用于降低大气中二氧化碳含量的设备和方法与流程

用于降低大气中二氧化碳含量的设备和方法
1.描述
2.本发明涉及用于降低大气中二氧化碳含量的设备，特别是用于降低大气和水中、优选海水中的二氧化碳含量的设备。此外，本发明还涉及操作这种设备的方法。
3.自1800年工业革命开始以来，大气中的co2浓度从以前稳定的280ppmv(体积的百万分率)上升到2020年的410ppmv。据预测，如果不采取任何技术来遏制碳排放，这种上升将持续甚至是加剧。
4.已批准的《巴黎协定》的主要目标是将全球平均温度的上升控制在比工业化前水平高出2℃以下，这就要在2050年前将co2排放降低到零。限制这些排放的建议包括使用生物燃料、太阳能和风力涡轮机。然而，从长远来看，降低目前的co2排放(即，限制大气中co2含量的上升)并不足以纠正迄今为止由于co2产生过剩而造成的大气中氧气和co2的不平衡。相反，从长远来看，不仅需要不进一步增加大气中co2含量，而且还需要积极降低。
5.自然界的碳循环经过长时间的自我调节，使一定量的co2存在于大气中。植物在这个过程中发挥着关键作用，其通过光合作用吸收co2中的碳并将氧含量释放回大气中。由此，将co2从空气中清除(每年有超过1000亿吨的碳被植物以这种方式吸收)。众所周知，生长中的森林，特别是树龄介于10和40年之间的森林，非常适于结合来自空气中的co2中的碳，并将氧气释放到大气中。通常情况下，这种一公顷的森林每年向大气释放约15至30吨的氧气。氧气的释放量取决于森林的类型(落叶林、针叶林或混交林)。
6.天然森林的缺点是有效的co2结合或者氧气产生仅限于上述年龄段。另一个限制是光合作用过程对阳光的依赖性。虽然森林在日光下结合co2，从而产生氧气，但在夜晚就不可能了。此外，在树木腐烂或被砍伐后，必须重新种植新的树木以维持自然界的co2循环。这需要大量的工作。
7.由于森林覆盖率在过去几十年里急剧下降并且还在持续下降，因此必须开发能够在短时间内实施的新技术，并且这些新技术能够支持剩余的天然森林的功能，并且不仅可以减缓全球变暖，而且还有助于至少部分地积极扭转由工业化造成的全球变暖。
8.因此，本发明基于以下任务：给出一种设备，该设备通过连续过程支持天然森林的功能，从而不仅减缓全球变暖，而且在长期内至少部分地扭转全球变暖。此外，本发明的任务还在于一种操作这种设备的方法。
9.根据本发明，设备方面的任务通过权利要求1的主题得以解决。在方法方面，上述任务通过权利要求17的主题得以解决。
10.具体地，该任务通过用于降低大气中二氧化碳含量、特别是用于降低大气和成比例的水中(优选海水中)的二氧化碳含量的设备、特别是发电厂得以解决，其中该设备包括以下项：
11.用于制氧的至少一个电解单元，其与至少一个供水管道相连以接收一定量的水，并适于通过电解将接收到的一定量的水分解成氧分量和氢分量；
12.至少一个氢输送装置，其将电解单元与碳化单元、特别是博世反应单元(bosch-reaktionseinheit)相连，以用于合成碳；
13.至少一个二氧化碳吸收单元，其用于净化设备周围的外部大气的环境空气，该二氧化碳吸收单元具有用于供给环境空气的至少一个空气入口和下游的至少一个吸收装置，该吸收装置适于从环境空气中提取二氧化碳量；以及
14.至少一个二氧化碳输送装置，其将二氧化碳吸收单元与碳化单元相连。
15.电解单元具有用于排放氧分量的至少一个氧气出口，并且二氧化碳吸收单元具有用于排放净化的环境空气的至少一个空气出口，其中氧气出口和空气出口通向外部大气。碳化单元具有用于排出碳的碳出口。
16.此外，该设备具有用于向设备自给自足地供电的至少一个发电单元，其中发电单元使用一种或更多种、特别是专用的可再生能源来发电。
17.在该设备的优选实施方式中，发电单元至少是用于将太阳能转换成电的至少一个光伏单元。使用光伏单元是特别优选的，因为能量生成的成本特别低。与其他可再生能量生成技术相比，借助于光伏生成能量的成本效益要高出三到十倍。如果该设备安装在日照时间长的地区(例如，沙特阿拉伯)，情况尤其如此。
18.虽然通过光伏生成能量是优选的，但发电单元也可以附加地或可替代地具有用于将风能转化为电的至少一个风力单元。附加地或可替代地，发电单元可包括将水能转化为电的至少一个水力单元。水力单元可以是至少一个水力发电厂，特别是河流发电厂或抽水蓄能发电厂。附加地或可替代地，水力单元可以包括波浪发电厂。此外，附加地或可替代地，发电单元可以是用于将热能转化为电的至少一个热力单元。热力单元可适于将来自地表下的至少一个地层的热量转换成电。其他热力单元也是可能的。
19.该设备还可以具有用于储存能量的至少一个缓冲储存器。例如，缓冲储存器可以适于储存电能。可替代地，缓冲储存器可以适于储存氢。后者是尤其优选的。缓冲储存器实现了在夜间也能够向设备提供能量，从而使设备的运行不会中断。因此，设备和方法可以连续运行。
20.本发明具有多个优点。为了制氧以排放到外部大气中，该设备只需要水作为基础材料，通过电解过程将水分解成氧和氢。这个过程称为水电解。电解单元与供水管道相连，以接收用于电解过程的一定量的水。一定量的水可以是一定量的淡水或一定量的淡化的海水。此外，还可以设置至少一个处理单元，特别是淡化单元，其在电解过程之前对一定量的水进行处理，特别是净化和/或淡化。
21.如果所接收的一定量的水被电解单元分解成氧分量和氢分量，则分离出的氧分量通过电解单元的氧气出口导出到外部大气中。由此，将外部大气中的空气与新鲜氧气混合，并支持天然森林产生氧气。
22.氧气出口可由至少一条线路、特别是管路形成，其从电解单元延伸至外部大气。可替代地，氧气出口可以由烟囱形成，分离的氧分量可以通过烟囱导出到大气中。至少一个通风机、特别是鼓风机可以布置在电解单元和氧气出口之间，以导出氧分量。
23.分离出的氢分量借助于氢输送装置至少部分地被引导到碳化单元。氢输送装置可以是与电解单元和碳化单元相连的管路。该设备可以具有氢中间储存器，该氢中间储存器在向碳化单元供给之前对氢分量进行中间储存。然后优选地，氢输送装置将电解单元与氢中间储存器相连，而该氢中间储存器又与碳化单元相连。氢中间储存器可以是容器，特别是压力容器。
24.二氧化碳吸收单元适于从环境空气中提取二氧化碳量。因此，二氧化碳吸收单元用于净化外部大气的环境空气中的二氧化碳。为此，二氧化碳吸收单元具有吸收装置，吸收装置适于从环境空气中提取至少一定的二氧化碳量。优选地，吸收装置是胺交换器。用于从空气中提取二氧化碳的其他吸收装置也是可能的。
25.二氧化碳吸收单元的优点在于，使大气中的co2浓度降低，从而再次接近工业化前的原始浓度。这是天然森林的部分功能，因此得到了进一步的支持。有利地，由此减缓了全球变暖。
26.提取的二氧化碳量由二氧化碳输送装置引导到碳化单元。二氧化碳输送装置可以是与二氧化碳吸收单元和碳化单元相连的管路。该设备可以具有二氧化碳中间储存器，在二氧化碳量通过二氧化碳输送装置传送到碳化单元之前被中间储存在二氧化碳中间储存器中。二氧化碳输送装置可将二氧化碳吸收单元与二氧化碳中间储存器相连并且与碳化单元相连。二氧化碳中间储存器可以是容器，特别是压力容器。
27.碳化单元将由氢输送装置供给的氢分量和由二氧化碳输送装置供给的二氧化碳量加工成水和碳。为此优选地，使用博世反应。也可以采用其他碳化方法。例如，碳化单元被设计用于执行克瓦纳工艺或co2等离子燃烧器方法。这样，二氧化碳量中的二氧化碳被分解成碳和氧，其中氧与氢分量中的氢结合形成水。碳可以经由碳化单元的碳出口排出，例如以用于进一步处理或储存。通过这种方式，有效降低了大气中的二氧化碳含量。
28.这里描述的设备形成一种措施，通过这种措施可以降低大气的二氧化碳含量。换句话说，该设备通过降低空气中co2含量来防止氧气含量的不期望的降低。因此，根据本发明的设备能够实现对大气中的成分的量进行调节，从而可以补偿空气成分的量的现有不平衡。
29.本发明另外的优点在于，无论白天还是夜晚，设备都可以连续运行。与需要阳光进行光合作用的天然森林相比，该设备可以持续从大气中获取二氧化碳，并连续向大气供给氧气。此外，该设备的氧输出能力以及二氧化碳提取能力基本上与设备的使用寿命无关。通过设备的运行，可以在连续过程中制氧并吸收二氧化碳，并且可通过碳化作用长期从大气中清除二氧化碳。由此，不仅为天然森林提供了可靠的支持，而且还超越了天然森林的功能，因为从大气中获取的碳是长期储存的，并且降低了因例如森林地区的燃烧而再次释放碳的风险。在这方面，将在碳化单元中生成的碳供给到碳储存器是有利的。特别地，碳储存器可以是海洋或者海底。换句话说，碳，特别是石墨形式的碳，可以永久储存在海底。
30.特别优选地，根据本发明的设备可以在沿海地区、特别是具有入湖口或入海口的沿海地区作为大型发电厂运行，因为可获得非常大量制氧用水。优选地，该设备被设计用于在非常干燥的地区、特别是沙漠中运行。这样做的好处在于，在植被很少或没有植被的地区可以通过合理利用而得到加强。根据本发明的设备基本上形成了接管天然森林的功能和/或支持天然森林的功能的人造森林。此外，该设备与光伏系统相结合，可以在能源方面完全自给自足，即不使用化石燃料。
31.在本发明的优选实施方式中，氢输送装置和二氧化碳输送装置还可以与用于制备甲醇的甲醇合成单元相连，其中甲醇合成单元具有用于排出甲醇的甲醇出口。因此，设备还被用于制备co2中和燃料，即co2中和制备的甲醇。这特别适用于设备仅由可再生能源(特别是光伏单元)提供能量的情况。
32.在未来几年中，气候保护的主要重点是尽可能保持人们的出行不对气候中和造成影响，尤其是不对二氧化碳中和造成影响。在这里，可再生的甲醇是一种可以取代以前的化石燃料的重要载能体。在这方面，设备最初可主要或完全用于生产甲醇，以满足最初的高需求。一旦需求降低，例如由于气候中和的流动性已全面实现或者流动性变得不那么重要，特别是在数字化进程中，设备的运行就会逐渐降低制备甲醇的份额，并增加碳化和碳储存的份额。例如，到2035年，设备可以生产20％的石墨储存和80％的甲醇，而到2050年，同一设备将生产50％的石墨储存和50％的甲醇，以及到2070年，将生产90％的石墨储存和10％的甲醇。
33.由于在碳化单元的碳化过程中会生成水，特别是纯水，因此如果至少部分水返回到电解单元，并因此可用于生成氢和氧，则可有利地提高设备的效率。因此，在该系统的优选实施方式中，碳化单元借助于水输送装置与电解单元相连。
34.碳化单元，特别是碳出口，优选地借助于碳输送装置与碳储存器相连。这使得碳能够长期储存，并且达到降低大气中碳含量的预期效果，从而至少部分地修正迄今为止由于工业化而出现的二氧化碳和氧之间不均衡的情况。
35.碳输送装置可以至少部分地由回水管道形成。特别地，回水管道可以通向蓄水池，优选海洋。这样，碳或者石墨就可以长期储存在海底。当然，也可以将碳作为活性碳进行处理。不过，本发明的总体目标是长期降低大气中的碳含量，如果将碳永久储存起来，就能可靠地实现这一目标。在此，海底特别适合作为碳储存器。
36.在这方面，优选地，回水管道是耐盐水的。同样，供水管道也可以是耐盐水的。特别地，供水管道和回水管道可以通向蓄水池，特别是海洋，以接收来自蓄水池的盐水或使盐水返回到蓄水池中。如果碳输送装置至少部分地由回水管道形成，则碳也可以经由回水管道被引导到蓄水池中。
37.供水管道可以具有淡化装置，以在将海水供应到电解单元之前对海水进行淡化。
38.优选地，碳化单元具有包含铁、钴、镍和/或钌的催化剂。这一点特别适用于碳化单元被设计成博世反应单元的情况。
39.除了从环境空气中提取二氧化碳之外，如果还能设置至少一个二氧化碳提取单元，该二氧化碳提取单元与供水管道相连以用于从一定量的水中提取二氧化碳，则更为有利。水中(特别是海水中)含有大量co2形式的碳，这种形式碳可以以石墨的形式长期储存。降低海水中的二氧化碳也会对大气中的co2含量产生影响，因为由于海水中co2含量的降低，排出并释放到大气中的co2也会减少。
40.在本发明的优选实施方式中，电解单元具有每年至少700000吨的氧分量的输出能力和/或二氧化碳吸收单元具有每年至少400000吨、特别是600000吨、特别是640000吨的二氧化碳量的提取能力。电解单元适于从至少1.5kg、特别是至少1.7kg的量的水中分离出至少1.2kg、特别是至少1.5kg的氧分量和/或至少0.1kg、特别是至少0.15kg的氢分量。
41.二氧化碳吸收单元适于从至少3300kg的环境空气量中提取至少1.1kg、特别是至少1.3kg、优选1.375kg的二氧化碳量。
42.本发明的并列方面涉及一种设备，特别是发电厂，用于利用大气中的二氧化碳含量，特别是利用大气和水中、优选海水中的二氧化碳含量来制备液体燃料，其中该设备包括以下项：
43.用于制氧的至少一个电解单元，其与至少一个供水管道相连以接收一定量的水，并适于通过电解将接收到的一定量的水分解成氧分量和氢分量；
44.至少一个氢输送装置，其将电解单元与用于制备甲醇的甲醇合成单元相连；
45.至少一个二氧化碳提取单元，其与供水管道相连，以用于从一定量的水中提取二氧化碳；
46.至少一个二氧化碳吸收单元，其用于净化设备周围的外部大气的环境空气，该二氧化碳吸收单元具有用于供给环境空气的至少一个空气入口和下游的至少一个吸收装置，该吸收装置适于从环境空气中提取二氧化碳量；以及
47.至少一个二氧化碳输送装置，其将二氧化碳吸收单元与甲醇合成单元相连，
48.其中，电解单元具有用于排放氧分量的至少一个氧气出口，并且二氧化碳吸收单元具有用于排放净化的环境空气的至少一个空气出口，其中氧气出口和空气出口通向外部大气，其中，甲醇合成单元具有用于排出甲醇的甲醇出口。
49.此外，该设备具有用于向设备自给自足地供电的至少一个发电单元，其中发电单元使用一种或更多种、特别是专用的可再生能源来发电。
50.该设备的优点在于，不仅可以利用大气中的二氧化碳，还可以利用与水结合的二氧化碳来生成甲醇作为气候中和的液体燃料。这增加了用于甲醇制备的原料来源，并在这方面提供了安全保障。与此同时，也在跟进降低大气中二氧化碳含量的目标。上述就降低大气中二氧化碳含量的设备的扩展方案和优点也同样适用于生成液体燃料的设备。
51.本发明的进一步并列的方面涉及一种用于降低大气中二氧化碳含量、特别是用于改善大气空气质量、特别是用于操作上述设备的方法，其中在该方法中：
52.用于制氧的至少一个电解单元通过至少一个供水管道接收一定量的水，并且通过电解将接收到的一定量的水分解成氧分量和氢分量；
53.通过至少一个氢输送装置将氢分量至少部分地引导到碳化单元；
54.通过至少一个二氧化碳吸收单元净化设备周围的外部大气的环境空气，其中将环境空气通过至少一个空气入口供给到下游的吸收装置，然后通过吸收装置从所供给的环境空气中提取二氧化碳量；以及
55.通过至少一个二氧化碳输送装置将二氧化碳量引导到碳化单元。
56.在根据本发明的方法中，将氧分量和净化的环境空气排放到外部大气中，并且在碳化单元(优选博世反应单元)中将氢分量和二氧化碳量转化为水、碳和热量。由此，能够降低大气中的二氧化碳含量，从而能够补偿空气成分的量的现有的不平衡。
57.在该方法中，设备由一种或更多种、特别是专用的可再生能源自给自足地供电。
58.该方法的优选扩展方案和优点从从属权利要求以及与上述设备相关的公开的扩展方案和优点得出。
59.因此，在本发明的优选实施方式中，博世反应单元可以通过回水管道与电解单元相连。特别地，在碳化单元中产生的水可以从碳化单元引导到电解单元，并在电解单元中可用于生成氢。这就提高了根据本发明的方法的效率，因为减少了必须供给到电解过程中的淡水比例。
60.碳化单元，特别是碳出口，其借助于碳输送装置与碳储存器相连是有利的。因此，在碳化单元中制备的碳可以供给到碳储存器以长期储存。特别地，碳储存器可以是天然储
存器，例如海底。具体来说，从碳化单元获取的碳可以类似于岩石(石墨)一样坚固，长期储存在海洋中。然而，也可以提供至少一部分碳用于工业进一步加工，例如用于生产碳纤维。但后者并不是主要目的，因为进一步加工以及可能随后燃烧进一步加工的产品并不能达到大气中的二氧化碳含量的降低。一种可以接受的进一步加工形式是将石墨用作肥料或用于改良农业土壤。然而，由于将石墨继续输送到相应地区需要能源，这通常会导致二氧化碳排放到大气中，因此降低了减少大气中二氧化碳含量的效率。
61.碳化单元中的碳化过程中产生的热量，特别是在博世反应单元中的博世反应过程中产生的热量，可以被引导到二氧化碳吸收单元，并在二氧化碳吸收单元中用作碳吸收的能量。通过这种方式，进一步提高了整个方法的效率，并降低了设备或者方法的基本能源需求。
62.用于碳化的优选博世反应的工艺温度优选介于530℃至730℃之间，该博世反应是在设计为博世反应单元的碳化单元中进行的，以用于从氢和二氧化碳生成碳。
63.在优选的实施方式中，电解单元具有每年至少700000吨的氧分量的输出能力。优选地，电解单元适于每年从至少500000吨、特别是至少700000吨、特别是750000吨的量的水中制备出至少700000吨氧。与具有每年每公顷15吨至30吨的氧气释放能力的天然森林相比，在本实施方式中，例如假设面积约为12平方公里的设备每年产生的氧是天然森林的5倍至40倍。
64.可替代地或附加地，二氧化碳吸收单元优选地具有每年至少400000吨、特别是600000吨的二氧化碳量的吸收能力。优选地，二氧化碳吸收单元适于每年从1450至1600兆吨、特别是1570兆吨的空气量中分离出至少400000吨、特别是600000吨、特别是640000吨的二氧化碳。由此，通过连续的过程，显著降低了空气中的co2浓度。
65.在另一优选实施方式中，电解单元适于从至少1.5kg、特别是至少1.7kg的量的水中分离出至少1.2kg、特别是至少1.5kg的氧分量和/或至少0.1kg、特别是至少0.15kg的氢分量。优选地，电解单元适于从1.7kg的量的水中分离出至少1.4kg、特别是至少1.45kg、优选1.5kg的氧分量和至少0.18kg、优选1.1875kg的氢分量。在这里有利的是，电解单元被设计成非常高效的，并且产生非常多的氧和氢。
66.在另一优选的实施方式中，二氧化碳吸收单元适于从至少3300kg的环境空气量中提取出至少1.1kg至2kg、特别是至少1.3kg、优选1.375kg的二氧化碳量。由此，空气中的co2浓度能够大大降低。
67.优选地，电解单元和/或二氧化碳吸收单元分别具有至少一个安装区域，该安装区域与根基、特别是建筑物和/或构筑物的根基相连或能够相连。优选地，电解单元和/或二氧化碳吸收单元通过安装区域牢固地与根基相连。可替代地，各个单元可以分别与一个单独的根基相连。
68.当设备被设计成大型发电厂时，电解单元和/或二氧化碳吸收单元被设计成大型的。电解单元和/或二氧化碳吸收单元可以分别布置在单独的操作建筑物中。电解单元和/或二氧化碳吸收单元可以布置在彼此直接或间接相邻的单独的操作建筑物中。可替代地，电解单元和/或二氧化碳吸收单元可以共同布置在一个操作建筑物中。各个电解单元和/或二氧化碳吸收单元的单独布置和共同布置的组合是可能的。
69.总的说来，设备和借此的方法优选地被设计成每年可以制备至少50000吨、特别是
至少100000吨、特别是至少150000吨、特别是至少200000吨、特别是至少250000吨的石墨。
70.该设备可以有自己的基础设施。例如，该设备可以包括至少一条通道(zufahrtsstraβe)。此外，该设备可以由多个构筑物组成。例如，这些可以是工业操作建筑物。此外，该设备可以包括船舶的港口。此外，可以提供电力线以便为设备提供例如来自光伏单元的电力。
71.在设计为小型发电厂的情况下，该设备可以布置在至少一个外壳中。外壳可以包围设备。外壳可以由塑料和/或金属制成。在这里有利的是，该设备可以作为通风系统的一部分用于市政建筑或用于城市，以改善空气质量。
72.优选地，二氧化碳吸收单元包括至少一个烟囱和横向于烟囱延伸的至少一个流动通道，流动通道在安装位置的下部布置的区域处与烟囱相连。优选地，烟囱具有空气出口，并且流动通道具有空气入口。进一步优选地，吸收装置在流动方向上布置在流动通道和烟囱之间。优选地，流动通道是长形的，并且形成用于向吸收装置供给环境空气的区域。烟囱位于吸收装置的下游，并且将净化的环境空气从吸收装置导出到外部大气中。
73.烟囱可以基本上垂直于流动通道布置。优选地，空气出口和空气入口彼此具有高度偏移。换句话说，优选地，空气入口和空气出口在竖直方向上错开。优选地，环境空气可以流动通过吸收装置。在这里有利的是，通过带有烟囱和流动通道的二氧化碳吸收单元的设计实现了自然通风，因此不需要电动通风机来加速空气。
74.然而，在另一实施例中，可以设置有通风机、特别是鼓风机，其将待净化的环境空气供给到吸收装置。例如，在启动二氧化碳吸收单元时，这可能是有必要的，以在运行的初始阶段产生自然烟囱通风。
75.至少一个烟囱的直径可以介于20米和30米之间，并且高度可以介于50米和200米之间。烟囱的直径是指空气出口的大小。烟囱在流动通道的相连区域的直径有可能比在空气出口区域大。优选地，烟囱的直径为25米并且高度为100米。这样的烟囱尺寸能够实现优化的自然通风。
76.例如，在烟囱直径为25米并且高度为100米以及在吸收单元外部的环境空气的第一温度为40境空和在吸收单元内的环境空气的第二温度的情况下，特别是在流动通道和/或烟囱中，烟囱数量为40时，空气通风或者空气流量、特别是净化的环境空气量达到每年至少1800兆吨。
77.优选地，流动通道具有在安装位置的顶部布置的表面(oben angeordnete )，特别是至少部分是深色的表面，用于吸收太阳辐射，以便通过辐射热来加热位于流动通道中的环境空气。优选地，流动通道直接布置在顶部布置的表面的下方。在安装位置的顶部布置的表面可以基本上是黑色的。顶部布置的表面可以是至少一块板材的一部分。可替代地，顶部布置的表面可以是至少一块板的一部分。在这种情况下，进一步改善了流动通道和烟囱之间空气流动的自然通风。
78.在另一实施方式中，顶部布置的表面被设计成，至少一部分是深色的，并且至少一部分是浅色的。由此，就能够吸收和反射太阳辐射。
79.在优选实施方式中，顶部布置的表面是平面设备区域的一部分，在该区域的纵向侧成行布置有多个烟囱，特别是四十个烟囱，其中流动通道在顶部布置的表面下方向其中一个烟囱延伸。流动通道可以分别用隔板彼此分开。优选地，流动通道平行延伸，并且是平
面设备区域的一部分。通过这种方式，二氧化碳吸收单元具有节省空间和统一的结构。
80.在俯视图中，平面设备区域可以是矩形的。在俯视图中，平面设备区域也可以是圆形的。优选地，平面设备区域直接与设备的其他单元相邻，以保持线路短。
81.在一实施方式中，平面设备区域具有至少一个光伏单元，该光伏单元布置在顶部布置的表面上。光伏单元可与电解单元相连以供应电。可替代地或附加地，光伏单元可以与二氧化碳吸收单元相连以供应电。光伏单元可以在顶部布置的表面上形成光伏场。通过光伏单元，该设备可以在能源方面自给自足地运行。在这里有利的是，该设备完全用来自太阳能的电力运行，因此完全省去了用于产生能量的化石燃料。
82.还公开并要求保护一种用于操作先前描述的利用大气中的二氧化碳含量来制备液体燃料的设备的方法，特别是一种用于操作降低大气中的二氧化碳含量并利用该二氧化碳含量至少部分地制备液体燃料的设备的方法。在该方法中：
83.用于制氧的至少一个电解单元通过至少一个供水管道接收一定量的水，并且通过电解将接收到的一定量的水分解成氧分量和氢分量；
84.通过至少一个氢输送装置将氢分量至少部分地引导到甲醇合成单元；
85.通过至少一个二氧化碳吸收单元净化设备周围的外部大气的环境空气，其中，将环境空气通过至少一个空气入口供给到下游的吸收装置，然后通过吸收装置从所供给的环境空气中提取二氧化碳量；以及
86.通过至少一个二氧化碳输送装置将二氧化碳量引导到甲醇合成单元(34)；
87.其中，将氧分量和净化的环境空气排放到外部大气中，并且在甲醇合成单元中将氢分量和二氧化碳量转化为甲醇。
88.在该方法中，设备由一种或更多种、特别是专用的可再生能源自给自足地供电。
89.该方法的有利扩展方案和优点从相关设备的上述描述得出。与根据权利要求17的方法相关的所述优选扩展方案和优点也相应地适用于根据权利要求23的方法。
90.下面将参考附图对本发明进行更详细地阐述。所示的实施方式表示可以如何设计根据本发明的设备的示例。
91.在这些附图中：
92.图1示出了根据优选实施例的、用于降低大气中二氧化碳含量的根据本发明的设备的透视图；
93.图2示出了根据优选实施例的、用于降低大气中二氧化碳含量和用于制备气候中和液体燃料的根据本发明的设备的透视图；
94.图3示出了根据优选实施例的、用于制备气候中和液体燃料的根据本发明的设备的透视图；以及
95.图4示出了根据优选实施例的、用于操作根据图1或图2的设备的根据本发明的方法的流程图。
96.图1示出了根据优选实施例的、用于降低大气中二氧化碳含量的设备10的透视图。设备10包括用于制氧的电解单元11和用于净化设备10周围的外部大气的环境空气ul的二氧化碳吸收单元12。此外，设备10包括用于向设备10自给自足地供电的发电单元31，这将在下文更详细地讨论。
97.电解单元11被设计用于通过电解将一定量的水m
h2o
分解成氧分量m
o2
和氢分量。因
此，电解单元11形成用于电解水的单元。电解单元11与用于接收一定量的水m
h2o
的供水管道13相连。如图1中可见，在电解单元11和供水管道13之间布置有泵单元25。泵单元25具有用于从蓄水池26中输送水的至少一个泵。蓄水池26可以是有海水的海洋。可替代地，蓄水池26可以是有淡水的湖泊。供水管道13也可以与河流相连，以获取用于水电解的淡水。在图1中所示的设备10中，供水管道13与海洋相连，以获取海水。设备10被布置在海岸附近，以保持与供水装置、特别是供水管道13的覆盖距离较短。
98.泵单元25被设计用于从海洋中输送海水并使其可用于其他设备部件或者单元进一步处理。为了给电解单元11的电解过程准备海水，设备10具有海水淡化单元27。海水淡化单元27通过至少一条管路与泵单元25相连或集成到泵单元25中。海水淡化单元27适于从输送的一定量的海水m
h2o
中分离出一定比例的盐，因此海水在经过海水淡化单元27的淡化过程后具有降低的含盐量。淡化的一定量的海水m
h2o
对应于由电解单元11分解成氧分量m
o2
和氢分量的一定量的水m
h2o
。电解单元11通过至少一条管路与海水淡化单元27相连。为了将淡化的海水从海水淡化单元27输送到电解单元11，其间可以加入至少一个另外的泵。
99.如上所述，电解单元11被设计用于将所接收的一定量的水m
h2o
分解为氢分量和氧分量m
o2
。为了排放所生成的氧分量m
o2
，电解单元11具有通向外部大气的氧气出口16。电解单元11可以具有用于排放所生成的氧分量m
o2
的一个或更多个氧气出口16。
100.设备10还具有至少一个氢输送装置(未示出)，该氢输送装置适于将从一定量的水m
h2o
中分离出的氢分量提供给碳化单元34，以供进一步处理。为此，设备10可以具有氢中间储存器，该氢中间储存器与氢输送装置相连。在电解过程之后，氢输送装置将由电解单元11分离出的氢分量直接供给到氢中间储存器或碳化单元34。可替代地，氢输送装置可以将氢分量供给到设备的另一部件(未示出)来进一步处理。
101.根据图1，二氧化碳吸收单元12具有用于供给环境空气ul的空气入口14和下游的吸收装置15。二氧化碳吸收单元12可以具有一个或更多个空气入口14。吸收装置15与空气入口14相连。吸收装置15适于从环境空气ul中提取二氧化碳量。二氧化碳吸收单元12还具有空气出口17。空气出口17用于排放清除了二氧化碳的环境空气ul'。空气出口17可以在竖直方向上朝上取向和/或可以是烟囱19的一部分。
102.具体地，吸收装置15被布置在空气入口14和空气出口17之间。在运行过程中，环境空气ul通过空气入口14流向吸收装置15，吸收装置15从空气ul中分离、特别是过滤一定的二氧化碳量，其中净化后的环境空气ul'在吸收装置15之后通过空气出口17流入外部大气。通常，可以设置多个空气入口14、多个吸收装置15和多个空气出口17。
103.具体地，在图1中示出了高度h为200米的单个烟囱19，其示例性地示出了二氧化碳吸收单元12的外部结构。如图1所示，空气出口17也像氧气出口16一样通向外部大气。
104.设备10还包括二氧化碳输送装置，该二氧化碳输送装置被设计用于将从环境空气ul中分离的二氧化碳量提供给设备10的二氧化碳中间储存器和/或碳化单元34，以供进一步处理。因此优选地，至少一部分氢分量和至少一部分二氧化碳量被供给到碳化单元34，使得所提取的二氧化碳量与分离出的氢分量一起被加工成进一步的中间产物和/或最终产物。具体地，至少一部分二氧化碳量和至少一部分氢分量可以在博世反应中转换为水、碳(石墨)和热量，该博世反应在碳化单元(34)中进行，该碳化单元优选地被设计成博世反应单元。
105.如图1中所示，设备10具有平面设备区域23。平面设备区域23直接相连到电解单元11。在平面设备区域23上，布置有发电单元31，该发电单元31是光伏单元24。光伏单元24与设备10的各个单元相连以供应电。光伏单元24以如下方式调整，即整个设备10可以在能源方面自给自足地运行。这应理解为，用于运行整个设备10的电能完全借助于光伏单元24来由太阳能提供。换句话说，设备10的运行不使用任何化石能源。
106.平面设备区域23具有约5000米的纵向延伸32和约2000米的横向延伸33。换句话说，设备10的平面设备区域被设计成10平方公里的面积。在图1中所示的包含电解单元11的设备区域可以具有大约2公里的子纵向延伸29。其它的子纵向延伸29、纵向延伸32和横向延伸33也是可能的。
107.假设设备10的总面积约为十二平方公里，设备10每年每公顷(0.01平方公里)至少生产580吨氧。与每年每公顷排放15吨至30吨氧量的传统天然森林相比，设备10向大气中排放的氧高出5倍至40倍。因此，设备10可以说是比天然森林具有更高的氧输出能力的人工森林。在这方面，根据本发明的设备提供了比天然森林高约30倍的土地利用效率。
108.上述海水淡化单元27与回水管道28相连，通过该回水管道将含盐量增加的回流的一定量的海水m'
h2o
送回海洋。具体地，从获取的一定量的海水提取一定盐分，然后将所获取的一定量的海水的一部分作为回流的一定量的水m'
h2o
再送回海洋中。由此，提供了对自然界无害的水循环。
109.设备10的优选的安装地点是海洋的海岸附近。特别优选地，设备10建造在沙漠中。根据图1的设备10是大型发电厂。设备10具有至少一个安装区域18，该安装区域与建筑物和/或构筑物的根基相连。一般而言，电解单元11和/或二氧化碳吸收单元12可以布置在共同的建筑物中或单独的建筑物中。
110.优选地，供电单元31具有电力储存器(未示出)，该电力储存器适于在夜间运行中向设备10供应电。
111.根据图2的设备10与根据图1的设备10基本相同，不同之处仅在于设备10中增加了甲醇合成单元37。甲醇合成单元37通过氢输送装置与电解单元11或氢中间储存器相连，并通过碳输送装置与二氧化碳吸收单元12相连。甲醇合成单元37从供给的氢和碳合成甲醇，甲醇可经由甲醇出口38从设备10中排出。甲醇可以特别地借助于燃料分配系统分配到世界各地分散的甲醇配送点，燃料分配系统可以包括船舶(特别是油轮)、油罐车和/或油罐卡车。甲醇配送点可以是加油站，在加油站为机动车、飞机、船舶或机车提供甲醇燃料。
112.通过对设备10中方法的相应控制，可以设定二氧化碳吸收单元中所吸收的碳含量是用于生产液体燃料甲醇或用于生产石墨以储存在碳储存器中。最初，20％比例的石墨和80％比例的甲醇可能是合适的，其中随着甲醇生产需求的降低，特别是由于建造了更多的设备10，甲醇的含量会逐渐减小，并且石墨的含量会逐渐增加。
113.一般而言，图1和图2中所示的设备还包括碳化单元34，该碳化单元优选是博世反应单元。特别地，可以设置反应器建筑，其中布置有反应器，优选是流化床反应器，其中在反应器中可以进行博世反应。优选地，碳化单元34与设备10是一体的，但也可以设计成单独的辅助设备。碳化单元34具有碳出口36，在所示的实施例中，碳出口36由回水管道28形成或通向回水管道28。在设备10中，从蓄水池26中获取的电解所需的一定量的水m
h2o
并没有完全分离成氢和氧。相反，会残留一定量的水，其作为回流的一定量的水m'
h2o
经由回水管道28回流
到蓄水池26中。在此优选地，在碳化单元34中生成的石墨也被引导到蓄水池26中，蓄水池26优选是海洋。这样，就在海床上形成了惰性石墨锥体，它还可以用作礁石，从而促进了海洋的生物多样性。
114.在图3中，示出了设备10，其主要用于优先生产气候中和液体燃料的过渡阶段。根据图3的设备10与根据图2的设备10基本相同，但没有碳化单元34。不过，碳化单元34可以后续加装。因此，根据图3的设备10仅用于生成液体燃料，特别是甲醇。
115.一般来说，对于附图中所示的设备10，一般不能仅经由二氧化碳吸收单元从空气中获取二氧化碳。相反，设备10还可以具有二氧化碳提取单元，该二氧化碳提取单元与供水管道13相连，并从所获取的一定量的水m
h2o
中提取二氧化碳。可以设置二氧化碳提取单元作为二氧化碳吸收单元12的可替代方案。但优选地，除了二氧化碳吸收单元12之外，还设置有二氧化碳提取单元。
116.在下文中，将更详细地描述用于操作根据图1和/或根据图2的设备10的方法。
117.在第一方法步骤中，借助于电解单元11通过供水管道13接收一定量的水m
h2o
以用于制氧。随后，将所接收的一定量的水m
h2o
通过电解过程分解成氧分量m
o2
和氢分量。氢分量由至少一个氢输送装置提供给碳化单元34，以用于进一步处理，其中在本实施例中，碳化单元34执行博世反应。
118.在第二方法步骤中，二氧化碳吸收单元12对设备10周围的外部大气的环境空气ul进行净化。环境空气ul通过多个空气入口14被引入、特别是吸入流动通道21中，并且被供给到下游的吸收装置15。随后，吸收装置15从供给的环境空气ul中提取出二氧化碳量。二氧化碳输送装置向博世反应供给二氧化碳量。随后，将分解过程后得到的氧分量m
o2
和在提取二氧化碳量后的净化的环境空气ul'排放到外部大气中。由此，增加了空气中的氧含量，并降低了空气中二氧化碳co2含量。
119.此外，氢分量与二氧化碳量一起借助于博世反应转化为水、碳或石墨和热量，下文将基于根据图4的流程图进行详细阐述。优选在根据图1和图2的设备之一中执行本文所述的(特别是在图4中所示的)方法。
120.在该方法中，海水被淡化，并且淡化后的海水随后借助于电解被分离成氢和氧。氧o2被排放到环境空气中，特别是大气中，从而增加了设备环境中的氧含量。与此同时，借助于二氧化碳吸收，从环境空气ul(特别是大气)中收集二氧化碳co2。与电解产生的氢或氢分量一样，从环境空气ul中获取的二氧化碳或二氧化碳量被引导到碳化单元34。在借助于催化剂(例如，铁、钴、镍和/或钌)执行的博世反应中，会产生1份纯碳(石墨)和2份水。优选地，水返回到电解器，以减少海水的消耗和由此相关的海水淡化费用。
121.然后，碳或石墨可以经由碳输送装置35被供给到碳储存器。例如，碳储存器可以是蓄水池26或者海洋。由于在博世反应中产生的石墨几乎没有杂质，而且像岩石一样坚固，因此将石墨倾倒到海洋中是没有问题的。
122.优选地，博世反应在介于530℃和730℃之间的温度下进行，特别优选地，在流化床反应器中进行。如果使用流化床反应器，特别地可以使用铁颗粒作为催化剂。
123.在博世反应中，除了水和石墨之外，还会产生热量作为产物。这种热量可有效地用于二氧化碳吸收。在此，热量可充当二氧化碳吸收的能量载体，例如以促进烟囱19的自然通风。
124.电解、二氧化碳吸收和博世反应所需的能量来自可再生能源，具体是光伏单元24，因此这里不再额外产生二氧化碳。
125.因此，通过这里描述的方法，可以有效地从地球大气中获取二氧化碳，并将其分解为石墨和氧。氧可以回流到大气中，而石墨则可以永久储存在碳储存器中，例如海洋中。
126.利用本发明，有效地实现了大气的空气质量的改善。
127.参考标记列表
128.10设备
129.11电解单元
130.12二氧化碳吸收单元
131.13供水管道
132.14空气入口
133.15吸收装置
134.16氧气出口
135.17空气出口
136.18安装区域
137.19烟囱
138.23平面设备区域
139.24光伏单元
140.25泵单元
141.26蓄水池
142.27海水淡化单元
143.28回水管道
144.29子纵向延伸
145.31发电单元
146.32纵向延伸
147.33横向延伸
148.34碳化单元
149.35碳输送装置
150.36碳出口
151.37甲醇合成单元
152.38甲醇出口
153.ul环境空气
154.ul'净化的环境空气
155.m
h2o
获取的一定量的水
156.m'
h2o
回流的一定量的水
157.m
o2
氧分量。