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News | 31.3.2015
Stromspeicher

Kraftwerk liefert wertvolle Stoffe

Die Abbildung zeigt die Verbrennung von flüssigem Lithium. Reaktionsprodukte werden in korallenartigen Strukturen abgelagert.
© Universität Bielefeld
Auf der Grafik zu sehen ist der schematische Aufbau der Technikumsanlage.
© Ruhr-Universität Bochum
Die Simulation zeigt die Partikeltrajektorie innerhalb des Brennraumes und Lithium Metallflamme.
© Siemens AG

Wissenschaftler untersuchen Alkali- und Erdalkalimetalle als Brennstoff für Kraftwerksprozesse. Exemplarisch haben sie im Labor eine Reaktionskammer für die Verbrennung von Lithium aufgebaut. Der experimentelle Lithiumbrenner erreicht eine thermische Leistung von 30 Kilowatt. Er zerstäubt und verbrennt geschmolzenes Lithium in Kohlendioxid-Atmosphäre zu Lithiumcarbonat. Zusätzlich wird Kohlenmonoxid gewonnen.

Die Idee der Wissenschaftler ist, mit überschüssiger, elektrischer Energie elektrochemisch Metalle wie beispielsweise Lithium, Natrium oder Magnesium herzustellen. Bei Strombedarf wird das Metall in speziellen Kraftwerken als Brennstoff genutzt. Die Metallverbrennung in Kohlendioxid oder Stickstoff findet auf vergleichbarem thermischem Niveau statt, wie die Verbrennung fossiler Energieträger. Der Clou: Im Unterschied zu kohlenstoffbasierten Brennstoffen, entstehen bei der Metallverbrennung je nach Reaktionspartner  unterschiedliche Produkte, die als wertvolle Grundstoffe für die chemische Industrie dienen. Dies gleicht Energieverluste in der Prozesskette aus, sodass sich das Verfahren sowohl in der Energiebilanz als auch finanziell lohnen könnte. Ein geschlossener Kreislauf entsteht, wenn das Verbrennungsprodukt Lithiumcarbonat wieder zur Lithiumherstellung verwendet wird.

Industriell wertvolle Abbrandprodukte

„Wir nutzen die hohe Reaktionsfähigkeit der elektropositiven Alkalimetalle, die auch reaktionsträge Gase – wie Kohlendioxid oder Stickstoff – reduzieren können“, sagt der Projektleiter Dr. Dan Taroata und fügt hinzu: „in Stickstoffatmosphäre erhalten wir Lithiumnitrit, mit dem sich Ammoniak synthetisieren lässt.“ Kohlenmonoxid und Ammoniak  sind Grundstoffe für viele Produktionsprozesse der chemischen Industrie.

Verbrennungskonzepte

Für die Verbrennung von Lithium untersuchten die Wissenschaftler zunächst verschiedene Reaktorkonzepte. Kriterien für die Bewertung waren:

  • Vollständiger Ausbrand
  • Temperaturniveau entsprechend eines Prozesses zur Energieauskopplung für Elektrizitätsgewinnung
  • System zum Abzug der lithiumhaltigen Reaktionsprozesse aus dem Reaktor, möglichst hohe Rückgewinnungsrate

Um den vollständigen Ausbrand zu gewährleisten, muss das Lithium in kleine Tropfen oder Partikel zerstäuben. Die Forscher wiesen nach, dass die Verbrennung von zerstäubtem Lithium in typischen Brennkammern möglich ist. Der Brenner wird  ähnlich wie Kohlenstaub- oder Ölbrenner konzipiert.

Experimente im Technikumsmaßstab

Bei der Verbrennung in Kohlendioxid ist das bevorzugte feste Reaktionsprodukt Lithiumcarbonat Im Temperaturbereich zwischen 700 und 1.000 Grad Celsius flüssig und kann als Schmelze aus der Brennkammer abgezogen werden. Daher eignet sich ein Reaktorkonzept nach dem erprobten Schmelzkammerprinzip.
Lithium wird am oberen Ende in einen Reaktionsraum eingedüst, in dem es mit ebenfalls an mehreren Stellen zugeführtem CO2 reagiert. Am unteren Ende wird das zu Carbonat – die Schlacke – reagierte Material aus der Brennkammer ausgetragen, der Gasstrom entweicht nach rechts.

Numerische Simulationen des Strömungsfeldes in der Anlage zeigen, dass die Anlagengröße für einen weit fortgeschrittenen Ausbrand ausreicht. Ebenfalls konnte auf diesem Wege die Position der Sekundär-CO2-Düsen zur Beeinflussung der Strömung geprüft und prozesstechnisch angepasst werden.

Alkalimetallverbrennung in einem Sprühreaktor

Nachdem die Forscher die kontrollierte Zerstäubung von flüssigem Lithium beherrschten und verschiedene Zerstäubungsarten mit Einstoff- und Zweistoffdüsen untersucht hatten, konnten sie in dem Laborreaktor zum ersten Mal eine kontrollierte Lithium-Metallflamme aufrecht erhalten.

Die festen Reaktionsprodukte der Verbrennung von Lithium in CO2, bestätigen den erwartete Reaktionsverlauf hin zu Lithiumcarbonat. Auch die Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid verlief erwartungsgemäß.

Die Wissenschaftler analysierten auch die Reaktionsprodukte der Verbrennung von flüssigem, zerstäubtem Lithium in Stickstoff. Nach der Hydrolyse der Reaktionsprodukte, konnte auch Ammoniak nasschemisch nachgewiesen werden. Zusätzlich zu dem reinen Aspekt der Speicherung und Wiederverstromung elektrischer Energie, eröffnet die Verbrennung von Lithium in Stickstoff damit gleichzeitig einen Zugang zu Ammoniak. Ammoniak ist ein wirtschaftlich einer der meist produzierten  Rohstoffe der chemischen Industrie.

Die wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse wurde ganzheitlich in zwölf Patenten abgesichert.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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