presented theoretical calculations of the subject. Now first experimental results are available.
The purpose of the research is to invent a device for making fuel out of coal. The device shall react very fast to an alternating power source and shall be down scalable to very small units. These are typical demands of renewable electricity generation.
Therefore an electrochemical approach which works near room temperature is going to be developed. The ansatz can be seen as the electrochemical analogue of the Bergius-Pier process.
Physically there are two steps of el ectrochemical reactions. Crushed Coal is switched as the cathode in an electrochemical cell, which anode is a platinum grid. The electrolyte may be any acid.
In a first voltage step protons of the electrolyte are attached with covalent bonds to surface sites of the carbon of the coal particles. This hypothesis is experimentally supported by the fact that when replacing the power supply by a resistor, a current in the opposite direction is observed with a characteristic time which is orders of magnitude higher than the RC constant of the electrochemical cell. It is supposed, although not yet experimentally proven, that a carbon modification with a much higher surface to volume ratio could make a valuable electrolyte-air battery out of the device.
When increasing the applied voltage in a second step, the conductivity of the cell in creases remarkably, which means either hydrogen production occurs or the synthesis of some hydrocarbons takes place. When feeding pulses both in forward and reverse direction it can be demonstrated that carbon containing liquids as reaction products appear, and cathodic hydrogen production can be suppressed. Since there are many degrees of freedom regarding the electronic pulse series, there are also some degrees of freedom in the resulting reaction products of this electrochemical cell.
Chemically it can be explained that low voltages correspond to C-H bonds, which are exothermic, and higher voltages correspond to the dissociation of C-C bonds which is endothermic. With the height and width of the pulses there are some degrees of freedom to synthesize the output molecules.
Patents pending
Keywords: fuel synthesis; electrochemical