Beschreibung:

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft Speichersysteme für Betriebsstoffe von mobilen Antriebsvorrichtungen sowie Ballastsysteme für Wasserfahrzeuge.

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 Oxidationsumgebung wird beispielsweise durch die Abscheidung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit Hilfe von Membranen oder durch die Verwendung von im Fahrzeug mitgeführtem Sauerstoff erzeugt (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 Patentanmeldung A-346-2013 wurde ein Speichersystem und Speicherverfahren beschrieben, das das im Fahrzeug anfallende Kohlendioxid in dem durch den Verbrauch von Treibstoff im Fahrzeug frei werdenden Speicherraum einlagert, ohne dabei eine Trennung von Kohlendioxid und Treibstoff innerhalb der einzelnen Tankbehälter durch eine sich

bewegende, mechanische Trennvorrichtung, wie z.B. eine Trennwand, zu erfordern.

Ein alternativer Ansatz zur Vermeidung von Kohlendioxidemissionen ist die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff. Solche wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge sind Stand der Technik. Sie speichern Wasserstoff entweder bei einem Druck bis zu 800 bar in gasförmigem Zustand oder bei einer Temperatur unter -252°C in flüssiger Form. Der Wasserstoff wird in der Regel mit Hilfe von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft (ca. 21 Vol% Sauerstoffanteil) entweder in einem Verbrennungsmotor oder in einer Brennstoffzelle zu Wasser oxidiert, welches aus dem Fahrzeug emittiert wird. Bei Raketenantrieben wird der Wasserstoff unter Verwendung von reinem, im Fahrzeug gespeichertem Sauerstoff oxidiert und der dabei entstehende Wasserdampf ebenso emittiert. Es wurden auch schon zahlreiche Methoden entwickelt, um Wasserstoff mit Hilfe reinen Sauerstoffs in stationären Anlagen zur

Gewinnung mechanischer Energie zu oxidieren. (vgl. z.B. Jericha, H., u.a.: Thermal steam power plant fired by hydrogen and oxygen in stoichiometric ratio, using fuel cells and gas turbine cycle components. Procceedings of ASME Turbo Expo 2010. GT2010-22282, Glasgow, 2010).

Zur Stabilisierung von seegängigen Schiffen werden diese meist mit einem

Ballastwassersystem versehen. Dieses pumpt bei geringer Beladung oder der Gefahr einer Instabilität des Schiffes Wasser von außerhalb des Schiffes in Tanks, die sich in

verschiedenen Bereichen innerhalb des Schiffes befinden. Durch die Aufnahme und Abgabe von Ballastwasser in verschiedenen geographischen Regionen der Erde und den dadurch oft bedingten Transport von Meeresfauna und -flora über weite Distanzen wurden in den vergangenen Jahrzehnten teils problematische Störungen in regionalen Ökosystemen bewirkt. Aus diesem Grund wurden technische Systeme (Filter, UV-Bestrahlung, thermische oder chemische Behandlung, ...) entwickelt, die eine Reinigung und Aufbereitung des von den Schiffen aufgenommenen Ballastwassers ermöglichen und die zukünftig vermehrt in Schiffen eingebaut werden sollen. In größeren Verkehrsflugzeugen wird oft ein System von Trimmtanks verwendet, das aus mehreren, an verschiedenen Stellen im Flugzeug gelegenen Treibstofftanks besteht und das dazu dient, durch Treibstoffaustausch zwischen den verschiedenen Tanks den

Massenschwerpunkt des Flugzeugs zu beeinflussen und damit die Flugeigenschaften des Flugzeugs zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es, ein raumsparendes und gewichtsreduzierendes Speichersystem für Sauerstoff in Wasserfahrzeugen zur Verfügung zu stellen, das den als Betriebsstoff in den Fahrzeugen genutzten Sauerstoff so innerhalb der Fahrzeuge einlagert, dass er zur Lage-, Bewegungs- und Formstabilisierung der Wasserfahrzeuge genutzt werden kann. In einer erweiterten Variante dieses Speichersystems soll auch der Treibstoff

kohlenwasserstoffbetriebener Fahrzeuge und das in diesen Fahrzeugen bei der Oxidation des kohlenwasserstoffhältigen Treibstoffs entstehende Kohlendioxid in ein solches Ballastsystem zur Stabilisierung der Fahrzeuge einbezogen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren zum Betrieb der genannten

Speichersysteme zur Verfügung zu stellen.

Darstellung der Erfindung:

Die hier beschriebene Erfindung betrifft schwimmende, mobile Maschinen (in den weiteren Ausführungen nur noch als„Fahrzeuge" bezeichnet), die die zu ihrem Betrieb nötige Energie teilweise oder gänzlich aus der Oxidation von Kohlenwasserstoffverbindungen oder von Wasserstoff in einer fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung (3) gewinnen. Diese

Oxidationsvorrichtung (3) kann aus einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine), aus einer oder mehreren Brennstoffzellen oder aus Kombinationen der genannten Möglichkeiten bestehen.

Durch die Speicherung von Sauerstoff innerhalb des Fahrzeugs kann die fahrzeuginterne Oxidationsvorrichtung (3) in vorteilhafter Art und Weise betrieben werden: Einerseits kann durch die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft bzw. von reinem Sauerstoff der energetische Wirkungsgrad der fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung (3) gesteigert werden. Andererseits wird dadurch bei kohlenwasserstoffbetriebenen Fahrzeugen eine fahrzeuginterne Kohlendioxidabscheidung im Sinne des oben beschriebenen Verfahrens möglich: Die Kohlenwasserstoffverbindungen können unter Zuführung von Sauerstoff oxidiert werden, so dass ein im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasser bestehendes Produktgas entsteht. Nachdem daraus durch Abkühlung und/oder Verdichtung Wasser abgeschieden worden ist, steht konzentriertes Kohlendioxid zur fahrzeuginternen Speicherung zur Verfügung.

An drei exemplarisch angeführten Reaktionsgleichungen für die Oxidation von Wasserstoff und von Kohlenwasserstoffen lässt sich bei Betrachtung der molaren Massen erkennen, dass die Masse des zur Oxidation nötigen Sauerstoffs ein Mehrfaches der Masse des oxidierten Treibstoffs (Wasserstoff, Kohlenwasserstoffverbindung) betragen kann:

Bsp. l : 2H ₂ + 0 ₂ -> 2H ₂ 0

Bsp.2: CH ₄ + 20 ₂ -> C0 ₂ + 2H ₂ 0

Bsp.3: 2CH ₃ OH + 30 ₂ -> 2C0 ₂ + 4H ₂ 0

Bsp. 1 zeigt, dass der zur stöchiometrischen Oxidation von Wasserstoff benötigte Sauerstoff die 32/4-mal größere Masse aufweist als der dabei oxidierte Wasserstoff. Bei den

Oxidationsreaktionen im zweiten bzw. dritten Beispiel müssen 64/16 bzw. 96/64 mal mehr Masse an Sauerstoff als an Treibstoff (Methan, Methanol) bereitgestellt werden.

Aus diesem Grund wird im Folgenden für Fahrzeuge, die Sauerstoff fahrzeugintern speichern, um diesen der fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung zuzuführen, ein Speichersystem beschrieben, das die mit der Sauerstoffspeicherung verbundene Zunahme an Fahrzeugmasse und Wasserverdrängung möglichst gering hält, indem es den im Fahrzeug gespeicherten Sauerstoff zumindest teilweise als Ballastsystem zur Stabilisierung des Wasserfahrzeugs nutzt und deshalb ein konventionelles Ballastsystem, das auf einer Wasseraufnahme von außen beruht, teilweise oder völlig ersetzt.

Ein erfindungsgemäßes Speichersystem enthält eine Mehrzahl von Drucktankgefäßen (8), in die sowohl der als Betriebsstoff im Fahrzeug verwendete Sauerstoff als auch aus dem

Produktstrom der fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung (3) abgeschiedenes Wasser unabhängig voneinander eingebracht oder entnommen werden können. Die

Drucktankgefäße (8) sind dabei so ausgelegt, dass in ihnen Sauerstoff auch in überkritischer Form, d.h. mit einem Druck von über 50,46 bar, gespeichert werden kann. Die einzelnen Drucktankgefäße (8) sind durch Leitungen untereinander verbunden, die einen Austausch von Wasser und Sauerstoff ermöglichen. Die Drucktankgefäße (8) sind so im Fahrzeug angeordnet, dass durch Einlagerung von Wasser in die einzelnen Drucktankgefäßen (8), durch die Entnahme von Sauerstoff aus einzelnen Drucktankgefäßen (8) und durch den Austausch von Wasser und/oder von Sauerstoff zwischen den Drucktankgefäßen (8) die

Fahrzeugstabilität erhöht werden kann. Ein erfindungsgemäßes Speichersystem enthält außerdem Regelungsvorrichtungen, die es ermöglichen, Sauerstoff und Wasser kontrolliert in einzelne Drucktankgefäße (8) einzubringen und zu entnehmen, sowie den Austausch von Sauerstoff und/oder von Wasser zwischen den einzelnen Drucktankgefäßen (8) zu

kontrollieren.

Eine Variante eines erfindungsgemäßen Speichersystems enthält außerdem eine oder mehrere Kompressionsvorrichtungen für Sauerstoff.

Sämtliche genannten Bestandteile eines erfindungsgemäßen Speichersystems müssen im Rahmen ingenieurstechnischer Routinetätigkeit in ihrer Kapazität aufeinander abgestimmt werden.

Unter Fahrzeugstabilität wird hier sowohl die Lage- und Bewegungsstabilität des Fahrzeugs im Wasser als auch die Stabilität der Fahrzeugkonstruktion gegenüber Verformung oder Bruch verstanden. Wie die genannten Speichertanks am Fahrzeug angeordnet sein müssen, um bei bestimmten vorgesehenen Beladungszuständen des Fahrzeugs eine Erhöhung der Fahrzeugstabilität durch Einlagerung von Sauerstoff und/oder Wasser und durch die

Umlagerung dieser Stoffe zwischen verschiedenen Drucktankgefäßen (8) bewirken zu können, ist ebenfalls eine ingenieurstechnische Routineaufgabe des Schiffbau und entspricht analogen Aufgabenstellungen bei der technischen Auslegung von herkömmlichen

Ballastwassertanksystemen auf Schiffen.

Das erfindungsgemäße Speicherverfahren besteht darin, die beschriebenen Drucktanks (8) zur Speicherung jenes Sauerstoffs, der im Fahrzeug als Betriebsstoff Verwendung findet, und zur zumindest teilweisen Speicherung jenes Wassers, das aus dem Produktionsstrom der

Oxidationsvorrichtung (3) durch Kondensation abgeschieden wird, zu nutzen und durch die Einlagerung dieser Stoffe in die Drucktankgefäße (8) wie auch durch die Verlagerung dieser Stoffe zwischen verschiedenen Drucktankgefäßen (8) eine Stabilisierung des Fahrzeugs im oben beschriebenen Sinn herbeizuführen. Da Sauerstoffgas bei ausreichender Kompression eine Dichte aufweist, die in der Größenordnung von Feststoffen liegt (bei 20° C und einer Kompression von 400 bar etwa 0.5 kg/1), stellt auch die geregelte Einlagerung von Sauerstoff in bzw. die geregelte Verlagerung von Sauerstoff zwischen den Drucktankgefäßen (8) eine wirksame technische Maßnahme zur Fahrzeugstabilisierung dar.

Um die Funktion des Speichersystems als Ballastsystem zu erhalten, wird im

erfindungsgemäßen Speicherverfahren die sich durch den Betrieb des Fahrzeugs ergebende Verminderung der gespeicherten Sauerstoffmenge durch Einlagerung von zusätzlichem, aus dem Produktstrom der Oxidationsvorrichtung (3) abgeschieden Wassers in die

Drucktankgefäße (8) zumindest teilweise ausgeglichen.

In welcher Weise im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens Sauerstoff aus den einzelnen Drucktankgefäßen (8) entnommen, Wasser in einzelne Drucktankgefäße (8) eingebracht und Wasser bzw. Sauerstoff zwischen einzelnen Drucktankgefäßen (8) umgelagert werden muss, um bei bestimmten vorgesehenen Beladungszuständen des

Fahrzeugs eine Erhöhung der Fahrzeugstabilität bewirken zu können, ist ebenfalls eine analog zum Betrieb herkömmlicher Ballastwassertanksysteme zu lösende ingenieurstechnische Routineaufgabe.

Im erfindungsgemäßen Speicherverfahren stammt das in das Speichersystem eingebrachte Wasser aus dem Produktstrom der fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung (3) und wurde daraus durch Kondensation gewonnen. Deshalb ist es frei von Feststoffen, die sich im

Speichersystem anreichern könnten. Darin besteht ein gravierender Vorteil gegenüber herkömmlichen Ballastwassersystemen, die das von außen aufgenommene Wasser erst für die Verwendung im Ballaststoffsystem aufbereiten müssen. Ebenso wird durch das hier beschriebene Speichersystem das ökologische Problem der Einschleppung untypischer Arten in regionale Ökosysteme vermieden, weshalb auch auf ein diesbezügliches kosten- und energieaufwändiges Wasseraufbereitungssystem verzichtet werden kann.

Da die physikalische Dichte von komprimiertem Sauerstoff bei Drücken unter 500 bar und Temperaturen über 0 °C wesentlich kleiner ist als jene von Wasser und da unter diesen Bedingungen Wasser in flüssigem Zustand vorliegt, bilden der gasförmige bzw. überkritische Sauerstoff und das flüssige Wasser in den Drucktankgefäßen (8) zwei Phasen aus, die die getrennte Entnahme der Stoffe aus den Drucktankgefäßen (8) ermöglicht. Die Einlass- und Auslassvorrichtungen für Wasser und Sauerstoff in den Drucktankgefäße (8) sind in einem erfindungsgemäßen Speichersystem so platziert, dass eine getrennte Entnahme von Wasser und von Sauerstoff aus den Drucktankgefäßen (8) möglich ist. In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Speichersystems sind diese außerdem so platziert, dass bei der Einbringung bzw. Entnahme von Wasser bzw. von Sauerstoff die Turbulenzenbildung innerhalb der Drucktankgefäße (8) minimiert wird. Auch dies stellt eine ingenieurstechnische Routinetätigkeit dar.

Bei Tankinnendrücken, die über dem atmosphärischen Luftdruck liegen (1.013 bar) ist diese gleichzeitige Speicherung von gasförmigem bzw. überkritischem Sauerstoff und flüssigem Wasser auf Grund der Dichteanomalie von Wasser auch bei Temperaturen unter null Grad Celsius möglich.

Weil flüssiges Wasser eine größere Dichte aufweist als der in einem erfindungsgemäßen Speicherverfahren in die Drucktankgefäße (8) eingelagerte, gasförmige oder überkritische Sauerstoff, sinkt durch Entnahme von Sauerstoff und Einbringen von Wasser bei

gleichbleibender Masse innerhalb eines Drucktankgefäßes der Innendruck im betreffenden Drucktankgefäß. Dadurch sinkt auch die mechanische Beanspruchung des jeweiligen Drucktankgefäßes.

Sofern der maximale Innendruck der Drucktankgefäße (8) und der maximale Betriebsdruck des Speichersystems nicht erreicht ist, kann in ein erfindungsgemäßes Speichersystem jederzeit weiterer Sauerstoff eingespeist werden. Soll dabei die Gesamtmasse der im

Speichersystem gelagerten Stoffe konstant gehalten werden, so muss gleichzeitig genau jene Masse an Wasser aus den

Drucktankgefäßen (8) entnommen und aus dem Speichersystem emittiert werden, die der Masse des eingespeisten Sauerstoffs entspricht.

Die Abscheidung von Wasser aus dem Produktstrom der fahrzeuginternen

Oxidationsvorrichtung (3) kann durch Abkühlung und/oder Verdichtung des Produktgases in einer dafür geeigneten Vorrichtung (4) innerhalb des Fahrzeugs geschehen und ist im Falle stöchiometrischer Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen mit reinem

Sauerstoff sehr leicht möglich, da dann das Produktgas nur aus Kohlendioxid und Wasser besteht.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Speicherverfahrens wird der Austausch von Sauerstoff und Wasser zwischen den Drucktankgefäßen (8) so

vorgenommen, dass er bevorzugt von einem oder mehreren Drucktankgefäßen mit höherem Innendruck zu einem oder mehreren Drucktankgefäßen mit niedrigerem Innendruck durchgeführt wird, weil dabei der Stofftransport allein durch die Druckdifferenz und ohne zusätzlich zu verrichtende mechanische Arbeit bewerkstelligt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen

Speicherverfahrens wird in einem oder mehreren festgelegten Drucktankgefäßen der Innendruck ständig auf einem Niveau gehalten, das über dem der restlichen Drucktankgefäße liegt, um durch Zuführung von Sauerstoff und/oder Wasser aus diesen festgelegten, unter höheren Innendrücken stehenden Drucktankgefäße in ein oder mehrere der unter niedrigeren Innendrücken stehenden Drucktankgefäße einen Stoffaustausch zwischen zweien oder mehreren der unter niedrigeren Innendrücken stehenden Drucktankgefäße herbeizuführen, welcher ohne oder mit verringerter zu verrichtender, mechanischer Arbeit verbunden ist.

In einer erweiterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems wird das bisher beschriebene Sauerstoff-Wasser-Speichersystem durch ein Treibstoff-Kohlendioxid- Speichersystem ergänzt. Ein solches ist in der Patentanmeldung A-346-2013 beschrieben und weist Tankgefäße zur Treibstoff- und Kohlendioxidspeicherung (18) auf, in die sowohl kohlenwasserstoffhältiger Treibstoff als auch das aus dem Produktstrom einer

fahrzeuginternen Oxidationsvorrichtung (3) abgeschiedene Kohlendioxid eingelagert und entnommen werden können. Außerdem weist ein solches Treibstoff-Kohlendioxid- Speichersystem sowohl ein Leitungs- und Regelungssystem auf, das die kontrollierte Einlagerung von abgeschiedenem Kohlendioxid in die Tankgefäße (18) als auch den kontrollierten Austausch von Treibstoff und Kohlendioxid zwischen einzelnen

Tankgefäßen (18) ermöglicht. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Speichersystems kann durch die geregelte Einlagerung von Kohlendioxid in die

Tankgefäße (18) und die geregelte Umlagerung von Kohlendioxid und Treibstoff zwischen den Tankgefäßen (18) ebenso eine Masseverlagerung innerhalb des Fahrzeugs durchgeführt werden, die die Stabilität des Fahrzeugs für bestimmte vorgesehene Beladungszustände erhöht. Damit ergänzt ein solches Treibstoff-Kohlendioxid-Speichersystem das oben beschriebene Sauerstoff- Wasser-Speichersystem und bildet zusammen mit ihm ein

Gesamtspeichersystem für Betriebsstoffe, das zur Fahrzeugstabilisierung verwendet werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung: In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungsvarianten des Speichersystems für ein mit kohlenwasserstoffhältigem Treibstoff betriebenes Fahrzeug schematisch abgebildet. Die Anzahl der Drucktankgefäße (8) wurde der einfachen Darstellung halber stark beschränkt. Ebenso wurde auf die Darstellung von Kompressions- und Regelvorrichtungen aus

Übersichtlichkeitsgründen zum Großteil verzichtet. Die dargestellten Leitungsführungen stellen nur zwei mögliche technische Umsetzung eines erfindungsgemäßen Speichersystems dar und wurden gleichfalls aus Übersichtlichkeitsgründen einfach gehalten.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Speichersystem mit sieben Drucktanks zur Sauerstoff und Wasserspeicherung (8).

Fig. 2 ein Speichersystem mit sieben Drucktanks zur Sauerstoff und Wasserspeicherung (8) und drei Tankgefäßen zur Treibstoff- und Kohlendioxidspeicherung (18).

Bezugszeichenliste:

1 Treibstoffeinfüllung

2 Treibstoffspeicher

3 Oxidationsvorrichtung

4 Vorrichtung zur Wasserabscheidung

5 Kohlendioxidleitung

5a Kohlendioxidleitung

6 Kohlendioxidspeicher

7 Kohlendioxidentnahme

8 Drucktankgefäße zur Sauerstoff- und Wasserspeicherung

9 Sauerstoffeinfüllung

10 Sauerstoffleitung

11 Wasserleitung

12 Wasserentnahme

13 Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid

14 Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid

15 Pufferspeicher für gasförmiges Kohlendioxid

16 Vorrichtung zur Kompression von Kohlendioxid

17 Vorrichtung zur Abkühlung von Kohlendioxid

18 Tankgefäß zur Treibstoff- und Kohlendioxidspeicherung

19 Treibstoffleitung

19a Treibstoffleitung

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