Die Erfindung betrifft eine Plasmaelektrodenanordnung sowie eine Plasmalysevorrichtung mit einer solchen Plasmaelektrodenanordnung.

Es ist bekannt Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan, Erdgas, Biogas oder Schweröl, mittels des Kvaerner- Verfahrens in einem Plasmabrenner bei etwa 1600 °C in Kohlenstoff und Wasserstoff zu trennen. Ferner ist grundsätzlich auch die Plasmavergasung fester oder flüssiger organischer Ausgangsstoffe bekannt. Dabei nutzt Kvaerner wie beispielsweise in WO 93/20152 gezeigt, eine hohle innerhalb einer Außenelektrode angeordnete Innenelektrode zur Erzeugung des Plasmas.

Hier setzt die Erfindung an, die eine Verbesserung einer solchen Plasmaelektrodenanord- nung zum Ziel hat.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Plasmaelektrodenanordnung umfassend eine zylindrische hohle Außenelektrode, eine ringförmige von der Außenelektrode elektrisch isoliert und beabstandet angeordnete Zündelektrode und eine innerhalb der Außenelektrode und der Zündelektrode beabstandet angeordnete Innenelektrode, wobei die Zündelektrode mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist. Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass die Nutzung einer separaten Zündelektrode es erlaubt, den Abstand zwischen Innen- und Außenelektrode zu vergrößern und so eine höhere Leistung einer mit der Plasmaelektrodenanordnung ausgestatteten Plasmalysevor- richtung erlaubt. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass die Verwendung einer Zündelektrode auch die Nutzung unterschiedlicher Plasmagase erlaubt.

Mit Hilfe einer anliegenden Hochspannung wird bei einer Zündung ein Lichtbogen zwischen Zündelektrode und Innenelektrode aufgebaut, der bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode reicht und die Ausbildung eines Plasmas zwischen Innen- und Außenelektrode initiiert.

Mit der erfindungsgemäßen Plasmaelektrodenanordnung können daher größere Elektrodensysteme stabil zur Dissoziation von kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen bei geringeren Kosten in molekularen Wasserstoff und Kohlenstoff verwendet werden.

Die Innenelektrode bildet eine Gegenelektrode zur Außenelektrode sowie zur Zündelektrode.

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Plasmaelektrodenanordnung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie sind in der Beschreibung ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.

Als Plasmagas wird bevorzugt Stickstoff und/oder Wasserstoff eingesetzt. Auch die Verwendungen weiterer Gase wie Ammoniak oder Edelgase oder Gasgemische ist möglich.

In einer Ausführungsform der Plasmaelektrodenanordnung ist die Zündelektrode an einer zur Außenelektrode weisenden Seite abgeflacht ausgebildet. Dieser Aufbau begünstigt eine Erstreckung und Bewegungsführung des Lichtbogens bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode.

Bevorzugt nimmt eine Dicke der Zündelektrode von einer von der Außenelektrode abgewandten Seite zu einer zur Außenelektrode weisenden Seite ab. Auch dieser Aufbau begünstigt eine Erstreckung des Lichtbogens bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode. Bevorzugt ist die Zündelektrode im Wesentlichen als hohler Kegelstumpf ausgebildet. Darüber kann sowohl die abnehmende Dicke der Zündelektrode in einer einfach herzustellenden Geometrie gewährleistet werden als auch die Aufnahme der Innenelektrode im Hohlraum der Zündelektrode.

In einer Ausführungsform weist die Zündelektrode einen Befestigungsbereich auf, mit dem sie über isolierende Distanzhalter mit der Außenelektrode mechanisch verbunden ist. Damit ist eine einfache Montage der Plasmaelektrodenanordnung möglich, bei der über die isolierenden Distanzhalter sowohl die Isolierung als auch die Einhaltung eines Abstandes zwischen Zünd- und Außenelektrode gewährleistet wird.

Bevorzugt weist ein Zündzwischenraum zwischen Zünd- und Innenelektrode eine Breite im Bereich von 4 bis 20 mm auf.

Ein Plasmazwischenraum zwischen Außen- und Innenelektrode weist bevorzugt eine Breite von mehr als 20 mm auf. Mit einem derart großen Abstand ist eine höhere Spannung bei der Aufrechterhaltung des Plasmas möglich und damit eine höhere Ausbeute.

Bevorzugt weisen die Außenelektrode und/oder die Zündelektrode und/oder die Innenelektrode Graphit auf oder bestehen aus Graphit. Graphit ist als Elektrodenwerkstoff besonders gut geeignet, der er gute Leitfähigkeitswerte aufweist und einfach formbar ist. Darüber hinaus werden bei Nutzung von Graphitelektroden in den hier zu Grunde liegenden Prozessen auch bei Abnutzung der Elektroden Verunreinigungen des entstehenden Kohlenstoffs vermieden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Plasmaelektrodenanordnung weiter eine auf einer der Außenelektrode abgewandten Seite der Zündelektrode und von dieser beab- standet angeordnete Gasführungsvorrichtung, wobei die Gasführungsvorrichtung Kanäle und/oder Rillen zur Führung von Gas umfasst und die Kanäle und/oder Rillen insbesondere konzentrisch angeordnet sind. Eine mit Hilfe der Gasführungsvorrichtung zusätzlich zur ringförmigen Zündelektrode gerichtete Strömung des einströmenden Plasmagases begünstigt eine Erstreckung des Lichtbogens der Zündung bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode und bieten eine Unterstützung beim Ausbilden des Plasmas in Form eines Bogens oder einer Fackel . Bevorzugt umfasst die Gasführungsvorrichtung mindestens einen Gasführungsring mit Kanälen und/oder Rillen, die in einem Gehäuse, bevorzugt einem Keramikrohr angeordnet ist.

Die Innenelektrode ist bevorzugt hohl ausgebildet ist. So kann sowohl Plasmagas als auch in bestimmten Anwendungen ein zu prozessierendes Ausgangsstoffgas durch die Innenelektrode zugeführt werden.

Bevorzugt umfasst die Plasmaelektrodenanordnung ein Elektrodenwechselsystem umfassend eine Mehrzahl von Innenelektroden in einer Trommelanordnung eines Revolversystems, wobei das Elektrodenwechselsystem ausgebildet ist, genau eine Innenelektrode in einen Innenraum der Außenelektrode abzusenken und nach einer vorbestimmten Zeit oder auf ein Steuersignal hin, die abgesenkte Innenelektrode hochzuziehen, die Trommel um mindestens eine Position weiterzudrehen und eine weitere Innenelektrode in den Innenraum abzusenken. Mit Hilfe eines solchen Elektrodenwechselsystems können die Innenelektroden, die sich im Prozess regelmäßig abnutzen einfach getauscht werden. Ein derartiges Elektrodenwechselsystem kann auch in Plasmaelektrodenanordnungen ohne Zündelektrode Anwendung finden.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Plasmaelektrodenanordnung einen Bajonettanschluss zum Anschluss an einen Bajonettsockel in einer Öffnung eines Reaktionsraumes umfasst, wobei Außenelektrode und Zündelektrode mechanisch mit dem Bajonettanschluss verbunden sind.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Plasmalysevorrichtung zur Spaltung eines Ausgangsstoffs in mindestens ein Produktgas und mindestens ein Beiprodukt umfassend eine Plasmaelektrodenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung zumindest teilweise angeordnet in einem Reaktionsraum und mindestens eine Ausgangsstoffzuführung im Reaktionsraum sowie eine mit der Außenelektrode verbundene Gleichstromquelle. Eine Plasmalysevorrichtung kann auch als Elektrolyse- oder Plasma-Elektrolysevorrichtung bezeichnet werden.

Der Ausgangsstoff kann gasförmig, fest oder flüssig sein. Es kann sich auch um eine Mischung verschiedener Ausgangsstoffe handeln. Der Ausgangsstoff umfasst bevorzugt mindestens einen Kohlenwasserstoff und wird bevorzugt in zumindest molekularen Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Der feste oder flüssige Ausgangsstoff kann auch Sauerstoff-Verbindungen enthalten, die dann zu auch die Bildung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid begünstigen, soweit erwünscht.

Der Ausgangstoff kann beispielsweise Methan enthalten. Zum Beispiel kann der Ausgangsstoff über 75 % Methan, bevorzugt über 90 % Methan, beispielsweise zwischen 90% und 99 % Methan enthalten. Das Methan wird im Plasma in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff gespalten, insbesondere findet die chemische Reaktion n CH4 -> n C (s) + 2n H2 statt, wobei n C (s) verschiedene feste Kohlenstoffstrukturen enthalten kann, z.B. eine oder mehrere Kohlenstoffstrukturen Ck mit k kleiner oder gleich n. Kohlenstoffstrukturen können beispielsweise elementare Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Kohlenstoffnanokegel oder andere Kohlenstoffstrukturen sein. Die elementaren Kohlenstoffpartikel können beispielsweise eine Größe zwischen 50 |j.m und 180 |j.m haben. Es können sich auch Kohlenstoffschichten ausbilden. Dies ermöglicht ein effizientes Erzeugen von molekularem Wasserstoff und elementarem Kohlenstoff aus Methan.

Weitere Beispiele für kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoffe sind Naptha aber auch Flaregas, Deponiegas aber auch reine Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise reines Propan.

Der Ausgangsstoff kann beispielsweise Erdgas sein. Erdgas kann beispielsweise die folgenden Stoffe enthalten: zwischen 30 % und 99 % Methan, z.B. zwischen 75 % und 99 % Methan, insbesondere zwischen 90 % und 99 % Methan, zwischen 0 % und 15 % Ethan, z.B. zwischen 1 % und 15 % Ethan, insbesondere zwischen 1 % und 3 % Ethan, zwischen 0 % und 10 % Propan, z.B. zwischen 1 % und 10 % Propan, insbesondere zwischen 0,3 % und 0,5 % Propan, zwischen 0 % und 1 % Butane, insbesondere zwischen 0,1 % und 0,2 % Butane, zwischen 0 % und 1 % Ethen, zwischen 0 % und 1 % Pentane, insbesondere zwischen 0,01 % und 0,03 % Pentane zwischen 0 % und 1 % Hexan, insbesondere zwischen 0,001 % und 0,02 % Hexan, zwischen 0 % und 35 % Schwefelwasserstoff, zwischen 0 % und 70 % Stickstoff, z.B. zwischen 0 % und 15 % Stickstoff, insbesondere zwischen 0,5 % und 1 % Stickstoff, zwischen 0 % und 10 % Kohlenstoffdioxid, insbesondere zwischen 0,1 % und 0,3 % Kohlenstoffdioxid.

Erdgas kann zusätzlich Spuren von Sauerstoff, z.B. zwischen 0,001 % und 0,01 % Sauerstoff enthalten. Erdgas kann auch Edelgase, wie Helium, Argon, Neon, Krypton oder Xenon, beispielsweise mit einem jeweiligen Mengenanteil zwischen 0 % und 15 % enthalten.

Ein weiterer bevorzugter Ausgangsstoff ist Biogas. Dieses kann insbesondere zur Erzeugung von Syngas genutzt werden. So kann beispielsweise bei einer Biogaszusammensetzung von bei Zuführung von 50% CH4 und 50% CO2 erzeugen im Verhältnis 1 :14 H2 und CO.

Als feste oder flüssige Ausgangsstoffe kommen weiter insbesondere Abfälle in Frage, aus denen so kostengünstig Wasserstoff und nutzbare Beiprodukte gewonnen werden können und zusätzlich die Last an zu deponierendem Abfall deutlich gesenkt oder sogar ganz eliminiert werden kann. Insbesondere Klärschlamm, Biomasse, wie Speisereste, Mist, Haushaltsabfälle, Medikamentenabfälle, Autoreifen, Kunststoffabfälle, Verpackungsmüll, Industrieabfälle, RESH (brennbare, geschredderte Abfälle aus der Automobilindustrie RESH besteht aus folgenden Materialgruppen, wobei die genaue Zusammensetzung variieren kann: Kunststoffe 62 % (darunter 29 % Elastomere), Autoglas, Sand 16 % , Lackstaub, Rost etc. 11 % Textilien, Leder 6 %, Holzfaser, Pappe 4 %, Metalle 1 %), Abfallprodukte umfassend glasfaserverstärkte Kohlenstoffe wie Glasfaserkabel oder Rotorblätter, beispielsweise von Windenergieanlagen sind in erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung nutzbar. Auch kommunale oder industrielle Abwasser, Holzgaskondensatwasser, Fettwasser, Zellulosewasser, Brüdenwasser, Zentratwasser, Presswasser, Prozesswasser aus einer Klärschlammbehandlung, Deponiesickerwasser, Waschwasser beispielsweise aus der Rauchgasreinigung, veröltes Wasser, Bergbauabwasser, Abwasser aus der Ölgewinnung (beispielsweise aus Fracking, von Bohrplattformen), Ammoniakwasser, Gülle (beispielsweise Schweine-, Rinder- oder Geflügelgülle), flüssigen Gärreste oder aus diesen gewon- nene Prozesswasser kommen als Ausgangsstoff in Frage. Statt Abfallprodukten oder Abfällen können auch nachwachsende Rohstoffe, beispielweise Biomasse aus zum Beispiel Pflanzen oder Pflanzenteile als Ausgangstoffe genutzt werden oder wasserstoffenthaltende Flüssigkeiten wie zum Beispiel Cyclohexan, Heptan, Toluol, Benzin, JP-8 oder Diesel.

Besonders bevorzugt sind Ausgangsstoffe, die als wasserstoffenthaltende Feststoffe und/oder Flüssigkeiten solche umfassen, die Kohlenwasserstoffverbindungen aufweisen. Dann entsteht bei der Plasmalyse fester Kohlenstoff, (C(s)), wobei C (s) verschiedene feste Kohlenstoffstrukturen enthalten kann, z.B. eine oder mehrere Kohlenstoffstrukturen. Kohlenstoffstrukturen können beispielsweise elementare Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Kohlenstoffnanokegel oder andere Kohlenstoffstrukturen sein. Die elementaren Kohlenstoffpartikel können beispielsweise eine Größe zwischen 50 |j.m und 180 |j.m haben. Es können sich auch Kohlenstoffschichten ausbilden. Dies ermöglicht ein effizientes Erzeugen von molekularem Wasserstoff und elementarem Kohlenstoff aus den Ausgangsstoffen. Insbesondere wird dadurch eine kosten- und energieeffiziente Möglichkeit geschaffen, aus Abfallprodukten hochwertigen Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff zu erzeugen.

Bei der Nutzung von Ausgangsstoff mit Kohlenwasserstoffen ist insbesondere die Erzeugung niederkettigerer Kohlenwasserstoffe beispielsweise als gasförmige weitere Beiprodukte möglich.

Die Plasmalysevorrichtung umfasst bevorzugt eine mit Zündelektrode verbundene separate Hochspannungsquelle. Die Hochspannungsquelle kann sowohl eine Hochfrequenzais auch eine Niederfrequenzspannungsquelle sein. Die Hochspannungsquelle ist bevorzugt ein Generator, der über ein Anpassnetzwerk mit der Zündelektrode verbunden ist. Dies ermöglicht lange Lichtbögen und stabilisiert den Gleichstromplasmabogen beim Start der Plasmalysevorrichtung bis die Außenelektrode und die sie umgebende Atmosphäre heiß sind (z.B. 3 s). Als Niederfrequenzquelle wird ein Trafo zusammen mit dem Generator verwendet. Zu Einstellung einer geeigneten Bogenlänge wird bevorzugt ein Trafo mit mindestens 6kV verwendet.

Bevorzugt ist die Zündelektrode über eine Kontaktierungsvorrichtung, beispielsweise einen Draht oder Graphitstab, mit der Hochspannungsquelle verbunden. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Plasmalysevorrichtung eine Plasmagaszuleitung für Plasmagas verbunden mit der Gasführungsvorrichtung.

Bevorzugt umfasst die Plasmalysevorrichtung weiter eine Magnetspule, die außen um den Reaktionsraum angeordnet und ausgebildet ist ein Magnetfeld zu erzeugen, in dem zumindest ein von der Zündelektrode abgewandtes Ende der Außenelektrode angeordnet ist. Über ein derartiges Magnetfeld kann die Ausbreitung des Plasma beeinflusst werden und insbesondere ein Überschlag des Plasmas an eine Wand des Reaktionsraumes verhindert werden.

Eine Ausgangsstoffzuführung ist im Reaktionsraum bevorzugt unterhalb der Plasmaelektrodenanordnung angeordnet. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Behandlung des Ausgangsstoffs. Des Weiteren ermöglicht die Ausgangsstoffzuführung unterhalb der Plasmaelektrode bei gasförmigen Ausgangsstoffen spezielle Gasführungen eine Verweilzeit des gasförmigen Ausgangsstoffs, eine gleichzeitige Kühlung der Reaktorinnenwand und auch eine bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit von mehr 18 m/s an der Gasausleitung sicherzustellen. Dies beugt einer Versottung der Kammer und nachgelagerter Systeme wie Rohre und Wärmetauscher bis zu einem möglichen Kohlenstoffabscheider vor.

Bevorzugt ist der Reaktionsraum in einen Plasmaerzeugungsbereich und einen Spaltungsbereich aufgeteilt, wobei beide Bereiche durch eine Verengung voneinander getrennt sind. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Ausgangsstoffzuführung im Spaltungsbereich angeordnet ist. Die Trennung in beide Bereiche bedeutet nicht, dass eine Spaltung zwangsläufig ausschließlich im Spaltungsbereich stattfindet, viel mehr kann sie auch teilweise im Plasmaerzeugungsbereich auftreten.

Die Plasmalysevorrichtung weist bevorzugt mindestens eine Gasableitung für ein erzeugtes Produktgas, insbesondere für molekularen Wasserstoff sowie gasförmige Beiprodukte auf sowie eine Ableitung für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum. Feste Beiprodukte, wie beispielsweise fester Kohlenstoff können beispielsweise in Pulverform vorliegen. Das Abführen der festen Beiprodukte aus dem Reaktionsraum verbessert die Prozesseffizienz verbessern, da diese den Spaltungsprozess nicht mehr stören können und sorgt für einen kontinuierlichen Prozess. Feste Beiprodukte können beispielsweise für den Fall, dass der Ausgangstoff Methan ist, pulverförmiger Kohlenstoff in unterschiedlichen Modifikationen sein. Bevorzugt kann ein Kohlenstoffabscheider mit der Gasableitung verbunden sein, beispielsweise ein Zyklon oder Filtersäcke. Mit diesem kann im Gasstrom vorhandenen Kohlenstoff vom Produktgas getrennt werden, um eine Verstopfung von nachfolgenden Membranen oder Adsorbern zu verhindern.

Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere Membranen und/oder einen oder mehrere Adsorber aufweisen, um gasförmiges Beiprodukt aus einem Gasstrom der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff herauszufiltern. Diese können beispielsweise innerhalb der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff oder an einem Ende der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff angeordnet sein. Es können zum Beispiel Polymermembranen zur Trennung von molekularem Wasserstoff und gasförmigen Beiprodukt, eingesetzt werden. Als Adsorber können beispielsweise keramische Werkstoffe mit großer Oberfläche und hoher Adsorptionskapazität für ein entsprechendes gasförmiges Beiprodukt verwendet werden, insbesondere sogenannte Molekularsiebe. Neben Zeolithen, also kristallinen Alumosilikaten können dies auch Kohlenstoffmolekularsiebe sein. Es können zum Beispiel Kieselgel (Silica-Gel) oder aktiviertes Aluminiumoxid als Adsorber eingesetzt werden. Als Adsorber kann auch beispielsweise Zeolite Socony Mobil-5 (ZSM-5), ein synthetischer high-silica Alumosilicat-Zeolith eingesetzt werden. Dies ermöglicht es gasförmiges Beiprodukt vom molekularen Wasserstoff abzutrennen. Des Weiteren kann das gasförmige Beiprodukt wieder über die Zuleitung in den Reaktionsraum zugeführt werden. Dies kann die Ausbeute an molekularen Wasserstoff erhöhen.

Ferner kann die Membran oder der selektive Adsorber auch selektiv in die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff eingeführt werden, um eine Zusammensetzung des die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff durchströmenden Gasstroms einzustellen. Beispielsweise kann entsprechend den Anforderungen an einen Methan-Wasserstoff- Treibstoff gezielt im Gasstrom verbleibendes Methan in einem vorbestimmten Verhältnis mit dem molekularen Wasserstoff gemischt werden. Dies kann es ermöglichen einen synthetischen Treibstoff, insbesondere ein synthetisches Gas bereitzustellen.

Insbesondere feste Beiprodukte mit geringen Partikelgrößen, wie beispielsweise elementarer Kohlenstoff, können auch zunächst über die Gasableitung abgeführt werden und anschließend abgetrennt werden.

Neben derartigen pulverförmigen festen Beiprodukten können auch feste oderfest-flüssige Schlacken oder Reste entstehen, für die neben der Ableitung auch eine zusätzliche Restableitung vorgesehen sein kann. Die Schlacken oder Reste können aber als Beiprodukte auch über die eine gemeinsame Ableitung mit weiteren Beiprodukten geführt werden und dann erst in einer weiteren Vorrichtung aufgetrennt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des von der Plas- malysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 oder einer anderen Ausführungsform der Plasmalysevorrichtung hergestellten Produktgases, insbesondere molekularen Wasserstoffs und/oder des wenigstens einen Beiprodukts zum Herstellen von Folgeprodukten.

Welche Folgeprodukte auf Basis des von der Plasmalysevorrichtung hergestellten Produktgases und/oder des wenigstens einem Beiprodukt hergestellt werden können, hängt unter anderem davon ab, welche Beiprodukte und Produktgase hergestellt werden.

Bei molekularem Wasserstoff als Produktgas ist dies auch von der erzielten Wasserstoffausbeute abhängig. Dies hängt wiederum davon ab, welche Elemente in welcher Konzentration in dem wasserstoffenthaltenden Ausgangsstoff enthalten sind. Zum Beispiel kann das wasserstoffenthaltende Gas neben Wasserstoff auch Kohlenstoff enthalten. Zusätzlich kann das wasserstoffenthaltende Gas auch Stickstoff oder Edelgase enthalten. Es kann auch Stickstoff oder ein Edelgas neben dem wasserstoffenthaltenden Gas in den Reaktionsraum eingeführt werden, beispielsweise über eine der weiteren Gaszuleitungen.

Zum Beispiel kann auch ein fester oder flüssiger Ausgangsstoff Kohlenwasserstoffe und damit neben Wasserstoff auch Kohlenstoff enthalten. Das wasserstoffenthaltende Gas kann beispielsweise Methan (CH4) enthalten.

In diesen Fällen kann das wenigstens eine Beiprodukt Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise Kohlenstoffagglomerate, enthalten. Wenn Methan durch das Plasma geführt wird, können hochwertige Kohlenstoffstrukturen erzeugt werden. Die Qualität der Kohlenstoffstrukturen hängt zusätzlich von den Parametern der Plasmalysevorrichtung während des Herstellungsprozesses ab. Bei geringerem Energieeintrag werden beispielsweise kleinere Kohlenstoffagglomerate erzeugt und eine höhere Wasserstoffausbeute erzielt. Kleinere Kohlenstoffagglomerate sind Kohlenstoffstrukturen mit kleineren Partikelgrößen der Agglomerate, beispielsweise im Bereich von Partikelgrößen unter 200 |j.m, bevorzugt unter 20pm, die zum Beispiel als Additive verwendet werden können. Mit einem höheren Energieeintrag und beispielsweise einer geringeren Durchflussrate des wasserstoffenthaltenden Gases können auch hochwertigere Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise Graphit zum Beispiel in Form von Graphitstiften, erzeugt werden. In diesem Fall ist die Wasserstoffausbeute aber verringert, beispielsweise auf 20 % gegenüber einer maximalen Wasserstoffausbeute. Die Eigenschaften der Kohlenstoffagglomerate hängen unter anderem von der Partikelgröße der Primärpartikel sowie von der Partikelgröße der Kohlenstoffagglomerate, die von den Primärpartikeln gebildet werden ab. Mit sinkender Partikelgröße der Primärpartikel nimmt die Viskosität zu, nimmt die Dispergierbarkeit ab, nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu, nimmt die Farbstärke zu und wird der Farbton brauner. Mit sinkender Partikelgröße der Kohlenstoffagglomerate nimmt die Viskosität ab, nimmt die Dispergierbarkeit ab, nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab, nimmt die Farbstärke zu, und wird der Farbton brauner.

Welche Beiprodukte mit welchen Eigenschaften hergestellt werden, hängt insbesondere von Druck, Temperatur, Leistung, Frequenz und Verweilzeit des Ausgangsstoffs im Plasma ab. Die Leistung hängt ab von der Stromstärke und Spannung. Die mittlere Partikelgröße hängt zum Beispiel besonders stark von der Stromstärke bei fester Spannung ab.

Das Beiprodukt kann beispielsweise über 95 Gew.-% Kohlenstoffpartikel enthalten. Die mittlere Partikelgröße der Kohlenstoffagglomerate kann beispielsweise zwischen 7,7 |j.m und 105 |j.m liegen. Die Kohlenstoffpartikel können Kohlenstoffagglomerate bilden, die zusammen einen porösen Festkörper bilden können. Der poröse Festkörper kann beispielsweise, Porenradien zwischen 0,18 nm und 1 ,7 nm haben. Porenvolumina können beispielsweise zwischen 0.016 und 0.037 cc/g liegen.

Das Beiprodukt kann in Form eines porösen Festkörpers vorliegen. Das Beiprodukt kann eine Oberfläche zwischen 50 m ² /g und 2000 m ² /g, bestimmt nach BET-Messung haben. Das Beiprodukt kann beispielsweise Ruß, insbesondere Industrieruß enthalten. Der Ruß kann beispielsweise eine Dibutylphthalat-Absorption (DBPA) gemessen gemäß DIN 53601 : 1978-12 zwischen 30 und 130 ml/100g und eine lodzahl von 10 bis 160 mg/g haben.

Um die Wasserstoffausbeute zu erhöhen, kann ein kaskadierter Abspaltungsprozess durchgeführt werden, in dem der Ausgangsstoff in mehreren hintereinandergeschalteten Stufen aufgespalten wird und entstehenden Gase und Beiprodukte voneinander getrennt werden.

In anderen Worten, können das hergestellte Produktgas und das wenigstens eine Beiprodukt auch durch mehrere Plasmalysevorrichtungen, beispielsweise mit unterschiedlichen Parametern der Plasmalysevorrichtung, geführt werden. Beispielsweise können die verschiedenen Plasmalysevorrichtungen unterschiedliche Temperaturen im Reaktionsraum haben und/oder die Plasmen verschiedene Temperaturen haben. Beispielsweise kann molekularer Wasserstoff, der durch das Plasma geführt wird die Temperatur erhöhen und ein heißes Wasserstoffplasma erzeugen. Durch die geänderten Temperaturen können unterschiedliche Wasserstoffausbeuten erzielt und Beiprodukte, beispielsweise mit hochwertigeren Strukturen, hergestellt werden. Beispielsweise können Gasströme die aus einer ersten Plasmalysevorrichtung abgeführt werden, auch derart getrennt werden, dass nur ein Teil der Gasströme einer nachfolgenden zweiten Plasmalysevorrichtung zugeführt wird. Dies kann es ermöglichen molekularen Wasserstoff und das wenigstens eine Beiprodukt so zu erzeugen, dass diese für bestimmte Anwendungen oder für die Herstellung bestimmter Folgeprodukte optimiert sind. Beispielsweise kann das wenigstens eine Beiprodukt als Kohlenstoffstruktur in Form von Ruß folgende unterschiedliche ASTM Grade je nach vorgesehenem Anwendungszweck oder Verwendungszweck haben: N110, N115, N121 , N220, N234, N330, N326, N339, N347, N375, N539, N550 oder N650.

Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können beispielsweise Ammoniak, Acetylen oder synthetisches Gas, wie zum Beispiel ein Syngas HCO Gemisch, enthalten. Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können wiederum in weiteren Anwendungen zu nachfolgenden Folgeprodukten weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann Ammoniak zur Düngerherstellung verwendet werden. Der molekulare Wasserstoff kann auch zum Beispiel zur Energieerzeugung, Energiespeicherung, als Kraftstoff oder zur Entschwefelung von Kraftstoffen verwendet werden.

Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können beispielsweise Ammoniak, Acetylen oder synthetisches Gas, wie zum Beispiel ein Syngas HCO Gemisch, enthalten. Die Folgeprodukte des molekularen Wasserstoffs können wiederum in weiteren Anwendungen zu nachfolgenden Folgeprodukten weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann Ammoniak zur Düngerherstellung verwendet werden. Der molekulare Wasserstoff kann auch zum Beispiel zur Energieerzeugung, Energiespeicherung, als Kraftstoff oder zur Entschwefelung von Kraftstoffen verwendet werden.

Auch die Folgeprodukte des wenigstens einen Beiprodukts sind abhängig vom Ausgangsstoff. Das wenigstens eine neben dem molekularen Wasserstoff hergestellte Beiprodukt hängt von verschiedenen Parametern der Plasmalysevorrichtung während des Herstellungsprozesses ab. Durch Einstellen der Parameter der Plasmalysevorrichtung können unter anderem eine Oberflächengröße und ein Clustern von Kohlenstoffketten eingestellt werden, um so verschiedene Kohlenstoffstrukturen, beispielsweise verschiedene Rußarten, herzustellen. Die Kohlenstoffstrukturen können auch beispielsweise mit einem Plasma, beispielsweise das Plasma der Plasmalysevorrichtung nachbehandelt werden um neue kristalline Strukturen zu erzeugen. Beispielsweise können mehrere Plasmalysevorrichtun- gen in Reihe angeordnet sein, so dass die in der ersten Plasmalysevorrichtung erzeugten Kohlenstoffstrukturen in einer zweiten Plasmalysevorrichtung nachbehandelt werden können. Es können daher verschiedene Kohlenstoffstrukturen in verschiedenen Formen hergestellt werden. Die Parameter der Plasmalysevorrichtung können während des Herstellungsprozesses beispielsweise so optimiert werden, dass ein bestimmtes Beiprodukt, z.B. mit einer bestimmten Kohlenstoffstruktur, erzeugt wird, die für eine bestimmte Anwendung bzw. Weiterverarbeitung in ein Folgeprodukt optimiert ist.

Folgeprodukte, die aus den Kohlenstoffstrukturen hergestellt werden können oder bei denen die Kohlenstoffstrukturen als Additiv hinzugefügt werden können, können beispielsweise kompostierbare Produkte wie Kaffeekapseln und Behälter, oder auch Futtermittelzusätze, Keramiken, verbesserte Gülle, Aktivkohle für die Abwasserreinigung, Kohle zur Extraktion von Phosphor und anderen chemischen Grundstoffen im Klärschlamm, verbesserte Erde zur verbesserten Speicherung von Nährstoffen, Kohlenstoff-Binder-Mischungen beispielsweise als Baustoffersatz oder Kunststoffersatz, Kohlenstoff-Polymer-Mischungen, Kohlenstoff-Biopolymere, Kohlenstoff-Silikate, Koks, Asphaltmischungen, Zementmischungen, Betonmischungen, Reifen, Farben, Lacke, schwarze Oberflächen, Batterien, Beschichtungen, Toner, Tinte, leitende Tinte, mechanische Gummiprodukte, Fließbänder, Hüllen, Verschlüsse, Kunststoffe, Kabel und Behälter enthalten. Bestimmte Folgeprodukte können zum Beispiel zur Dämmung, Filtration, Verpackung oder für den Leichtbau verwendet werden.

Ein weiteres Folgeprodukte kann beispielsweise ein Methan-Kohlenstoffdioxid-Gemisch (CH4 + CO2) sein, dass als Vorprodukt für das Fischer-Tropsch-Verfahren verwendet werden kann, um Kerosin herzustellen. Folgeprodukte können auch synthetische Kraftstoffe enthalten, die auf Basis der von der Plasmalysevorrichtung hergestellten Gasströme synthetisiert werden können. Eine Synthese kann auch in der Plasmalysevorrichtung selbst durchgeführt werden, beispielsweise bei 50 bar. Es können auch Spaltungsschritte mit Syntheseschritten kombiniert werden.

Auch Schlacken und Reste können je nach Ausgangsstoff in Folgeprodukten weiterverwendet werden, so können sie beispielsweise als Zuschlagstoffen in Asphalt verwendet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung von in einer Plas- malysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 oder einer anderen Ausführungsform der Plasmalysevorrichtung hergestellten molekularem Wasserstoff für die folgenden Anwendungen: als Brennstoff, zur Herstellung eines Wasserstoffverbrennungsprodukts, als Antriebsmittel, zum Betreiben eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeug, zum Mischen mit Flüssiggas, zum Mischen mit Flüssigerdgas (LNG, engl. Liquified Natural Gas), zum Mischen mit flüssigem Biomethan (LBM, engl. Liquified Biomethane), zum Mischen mit Erdgas, zum Mischen mit Methan, zum Herstellen von Synthesegas, zum Herstellen von synthetischem Kraftstoff, zum Herstellen von Ammoniak, der zur Düngerherstellung weiterverwendet werden kann, zum Raffinieren von Erdöl, zum Hydrieren von chemischen Verbindungen, zum Betreiben einer Wasserstoffturbine, zum Betreiben einer Brennstoffzelle, zum Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK bzw. CHP, engl. combined heat and power), zum Betreiben eines Blockheizkraftwerks, zum Erzeugen von Energie mittels einer Brennstoffzelle, zum Erzeugen von Energie und/oder Wärme mittels einer Kraft-Wärme-Kopplung, in einer Gasseparationsanlage, in einer Gaskompressionsanlage, zum Herstellen von synthetischen Rohmaterialien, zum Speichern von Energie, zum Erzeugen von Wärme, zum Erzeugen von Energie.

Schutz ist nur für tatsächlich mit der Plasmalysevorrichtung hergestellten molekularen Wasserstoff beansprucht. In anderen Worten, dies betrifft genau die Situation, in der der molekulare Wasserstoff in der Plasmalysevorrichtung hergestellt wird und dann verwertet wird, nämlich zum Beispiel, indem er für eine bestimmte Anwendung verwendet wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung von in einer Plasmalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 oder einer anderen Ausführungsform der Plasmalysevorrichtung hergestelltem Beiprodukt für die folgenden Anwendungen: als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Stahl, als Brennstoff, als Adsorptionsmittel, beispielsweise in der Chemie, Medizin, Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung, Lüftungstechnik oder Klimatechnik, als Trägermaterial von Katalysatoren für heterogene Katalyse, als Grundmaterial zur Herstellung von Kohlenstoffstrukturen, - als Additiv für die Herstellung von Asphalt, als Additiv für die Herstellung von Zement, als Additiv für die Herstellung von Beton, als Inhaltsstoff eines Wärmeleitmittels, beispielsweise einer Wärmeleitpaste, als Aktivkohle zur Abwasserreinigung, - als Futtermittelzusatz, als Additiv zu einem Binder, als Additiv zur Erde zum verbesserten Speicherung von Nährstoffen, als Kohle zur Extraktion von Phosphor und anderen chemischen Grundstoffen im Klärschlamm, - als Additiv in Baustoffen, als Additiv in Kunststoffen, zur Dämmung, zur Filtration, zur Verpackung, für den Leichtbau.

Das Beiprodukt kann auch beispielsweise in der Stahlindustrie, beispielsweise in Hochoder Kupolöfen verwendet werden. Schutz ist nur für tatsächlich mit der Plasmalysevor- richtung hergestelltes Beiprodukt beansprucht. In anderen Worten, dies betrifft genau die Situation, in der das Beiprodukt in der Plasmalysevorrichtung hergestellt wird und dann verwertet wird, nämlich zum Beispiel, indem es für eine bestimmte Anwendung verwendet wird.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmaelektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einer Schnittdarstellung;

Fig. 2 Eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer Plasmaelektrodenanordnung gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 3 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in der Regel auf ähnliche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmaelektrodenanordnung 1000. Diese umfasst eine zylindrische hohle Außenelektrode 200, eine Zündelektrode 100 sowie eine Innenelektrode (hier nicht dargestellt). Die Innenelektrode ist innerhalb der Außenelektrode 200 und der Zündelektrode 100 beabstandet angeordnet und bevorzugt ebenfalls hohl ausgebildet. Die Innenelektrode bildet eine Gegenelektrode zur Außenelektrode und zur Zündelektrode.

Die Zündelektrode 100 ist ringförmig aufgebaut und von der Außenelektrode 200 elektrisch isoliert und beabstandet angeordnet. Die Zündelektrode 100 ist des Weiteren mit einer Hochspannungsquelle verbindbar, hier über eine Kontaktierungsvorrichtung 120. In der ge- zeigten Ausführungsform ist die Zündelektrode 100 an einer zur Außenelektrode 200 weisenden Seite abgeflacht ausgebildet und ihre Dicke nimmt von einer von der Außenelektrode 200 abgewandten Seite zu einer zur Außenelektrode weisenden Seite ab. Die Zündelektrode 100 ist hier mithin im Wesentlichen als hohler Kegelstumpf ausgebildet, an den sich ein Befestigungsbereich 110 anschließt. Über den Befestigungsbereich 110 ist die Zündelektrode über isolierende Distanzhalter 210 mit der Außenelektrode 200 mechanisch verbunden. Zündelektrode 100, Außenelektrode 200 und Innenelektrode 300 sind hier bevorzugt aus Graphit gefertigt.

Oberhalb der Zündelektrode 100 sind über weitere isolierende Distanzhalter zwei Gasführungsringe 410 einer Gasführungsvorrichtung 400 angeordnet. Die Gasführungsringe 410 und mit ihnen die Gasführungsvorrichtung 400 weisen in der gezeigten Ausführungsform Kanäle zur Führung von Gas auf. Auf diese wird in Fig. 2 näher eingegangen. Die Gasführungsringe 410 sind hier in einem Gehäuse 450 aufweisend ein Keramikrohr angeordnet.

Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 umfasst weiter einen Bajonettanschluss 500 zum Anschluss an einen Bajonettsockel in einer Öffnung eines Reaktionsraumes. Der Bajonettanschluss 500 weist dabei Bajonettstifte 510 zum Eingriff in entsprechende Öffnungen des Bajonettsockels auf. Die Außenelektrode 200 und die Zündelektrode 100 sind mechanisch mit dem Bajonettanschluss 500 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Außenelektrode innerhalb des Bajonettanschlusses und von diesem ausgehend weiter in den hier nur angedeuteten Reaktionsraum.

Fig. 2 zeigt ergänzend in einer schematischen Darstellung das Ausführungsbeispiel einer Plasmaelektrodenanordnung 1000 gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht. Hier sind insbesondere die Kanäle 420 der Gasführungseinrichtung 400 gut zu erkennen, welche konzentrisch um eine innere Öffnung angeordnet sind, durch die die Innenelektrode geführt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmalyse- vorrichtung 2000 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die Plasmalysevorrichtung 2000 zur Spaltung eines Ausgangsstoffs in mindestens ein Produktgas und mindestens ein Beiprodukt umfasst eine Plasmaelektrodenanordnung 1000. Diese befindet sich zumindest teilweise in einem Reaktionsraum 2005, der hier in einen Plasmaerzeugungsbereich 2010 und einen Spaltungsbereich 2020 aufgeteilt, wobei beide Bereiche durch eine Verengung 2015 voneinander getrennt sind. Die Trennung in beide Bereiche bedeutet nicht, dass eine Spaltung zwangsläufig ausschließlich im Spaltungsbereich stattfindet, viel mehr kann sie auch teilweise im Plasmaerzeugungsbereich auftreten.

Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 umfasst hier eine Zündelektrode 100, eine Außenelektrode 200 sowie eine Innenelektrode 300. Des Weiteren umfasst sie eine Gasführungsvorrichtung 400. Ein Plasmagas kann über die Plasmagaszuleitung 2800 zugeführt werden, welche mit der Gasführungsvorrichtung verbunden ist.

Eine Ausgangsstoffzuführung 2100 ist hier im Spaltungsbereich 2020, also unterhalb der Plasmaelektrodenanordnung 1000 angeordnet.

Die Plasmalysevorrichtung 2000 weist weiter eine mit der Außenelektrode 200 verbundene Wechselstromquelle 2400 auf. Die Zündelektrode 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer separaten Hochspannungsquelle 2300 verbunden. Die Hochspannungsquelle 2300 kann sowohl eine Hochfrequenz- als auch eine Niederfrequenzspannungsquelle sein.

Die Plasmalysevorrichtung 2000 umfasst weiter eine Magnetspule 2600, die außen um den Reaktionsraum 2005 angeordnet und ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, in dem zumindest ein von der Zündelektrode 100 abgewandtes Ende der Außenelektrode 200 angeordnet ist.

Die Plasmalysevorrichtung 2000 weist hier auch eine Gasableitung 2200 für ein erzeugtes Produktgas, insbesondere für molekularen Wasserstoff sowie gasförmige Beiprodukte auf sowie eine Ableitung 2700 für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum.

Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 weist ein Elektrodenwechselsystem 2500 umfassend eine Mehrzahl von Innenelektroden 300 in einer Trommelanordnung eines Revolversystems auf. Dabei ist das Elektrodenwechselsystem 2500 ausgebildet, genau eine Innenelektrode in einen Innenraum der Außenelektrode 200 abzusenken und nach einer vorbestimmten Zeit oder auf ein Steuersignal hin, die abgesenkte Innenelektrode 300 hochzuziehen, die Trommel um mindestens eine Position weiterzudrehen und eine weitere Innenelektrode in den Innenraum abzusenken. Bezuqszeichen

100 Zündelektrode

110 Befestigungsbereich

120 Kontaktierungsvorrichtung 200 Außenelektrode

210 Distanzhalter

300 Innenelektrode

400 Gasführungsvorrichtung

410 Gasführungsringe 420 Kanäle

450 Gehäuse

500 Bajonettanschluss

510 Bajonettstifte

1000 Plasmaelektrodenanordnung 2000 Plasmalysevorrichtung

2005 Reaktionsraum

2010 Plasmaerzeugungsbereich

2015 Verengung 2020 Spaltungsbereich

2100 Ausgangsstoffzuführung

2200 Gasableitung

2300 Hochspannungsquelle 2400 Wechselstromquelle

2500 Elektrodenwechselsystem

2600 Magnetspule

2700 Ableitung

2800 Plasmagaszuleitung