Beschreibung: Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft Speichersysteme für Betriebsstoffe von mobilen

Antriebsvorrichtungen.

Stand der Technik:

Weltweit wird die Mehrzahl von Fahrzeugen durch Verbrennungsmotoren angetrieben, die Kohlenwasserstoffverbindungen unter Verwendung von Luftsauerstoff oxidieren und das dabei entstehende Kohlendioxid in die Erdatmosphäre emittieren. Dies trägt im beträchtlichen Ausmaß zur Steigerung des Kohlenstoffdioxidgehaltes der Atmosphäre und zu einer

Verstärkung des weltweiten, atmosphärischen Treibhauseffektes bei.

Um den klimatischen Effekt herkömmlicher, kohlenwasserstoffbetriebener Fahrzeuge zu reduzieren, wurden Fahrzeuge vorgeschlagen (z.B. Patent US5680764A, US6523349B2), die kohlen- und wasserstoffhältige Treibstoffe in einer stickstofffreien Umgebung oxidieren, um ein Produktgas zu erhalten, das zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid und Wasser besteht, und dadurch, nach erfolgter Wasserabscheidung, eine Kohlendioxidspeicherung in den Fahrzeugen ermöglichen. Eine solche stickstofffreie bzw. -arme und

sauerstoffangereicherte (mehr als 21 Vol% Sauerstoffanteil) Oxidationsumgebung kann beispielsweise durch die Abscheidung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit Hilfe von Membranen oder durch die Verwendung von im Fahrzeug mitgeführtem Sauerstoff erzeugt werden (vgl. Yantovski, Evgeny: Energy and Exergy Currents. NOVA Science Publiction. New York, 1994).

Um den Raumbedarf für die Speicherung des Kohlendioxids in den Fahrzeugen möglichst gering zu halten, wurde vorgeschlagen, den Fahrzeugtreibstoff und das anfallende Kohlendioxid in ein und demselben Tank zu speichern. Dazu müsse der Tank eine verschiebbare Trennwand aufweisen und die Einspeisung der beiden Stoffe an

unterschiedlichen Seiten der Trennwand erfolgen, ebenso deren Entnahme. In dem Maße, in dem aus dem Tank während des Betriebs des Fahrzeugs Treibstoff entnommen wird, könne dann durch Verschieben der Trennwand Kohlendioxid im Tank eingelagert werden (vgl. Yantovski, Evgeny u.a.: Zero Emissions Power Cycles. CRC Press, Taylor & Francis Group. New York, 2009, S. 42). In der genannten Ausführungsvariante wird dabei das zu speichernde Kohlendioxid durch Kompression in einen flüssigen Zustand gebracht.

Aufgabe der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl ein Speichersystem als auch ein Speicherverfahren für kohlenwasserstoffbetriebene, kohlendioxidspeichernde, mobile Maschinen zur Verfügung zu stellen, die die Einlagerung von flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid in dem zur Treibstoffspeicherung genutzten und durch den Betrieb der Maschine frei werdenden

Speicherraum vorsehen und die es dabei erlauben, eine Vermengung von flüssigem, zum Antrieb der mobilen Maschine genutztem Treibstoff und flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid zu vermeiden, ohne innerhalb der Tankbehälter eine Trennung der

verschiedenen Substanzen durch eine sich bewegende mechanische Trennvorrichtung wie z. B. eine Trennwand zu erfordern.

Außerdem soll durch das erfindungsgemäße Betriebsstoffspeichersystem eine

energiesparende Speicherung von flüssigem Kohlendioxid im Fahrzeug erreicht werden.

Darstellung der Erfindung:

In den folgenden Ausführungen wird mit dem Begriff„Treibstoff eine einzelne

Kohlenstoffverbindung oder ein Gemisch von mehreren verschiedenen

Kohlenstoffverbindungen bezeichnet, die durch Oxidation mit Sauerstoff in ein Produktgas übergeführt werden können, welches zur Gänze oder zum überwiegenden Teil aus

Kohlendioxid und Wasser besteht. Außerdem zeichnen sich diese Treibstoffe dadurch aus, dass sie bei Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen Kohlendioxid gasförmig ist, in flüssiger Form vorliegen können. Insbesondere kann es sich bei einem Treibstoff um

Methanol, Dimethylether oder Ameisensäure handeln. In den folgenden Ausführungen wird mit dem Begriff„Fahrzeug" eine mobile Maschine bezeichnet. Insbesondere können damit Wasser-, Land- und Luftfahrzeuge gemeint sein.

Das vorgeschlagene Speichersystem für Betriebsstoffe bezieht sich auf Fahrzeuge, die Treibstoffe zu ihrer Energiegewinnung nützen und in denen Kohlenstoffdioxid zur fahrzeuginternen Speicherung anfällt. Zum Beispiel ist dies bei Fahrzeugen der Fall, die die zu ihrem Betrieb nötige Energie teilweise oder gänzlich aus der Oxidation von Treibstoff in ein überwiegend aus Kohlendioxid und Wasser bestehendes Produktgas beziehen und die aus diesem durch Wasserabscheidung konzentriertes Kohlendioxid gewinnen, das fahrzeugintern gespeichert wird. Systeme, die dieses Prinzip der Kohlendioxidabscheidung bei

Verbrennungsprozessen von Kohlenwasserstoffverbindungen technisch verwirklichen, wurden in den vergangenen Jahren zur Kohlendioxidabscheidung in Kohle- und

Gaskraftwerken in verschiedensten Ausführungsformen entwickelt. Die Verbrennung des Treibstoffs erfolgt dabei jeweils unter Zuführung von konzentriertem Sauerstoff. Der zur Durchführung der fahrzeuginternen Kohlendioxidabscheidung nötige konzentrierte Sauerstoff kann in den Fahrzeugen mitgeführt oder aus der Umgebungsluft mit Hilfe von Membranen gewonnen werden.

Ein erfindungsgemäßes Speichersystem enthält mehrere einzelne Tankgefäße (5), welche in den folgenden Ausführungen als„Speichermodule" bezeichnet werden. Jedes einzelne Speichermodul (5) verfügt sowohl über mindestens eine Treibstoffzu- und

Treibstoffabführung als auch über mindestens eine Kohlendioxidzu- und

Kohlendioxidabführung, jeweils mit entsprechenden Durchflussreglern (9, 10, 1 1 , 12, 13). Ein erfindungsgemäßes Speichersystem enthält außerdem mindestens eine Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid (6b) und mindestens eine Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid (7b), mit deren Hilfe der Druck und die Temperatur des den einzelnen

Speichermodulen (5) zugeführten Kohlendioxids beeinflusst und eine flüssige oder überkritische Einlagerung von Kohlendioxid in einzelne Speichermodule durchgeführt werden kann. Darüber hinaus enthält ein erfindungsgemäßes Speichersystem ein

Steuerungssystem, das die Füll-, Entleerungs-, Kompressions- und Kühlprozesse innerhalb des Speichersystems steuert.

Als Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid (6a, 6b) kann jede

Kompressionsvorrichtung für Gase verwendet werden, die nach dem Stand der Technik bekannt ist und die für den Einbau in mobilen Maschinen kompakt genug ausführbar ist (z.B. Kolbenkompressoren, Schraubenkompressoren, Turbokompressoren). Als Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid (7a, 7b) können verschiedene Bauarten von Wärmetauschern verwendet werden, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind

(z. B. Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher, Kühlregister). Alle Komponenten dieser Vorrichtungen müssen im Rahmen ingenieursteehnischer Routinetätigkeit auf die in den Speichermodulen (5) und Leitungen auftretenden Drücke und Temperaturen ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden.

In einer Variante eines erfindungsgemäßes Speichersystems weisen auch die einzelnen Speichermodule (5) Regelungs- und Kühlsysteme auf, die dazu dienen, bestimmte

Temperaturverhältnisse im Inneren der betreffenden Speichermodule zu erzeugen und damit das in ihnen eingelagerte Kohlendioxid in einen flüssigen Zustand überzuführen oder in einem solchen zu halten. Für solche Kühlsysteme können wiederum verschiedene Bauarten von Wärmetauschern verwendet werden, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher, Kühlregister).

Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren zur platzsparenden Speicherung von Treibstoff und Kohlendioxid in einem Fahrzeug: Beim Betrieb des Fahrzeugs wird aus Speichermodulen (5) flüssiger Treibstoff entnommen und das durch dessen Oxidation entstehende Kohlendioxid in den durch die Treibstoffentnahme frei werdenden Speicherraum eingebracht. Dabei wird das Kohlendioxid in jene Speichermodule, aus denen gerade flüssiger Treibstoff entnommen wird, unter solchen Druck- und Temperaturverhältnissen eingeführt, dass es sich dort in einem gasförmigen Zustand befindet und sich oberhalb des flüssigen Treibstoffs in einer Gasphase ablagert. Dadurch kann erreicht werden, dass der flüssige Treibstoff, der aus den betreffenden Speichermodulen entnommen wird, nur technisch vernachlässigbare Mengen an gelöstem Kohlendioxid enthält, es aber zu keiner Vermischung von flüssigem Treibstoff und flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid kommt. Wird während des Fahrzeugbetriebs aus einem oder mehreren dieser Speichermodulen, in die auf die beschriebene Art und Weise gasförmiges Kohlendioxid einführt wurde, kein weiterer Treibstoff mehr entnommen, so sieht das erfindungsgemäße Speicherverfahren vor, durch Zuführung von weiterem Kohlendioxid, das auch eine tiefere Temperatur als das vorher eingebrachte Kohlendioxid aufweisen kann, und durch eine eventuelle Kühlung der Innenräume der betreffenden Speichermodule die Druck- und Temperaturverhältnisse innerhalb dieser so zu verändern, dass das in den betreffenden Speichermodulen enthaltene Kohlendioxid in einen flüssigen oder überkritischen Zustand übergeht. Durch eine zeitlich geordnete Entnahme von Treibstoff aus den einzelnen Speichermodulen, die sich dadurch kennzeichnet, dass in mindestens ein Speichermodul die Kohlendioxideinlagerung in flüssiger oder überkritischer Form durchgeführt wird, während mindestens ein anderes Speichermodul noch gasförmiges Kohlendioxid und flüssigen

Treibstoff enthält, kann im Speichersystem als Ganzem gleichzeitig flüssiger, nicht mit flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid vermischter Treibstoff gespeichert und entnommen als auch Kohlendioxid in flüssiger Form eingelagert werden. Wird die

Einlagerung von Kohlendioxid in flüssiger oder überkritischer Form ausschließlich bei Speichermodulen durchgeführt, aus denen der flüssige Treibstoff schon vollständig entnommen wurde, kann dieses Speicherverfahren außerdem dazu dienen, eine Vermischung von flüssigem Treibstoff und flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid innerhalb des Speichersystems völlig zu vermeiden, so wie es beschriebene Aufgabe der Erfindung ist.

Eine Variante eines erfindungsgemäßen Speichersystems weist mindestens zwei getrennte Zuleitungen für Kohlendioxid (3a, 3b) auf, die die Speichermodule jeweils parallel versorgen, und die sich darin unterscheiden, dass sie Kohlendioxid mit unterschiedlichen Druck- und Temperatureigenschaften enthalten: Eine erste Zuleitung (3a) speist Kohlendioxid unter einem Druck und mit einer Temperatur in Speichermodule (5) ein, dass es in diesen einen gasförmigen Zustand besitzt und dort gleichzeitig Treibstoff in flüssiger Form vorliegen kann. Eine zweite Zuleitung (3b) speist Kohlendioxid unter einem Druck und mit einer Temperatur in Speichermodule (5) ein, dass es sich in einem flüssigen oder überkritischen Zustand befindet oder diesen in den betreffenden Speichermodulen annimmt.

Die Druck- und Temperaturwerte, unter denen Kohlendioxid einen flüssigen oder

überkritischen Zustand annimmt, können leicht der chemischen Basisliteratur entnommen und vom Fachmann im Rahmen der ingenieurstechnischen Routinetätigkeit zur Auslegung der Anlage herangezogen werden. Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen

Speicherverfahrens stimmt Druck- und Temperatur des einzulagernden Kohlendioxids, die Aktivität der eventuell vorhandenen Regelungsvorrichtung für die Innentemperatur der einzelnen Speichermodule und die Reihenfolge und Vorgangsweise bei der Füllung der Speichermodule mit Kohlendioxid so aufeinander ab, dass der im Rahmen des

Speichervorgangs zur Kompression und Kühlung nötige Energieaufwand insgesamt minimiert wird. Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, den Treibstoff jeweils nur aus einem Speichermodul zu entnehmen und die Speichermodule in der Reihenfolge ihrer Treibstoff-Entleerung mit Kohlendioxid zu füllen.

Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, in einer ersten zeitlichen Phase aus allen Speichennodulen (5) parallel so viel Treibstoff zu entnehmen und so viel Kohlendioxid unter erhöhtem Druck, aber noch in gasförmigem Zustand einzuführen, dass ohne weitere Kohlendioxidzuführung und ohne innerhalb der Speichermodule einen Unterdruck zu erzeugen aus allen Speichermodulen der gesamte Treibstoff entnommen werden könnte. In einer zweiten zeitlichen Phase wird dann nacheinander aus einzelnen Speichermodule der gesamte in ihnen enthaltene Treibstoff entnommen und Kohlendioxid unter so hohem Druck eingelagert, dass dieses in den betreffenden Speichermodulen in einem flüssigen oder überkritischen Zustand vorliegt. Diese Variante des erfindungsgemäßen Speicherverfahrens könnte auch nur mit einer gemeinsamen Zuleitung für Kohlendioxid zu den Speichermodulen umgesetzt werden, da nur ein einmaliger Wechsel der

Druckverhältnisse in der Zuleitung zur vollständigen Entnahme des im Speichersystems enthaltenen Treibstoffs nötig ist.

Sind alle Speichermodule vollständig mit Treibstoff gefüllt, kann es, um überhaupt Treibstoff aus einem oder mehreren Speichennodulen (5) entnehmen und der fahrzeuginternen

Oxidation zuführen zu können, nötig sein, gasförmiges Kohlendioxid aus einem

Pufferspeicher (8) in eines oder mehrere Speichermodule zu bringen. Dieses Kohlendioxid kann dem Fahrzeug von außen zugeführt oder während einer vorangegangenen Betriebsphase des Fahrzeugs gespeichert worden sein.

Ebenso wird während der Betriebsphase, in der Kohlendioxid nicht in flüssiger oder überkritischer Form in zumindest einem der Speichermodule gespeichert wird und in der deshalb im Speichersystem eine geringere Speicherkapazität für Kohlendioxid bereitsteht als bei möglicher Einlagerung in flüssigem oder überkritischem Zustand, Kohlendioxid, das nicht in den Speichermodulen (5) Platz findet, im Pufferspeicher (8) zwischengespeichert.

Alternativ zu einem System mit nur einem Pufferspeicher (8), kann ein erfindungsgemäßes Speichersystem auch mindestens zwei Pufferspeicher (8a, 8b) enthalten, von denen einer gasförmiges, der andere flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid enthält. Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Speichersystems besteht darin, im Falle einer bei tiefen Temperaturen (ca. - 190°C) und in flüssiger Form durchgeführten,

fahrzeuginternen Sauerstoffspeicherung, welche der Sauerstoffbereitstellung für die fahrzeuginterne Treibstoffoxidation dient, den aus dem Sauerstoffspeicher gasförmig entnommenen und der fahrzeuginternen Treibstoffoxidationsvorrichtung zugeführten

Sauerstoff in den Vorrichtungen zur Abkühlung von Kohlendioxid (7a, 7b) und/oder in Speichermodulkühlungen ( 16) zu verwenden. Dadurch kann einerseits der Energiebedarf einer eventuell unabhängig davon bestehenden und in den Ausführungen oben genannten Vorrichtung zur Innentemperaturregelung von Speichermodulen verringert werden, ebenso wie jener der Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid (7a,7b). Andererseits ergibt sich daraus auch deshalb eine Verminderung des Energiebedarfs der Kohlendioxidspeicherung, da Kohlendioxid, das prinzipiell in einem Temperaturbereich von -56,6°C bis +3 1 °C in flüssigem Zustand vorliegen kann, bei tieferen Temperaturen unter geringerem Druck in einen flüssigen Zustand übergeht. Bei einer niedrigeren Speichertemperatur für flüssiges

Kohlendioxid in den Speichermodulen vermindert sich deshalb der zur Verflüssigung des Kohlendioxids nötige Druck und damit der Energieaufwand der Verflüssigung.

Für Speichermodulkühlungen ( 16) können wiederum verschiedene Bauarten von

Wärmetauschern verwendet werde, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher, Kühlregister).

Die Verflüssigung und Speicherung von Kohlendioxid auf einem tiefen Temperaturniveau (ca. -56,6°C bis + 10°C) muss in Abstimmung mit dem verwendeten Treibstoff durchgeführt werden, da es dabei zu einer Erstarrung von Treibstoff bei der Wiederbefüllung der

Speichermodule mit Treibstoff kommen kann, wenn sich deren Innentemperatur zum

Zeitpunkt der Wiederbefüllung noch auf einem tiefen Temperaturniveau befindet.

Ameisensäure etwa verfestigt sich bei Atmosphärendruck schon bei Temperaturen unterhalb von 8,4°C. Erstarrter Treibstoff kann nicht nur die Arbeitsweise des Speichersystems beeinträchtigen, sondern an diesem auch mechanische Schäden verursachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

In den Fig. 1 bis 3 sind drei Ausführungsvarianten des Speichersystems der Erfindung schematisch abgebildet. Dabei sind aus Gründen der einfacheren Darstellung jeweils

Speichersysteme mit nur drei Speichermodulen (5) dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Speichersystem mit zwei Zuleitungen für Kohlendioxid (3a, 3b) und einem einzelnen Pufferspeicher (8a) für gasförmiges Kohlendioxid

Fig. 2 ein Speichersystem mit zwei Zuleitungen für Kohlendioxid (3a, 3b) und zwei getrennten Pufferspeicher (8a, 8b) für gasförmiges und für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid.

Fig. 3 ein Speichersystem mit zwei Zuleitungen für Kohlendioxid (3a, 3b), zwei getrennten Pufferspeicher (8a, 8b) für gasförmiges und für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid und einer Speichermodulkühlung ( 1 6) durch Sauerstoffgas aus einem fahrzeuginternen Speicher für flüssigen Sauerstoff.

Bezugszeicheniiste:

1 Treibstoff Füllung

2 Treibstoff Entnahme

3 Kohlendioxid Füllung

3a Zuleitung für gasförmiges Kohlendioxid

3b Zuleitung für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid

4 Kohlendioxid Entnahme

5 Speichermodul zur Treibstoff- und Kohlendioxidspeicherung

6a Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid

6b Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid

7a Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid

7b Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid

8a Pufferspeicher für gasförmiges Kohlendioxid

8b Pufferspeicher für flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid

9 Durchflussregler zur Füllung mit gasförmigem Kohlendioxid

10 Durchflussregler zur Füllung mit flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid

1 1 Durchflussregler zur Entnahme von Treibstoff

12 Durchflussregler zur Füllung mit Treibstoff

13 Durchflussregler zur Entnahme von Kohlendioxid

14 Zufuhr von Sauerstoff gas zur Kühlung

15 Durchflussregler für Sauerstoffgas zur Kühlung

16 Speichermodulkühlung

1 7 Durchflussregler zur Entnahme von Sauerstoffgas aus Speichermodulkühlung

18 Abfuhr von Sauerstoffgas