EP3789474A1 - Emission-free devices and method for carrying out mechanical work and for generating electrical and thermal energy - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to devices and methods for performing mechanical work and for generating electrical and thermal energy, and systems for supplying fuel to mobile and stationary devices.
- the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to an exhaust gas consisting essentially of carbon dioxide and water.
- a device for compressing and / or condensing the exhaust gas is provided.
- a memory is used to hold the compressed and / or condensed exhaust gas.
- a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow Before and / or after the device for compressing and / or condensing the exhaust gas, a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow can be provided.
- Oxygen-enriched air preferably with an oxygen content of> 95%, or pure oxygen is advantageously used as the oxidizing agent. Such a method is advantageously carried out with a device according to the invention.
- a method according to the invention is advantageously carried out with a fuel cell or a heat engine or a heating device.
- At least some of the exhaust gases are used in a method for the thermal-chemical utilization of carbon-containing starting materials in which the carbon-containing starting materials are pyrolyzed in a first stage, with pyrolysis coke and pyrolysis gas being produced.
- the pyrolysis coke from the first stage is gasified, whereby synthesis gas is produced, and slag and other residues remain and are removed.
- the synthesis gas from the second stage is converted into operating materials; with excess reflux gas from the third stage being passed into the first stage and / or the second stage.
- the three stages form a closed circuit.
- the exhaust gases are fed into the first stage and / or the second stage and / or the third stage.
- a device 1 according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to form an exhaust gas.
- the exhaust gases produced during the oxidation reaction are compressed and / or condensed and collected in a storage tank.
- the chemical energy is used thermo-chemically or electrochemical.
- Such method devices 1 according to the invention have a closed circuit, that is to say that emissions into the atmosphere arise.
- sulfur and phosphorus can also be present in the operating materials for a device according to the invention, depending on the level of quality.
- the sulfur can react to form sulfur dioxide and sulfur trioxide, which in turn reacts with the water to form sulphurous acid and sulfuric acid.
- These corrosive pollutants can be condensed out together with the water, separated and disposed of. The same applies to phosphorus-containing pollutants and any fine dust particles that may arise.
- FIG Figure 5 A vehicle 3 driven by a device 1 according to the invention is shown in FIG Figure 5 shown schematically, as an example of a mobile machine 3 according to the invention.
- a device 1 according to the invention designed as an internal combustion engine is either used directly as a drive unit or, alternatively, is operated constantly at an ideal speed range, with a generator generating electricity for an electrical drive unit. If the device 1 according to the invention is designed as a fuel cell system, an electric motor also serves as the drive unit.
- FIG. 5 A possible embodiment of a closed circuit for the fuel supply of such a vehicle 3 according to the invention is shown.
- the vehicle 3 is loaded with liquid or gaseous fuel 20 and with compressed oxygen 22 at an appropriately equipped refueling system 41, as well as with compressed oxygen 22 24 discharged into a corresponding gas storage tank of the refueling system 41.
- FIG. 6 shows a possible embodiment of such a supply network for carrying out a supply method according to the invention.
- the system has two ring-shaped networks.
- a first supply network 51 is from a production plant 6 gaseous or liquid fuel 20 fed in with a closed circuit.
- Various refueling systems 41 obtain the gaseous fuels from this network 51.
- a first intermediate storage device 81 and a power plant 43 are also connected to the network 51, in which by means of a device according to the invention such as for example Figure 4A shown a power generator is operated.
Abstract
Bei einem Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einem Kolbenmotor oder einer Turbine, wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu einem Abgas (21) im Wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezogen, indem in mindestens einer Brennkammer (11) der Verbrennungskraftmaschine Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff (22) verbrannt wird, und der entstehende Gasdruck bzw. das entstehende Gasvolumen in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Dabei wird Sauerstoff in die mindestens eine Brennkammer zugeführt (16); Wasser (25) direkt in die mindestens eine Brennkammer eingebracht (17); und das bei der Oxidationsreaktion entstehende Abgas (21) nach dem Austritt (12) aus der mindestens einen Brennkammer verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher (15) aufgefangen.In a method for performing mechanical work with an internal combustion engine, for example a piston engine or a turbine, the energy required for operation from the oxidation of carbon-containing operating materials (20) to an exhaust gas (21) essentially consisting of carbon dioxide (24) and water ( 23) by burning fuel with oxygen-enriched air or pure oxygen (22) in at least one combustion chamber (11) of the internal combustion engine, and converting the gas pressure or volume of gas that arises into mechanical work. Oxygen is fed into the at least one combustion chamber (16); Water (25) introduced (17) directly into the at least one combustion chamber; and the exhaust gas (21) resulting from the oxidation reaction is compressed and / or condensed after the exit (12) from the at least one combustion chamber and collected in a storage unit (15).
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie, und Systeme zur Betriebsstoff-Versorgung von mobilen und stationären Vorrichtungen.The invention relates to devices and methods for performing mechanical work and for generating electrical and thermal energy, and systems for supplying fuel to mobile and stationary devices.
Im Zuge der laufend zunehmenden Mobilität und der damit einher gehenden Umweltbelastung besteht seit längerem Bedarf an Antriebsvorrichtungen, insbesondere Verbrennungsmotoren, mit verringertem Ausstoss von Schadstoffen wie beispielsweise Stickoxiden, Kohlenmonoxid und flüchtigen organischen Verbindungen. Zu diesem Zweck wurden zum einen Anstrengungen unternommen, die Abgase von Schadstoffen zu reinigen, beispielsweise mit Filtern und Katalysatoren, und zum anderen die Bildung dieser Schadstoffe zu reduzieren.In the course of constantly increasing mobility and the associated environmental pollution, there has been a need for drive devices, in particular internal combustion engines, with reduced emissions of pollutants such as nitrogen oxides, carbon monoxide and volatile organic compounds for a long time. For this purpose, efforts have been made on the one hand to clean the exhaust gases of pollutants, for example with filters and catalytic converters, and on the other hand to reduce the formation of these pollutants.
Bei Verwendung kohlenwasserstoffbasierter Treibstoffe wie beispielsweise Benzin, Diesel oder Erdgas ist Kohlendioxid ein unvermeidliches Endprodukt des Verbrennungsvorgangs. Schon länger ist nun bekannt, dass Kohlendioxid sehr negative Auswirkungen auf das Klimagleichgewicht der Erde hat und stark zur menschengemachten Klimaerwärmung beiträgt. Die Vermeidung von Kohlendioxidemissionen ist daher sehr wünschenswert.When using hydrocarbon-based fuels such as gasoline, diesel or natural gas, carbon dioxide is an inevitable end product of the combustion process. It has long been known that carbon dioxide has a very negative impact on the earth's climate equilibrium and that it contributes significantly to man-made global warming. Avoiding carbon dioxide emissions is therefore very desirable.
In der Regel ist ein Herausfiltern von Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen mit vernünftigem energetischem Aufwand nur schwer möglich. Für den grossindustriellen Massstab werden Systeme gestestet, in welchen das Kohlendioxid beispielsweise in amin-basierten Lösungsmitteln aufgefangen wird. Solche Systeme sind jedoch aufwendig und kompliziert, und für kleinere Anlagen nicht praktikabel. Zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen werden weiter Verbrennungsmotoren mit geringerem Treibstoffverbrauch und damit auch geringerem Kohlendioxidausstoss entwickelt, oder es werden kohlendioxidneutrale biomassenbasierte Treibstoffe verwendet.As a rule, it is difficult to filter out carbon dioxide from combustion exhaust gases with reasonable energy expenditure. For the large industrial scale Systems tested in which the carbon dioxide is captured, for example in amine-based solvents. However, such systems are expensive and complicated, and not practical for smaller systems. To reduce carbon dioxide emissions, combustion engines with lower fuel consumption and thus also lower carbon dioxide emissions are being developed, or carbon dioxide-neutral biomass-based fuels are used.
Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind zumindest lokal absolut emissionsfrei. Jedoch sind die heute zur Verfügung stehenden Akkumulatorsysteme immer noch sehr schwer, beziehungsweise die Energiedichte zu gering, was die erreichbare maximale Reichweite beschränkt. Zudem sind batteriebetrieben Fahrzeuge mit Bezug auf die Wiederaufladzeit bzw. Betankzeit weiterhin Fahrzeugen mit chemischen Treibstoffen unterlegen.Electrically powered vehicles are absolutely emission-free, at least locally. However, the battery systems available today are still very heavy, or the energy density is too low, which limits the maximum range that can be achieved. In addition, battery-powered vehicles are still inferior to vehicles with chemical fuels in terms of recharge time and refueling time.
Alternativ wurden zur Gewinnung von elektrischer Energie zum Betrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge Brennstoffzellensysteme entwickelt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird aus kohlenwasserstoffbasierten Treibstoffen und Luftsauerstoff elektrochemisch Strom erzeugt wird. Auch hier jedoch resultiert als Reaktionsprodukt Kohlendioxid.Alternatively, fuel cell systems have been developed to generate electrical energy for the operation of electrically powered vehicles. In these fuel cell systems, electricity is generated electrochemically from hydrocarbon-based fuels and atmospheric oxygen. Here too, however, the reaction product is carbon dioxide.
Mit der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen kann die Emission von Kohlendioxid vermieden werden. Wasserstoff weist jedoch eine geringere Energiedichte auf als kohlenstoffbasierte flüssige Treibstoffe, und stellt auch bei der Produktion und der Lagerung spezielle Probleme.By using hydrogen as a fuel for internal combustion engines or fuel cells, the emission of carbon dioxide can be avoided. However, hydrogen has a lower energy density than carbon-based liquid fuels and also poses special problems in production and storage.
Für Verbrennungskraftmaschinen gibt es im Stand der Technik eine Vielzahl von seit Jahren etablierten Technologien. Anstatt völlig neue Technologien entwickeln zu müssen, wäre es wünschenswert, diese bestehenden Technologien so modifizieren zu können, dass der Ausstoss von Kohlendioxid reduziert oder vermieden wird.For internal combustion engines, the state of the art has a large number of technologies that have been established for years. Instead of having to develop completely new technologies, it would be desirable to be able to modify these existing technologies in such a way that carbon dioxide emissions are reduced or avoided.
Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur Verfügung zu stellen, welche die oben erwähnten und andere Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung beziehungsweise ein solches Verfahren stark reduzierte Emissionen oder gar keine Emissionen aufweisen.The object of the invention is to provide devices and methods for performing mechanical work and / or for generating electrical and / or thermal energy which do not have the above-mentioned and other disadvantages. In particular, such a device or such a method should have greatly reduced emissions or no emissions at all.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche es erlauben, anfallendes Kohlendioxid und andere Emissionen effizient aufzufangen und für eine weitere Verwendung, eine Endlagerung oder eine Wiederverwertung zu speichern.Another object of the invention is to provide an apparatus and a method which allow accumulating carbon dioxide and other emissions to be efficiently captured and to be stored for further use, final storage or recycling.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden können.Another object of the invention is to provide an apparatus and a method which can be operated with a closed circuit.
Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, Geräte, Maschinen und Anlagen, die mit solchen Vorrichtungen betrieben werden, insbesondere mobile und stationäre Maschinen und Anlagen, ein erfindungsgemässes Verfahren zur zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie, eine erfindungsgemässe Betankungsanlage, ein System zur Betriebsstoff-Versorgung von mobilen und statischen Maschinen und Anlagen, sowie ein erfindungsgemässes Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit Betriebstoff, gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.These and other objects are achieved by a device according to the invention, devices, machines and systems that are operated with such devices, in particular mobile and stationary machines and systems, a method according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical and / or thermal work Energy, a refueling system according to the invention, a system for supplying fuel to mobile and static machines and systems, and a method according to the invention for supplying one or more consumers with fuel, according to the independent claims. Further advantageous embodiments are given in the dependent claims.
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Eine Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases ist vorgesehen. Ein Speicher dient zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases.In a device according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy, the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to an exhaust gas consisting essentially of carbon dioxide and water. A device for compressing and / or condensing the exhaust gas is provided. A memory is used to hold the compressed and / or condensed exhaust gas.
Eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung ist mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, und/oder mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel betreibbar.Such a device according to the invention can be operated with oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, and / or with pure oxygen as the oxidizing agent.
Vor und/oder nach der Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases kann ein Wärmetauscher zur Abkühlung des Abgasstromes vorgesehen sein.Before and / or after the device for compressing and / or condensing the exhaust gas, a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow can be provided.
Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Abscheidung von Wasser aus dem Abgas auf.Another embodiment of a device according to the invention has a device for condensing and / or separating water from the exhaust gas.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann als Brennstoffzelle, als Wärmekraftmaschine, beispielsweise als Kolbenmotor oder Turbine, oder als Heizvorrichtung ausgestaltet sein.A device according to the invention can be designed as a fuel cell, as a heat engine, for example as a piston engine or turbine, or as a heating device.
Eine als Wärmekraftmaschine ausgestaltete Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist vorteilhaft eine Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einer Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, mit Mitteln zur Umsetzung des entstehenden Gasdrucks bzw. Gasvolumens in mechanische Arbeit, mit einer Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, und mit einer Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer. Stromabwärts von der Austrittsvorrichtung sind ein Verdichter zur Verdichtung der Abgase und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase vorgesehen.An embodiment of a device according to the invention designed as a heat engine is advantageously an internal combustion engine, with at least one combustion chamber for the combustion of operating material with oxygen-enriched air or pure oxygen, with means for converting the resulting gas pressure or gas volume into mechanical work, with a supply device for introducing oxygen into the combustion chamber, and with an outlet device for removing the exhaust gases from the combustion chamber. Downstream of the outlet device are a compressor for compressing the Exhaust gases and / or a condensation device for partial condensation of the exhaust gases is provided.
Eine weitere Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Wasser in die Brennkammer und/oder in den Abgasstrom nach dem Austritt aus der Brennkammer auf.A further variant of such a device according to the invention has a feed device for introducing water into the combustion chamber and / or into the exhaust gas flow after it emerges from the combustion chamber.
Eine als Heizvorrichtung ausgestaltete Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung weist mindestens eine Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, Mittel zur Übertragung der entstehenden thermischen Energie auf ein fluides Wärmetransportmedium, eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, und eine Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer auf. Stromabwärts von der Austrittsvorrichtung sind ein Verdichter zur Verdichtung der Abgase und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase vorgesehen.An embodiment of a device according to the invention designed as a heating device has at least one combustion chamber for the combustion of fuel with oxygen-enriched air or pure oxygen, means for transferring the resulting thermal energy to a fluid heat transport medium, a supply device for introducing oxygen into the combustion chamber, and an outlet device for removal the exhaust gases from the combustion chamber. Downstream of the outlet device, a compressor for compressing the exhaust gases and / or a condensation device for partial condensation of the exhaust gases are provided.
Eine erfindungsgemässe Maschine, insbesondere eine mobile oder stationäre Maschine, und erfindungsgemässe Vorrichtung oder Anlage zum Heizen von Gebäuden, insbesondere eine Heizzentrale, umfasst eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung.A machine according to the invention, in particular a mobile or stationary machine, and device or system according to the invention for heating buildings, in particular a heating center, comprises such a device according to the invention.
Eine erfindungsgemässe Betankungsanlage zur Betankung einer mobilen Maschine oder Anlage mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit gasförmigen oder flüssigen Betriebstoffen weist Mittel zur Entnahme von verdichteten Gasen, insbesondere Kohlendioxid, aus einem Speicher der mobilen Maschine auf.A refueling system according to the invention for refueling a mobile machine or system with a device according to the invention with gaseous or liquid fuels has means for withdrawing compressed gases, in particular carbon dioxide, from a reservoir of the mobile machine.
Vorteilhaft weist eine solche Betankungsanlage auch Mittel auf zum Betanken der mobilen Maschine oder Anlage mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft.Such a refueling system advantageously also has means for refueling the mobile machine or system with oxygen or oxygen-enriched air.
Ein erfindungsgemässes Versorgungssystem zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen weist ein erstes Versorgungsnetz auf für den Transport der Betriebsstoffe zu den Abnehmern, von einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder von einem oder mehreren ersten Speichern. Ein zweites Rückführungsnetz dient dem Rücktransport von Abgasen, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder einem oder mehreren zweiten Speichern.A supply system according to the invention for supplying one or more consumers with gaseous and / or liquid operating materials has a first supply network for transporting the operating materials to the consumers, from one or more production plants and / or from one or more first storage facilities. A second return network is used to transport exhaust gases, in particular carbon dioxide, back from the consumers to one or more production facilities and / or one or more second storage facilities.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen.In a method according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy, the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to an exhaust gas consisting essentially of carbon dioxide and water. The exhaust gases produced during the oxidation reaction are compressed and / or condensed and collected in a storage tank.
Vorteilhaft wird als Oxidationsmittel sauerstoffangereicherte Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder reiner Sauerstoff verwendet. Ein solches Verfahren wird vorteilhaft mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt.Oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, or pure oxygen is advantageously used as the oxidizing agent. Such a method is advantageously carried out with a device according to the invention.
Bei einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Verfahrens werden die verdichteten Abgase vor und/oder nach der Verdichtung und/oder Kondensation abgekühlt.In a variant embodiment of a method according to the invention, the compressed exhaust gases are cooled before and / or after the compression and / or condensation.
Bei einer anderen Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens wird aus den Abgasen Wasser auskondensiert und/oder abgeschieden.In another variant of a method according to the invention, water is condensed out and / or separated out from the exhaust gases.
Vorteilhaft wird ein erfindungsgemässes Verfahren mit einer Brennstoffzelle oder einer Wärmekraftmaschine oder einer Heizvorrichtung durchgeführt.A method according to the invention is advantageously carried out with a fuel cell or a heat engine or a heating device.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Verfahrens werden die Betriebsstoffe mit einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellt, bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf.In a further advantageous embodiment variant of a method according to the invention, the operating materials are processed using a method for the thermal-chemical utilization of produced carbon-containing starting materials, in which the carbon-containing starting materials are pyrolyzed in a first stage, with pyrolysis coke and pyrolysis gas being produced. In a second stage, the pyrolysis coke from the first stage is gasified, whereby synthesis gas is produced, and slag and other residues remain and are removed. In a third stage, the synthesis gas from the second stage is converted into operating materials; with excess reflux gas from the third stage being passed into the first stage and / or the second stage. The three stages form a closed circuit.
In der internationalen Anmeldung Nr.
Bei noch einer weiteren vorteilhaften Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens wird mindestens ein Teil der Abgase in einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen verwertet bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf. Die Abgase werden in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe und/oder die dritte Stufe eingespeist.In yet another advantageous variant of a method according to the invention, at least some of the exhaust gases are used in a method for the thermal-chemical utilization of carbon-containing starting materials in which the carbon-containing starting materials are pyrolyzed in a first stage, with pyrolysis coke and pyrolysis gas being produced. In a second stage, the pyrolysis coke from the first stage is gasified, whereby synthesis gas is produced, and slag and other residues remain and are removed. In a third stage, the synthesis gas from the second stage is converted into operating materials; with excess reflux gas from the third stage being passed into the first stage and / or the second stage. The three stages form a closed circuit. The exhaust gases are fed into the first stage and / or the second stage and / or the third stage.
Vorzugsweise werden die Abgase in das Rücklaufgas eingespeist.The exhaust gases are preferably fed into the return gas.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer, welche ein erfindungsgemässes Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie durchführen, mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen für dieses Verfahren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückführungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.In a method according to the invention for supplying one or more consumers who carry out a method according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy with gaseous and / or liquid operating materials for this method, the consumers are connected to a first supply network Gaseous and / or liquid operating materials are supplied from one or more production plants and / or from one or more first stores. With a second return network, at least some of the exhaust gases produced during the drive process, in particular carbon dioxide, are returned from the consumers to one or more production plants and / or to one or more second storage facilities.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Produktion von elektrischem Strom wird die Antriebsenergie für den Stromgenerator mit einem oben stehen diskutierten erfindungsgemässen Verfahren erzeugt.In a method according to the invention for producing electrical power, the drive energy for the power generator is generated using a method according to the invention discussed above.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen lediglich Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands.
Figur 1- zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in Kombination mit einer Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei sich ein im Wesentlichen geschlossener Stoffkreislauf ergibt.
- Figur 2
- zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Figur 3- zeigt schematisch eine Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung.
- Figur 4
- zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung.
- Figur 4A
- zeigt schematisch eine als kombinierte Gas-/Dampfturbine ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtung.
Figur 5- zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in einem Fahrzeug, sowie eine mögliche Ausgestaltung eines geschlossenen Kreislaufs für die Treibstoffversorgung eines solchen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid.
Figur 6- zeigt schematisch eine mögliche Ausgestaltung eines Versorgungsnetzes für gasförmige Treibstoffe in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid, zur Durchführung des erfindungsgemässen Versorgungsverfahrens.
- Figure 1
- shows schematically a device according to the invention in combination with a system for the thermal-chemical utilization of carbon-containing substances, resulting in an essentially closed material cycle.
- Figure 2
- shows schematically a variant of a device according to the invention.
- Figure 3
- shows schematically an embodiment of a device according to the invention configured as an internal combustion engine.
- Figure 4
- shows schematically another embodiment of a device according to the invention configured as an internal combustion engine.
- Figure 4A
- shows schematically a device according to the invention configured as a combined gas / steam turbine.
- Figure 5
- shows schematically a device according to the invention in a vehicle, as well as a possible configuration of a closed circuit for the fuel supply of such a vehicle with a device according to the invention, in connection with a return system for carbon dioxide.
- Figure 6
- shows schematically a possible configuration of a supply network for gaseous fuels in connection with a return system for carbon dioxide, for carrying out the supply method according to the invention.
Die im Folgenden gegebenen Beispiele werden zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, sind jedoch nicht dazu geeignet, die Erfindung auf die hierin offenbarten Merkmale zu beschränken.The examples given below are given to better illustrate the present invention, but are not suitable for restricting the invention to the features disclosed herein.
Wie bereits erläutert wird bei einem erfindungsgemässen Verfahren und. einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas bezogen. Die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen. Die Verwertung der chemischen Energie erfolgt thermisch-chemisch oder elektrochemisch. Solche erfindungsgemässe Verfahren Vorrichtungen 1 weisen einen geschlossenen Kreislauf auf, das heisst, es entstehen Emissionen in die Atmosphäre.As already explained, in a method according to the invention and. a
Die bei der Leistung mechanischer Arbeit oder Erzeugung elektrischer oder thermischer Energie anfallenden Reststoffe wie insbesondere Kohlendioxid werden nachbehandelt, verdichtet und platzsparend gespeichert, beispielsweise in einem Drucktank. Das gespeicherte Gasgemisch enthält im Wesentlichen nur Kohlendioxid und gegebenenfalls noch Wasser. Das Kohlendioxid wird regelmässig in eine geeignete grössere Speichervorrichtung zur weiteren Verwertung umgelagert wird. Vorteilhaft erfolgt diese Rückführung des Kohlendioxids zeitgleich beispielsweise mit dem Betanken eines Fahrzeugs.The residues that arise during the performance of mechanical work or the generation of electrical or thermal energy, such as carbon dioxide in particular, are post-treated, compressed and stored in a space-saving manner, for example in a pressure tank. The stored gas mixture essentially only contains carbon dioxide and possibly also water. The carbon dioxide is regularly relocated to a suitable larger storage device for further use. This return of the carbon dioxide advantageously takes place at the same time, for example, when a vehicle is refueled.
In einer vorteilhaften Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens wird das gespeicherte Kohlendioxid teilweise oder vollständig wiederverwertet.In an advantageous variant of a device according to the invention and a method according to the invention, the stored carbon dioxide is partially or completely recycled.
In der internationalen Anmeldung Nr.
In einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf wird in der Anlage 6 kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial 27 in Kohlenwasserstoffe 20 und Kohlenwasserstoffderivate umgewandelt. Dazu wird einer ersten Stufe 61a und zweiten Stufe 61b das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial 27 in Synthesegasgemisch 65 umgewandelt. In der ersten Stufe 61a die kohlenstoffhaltigen Substanzen zugeführt und pyrolysiert, wobei Pyrolysekoks 63 und Pyrolysegas 64 entstehen. In einer zweiten Stufe 61 b wird der Pyrolysekoks 63 aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegasgemisch 65 entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben. In einer dritten Stufe 62 werden aus dem Synthesegasgemisch 65 Kohlenwasserstoffe und andere Wertsstoffe 20 erzeugt, die anderweitig verwendet werden können, beispielsweise als flüssige und/oder gasförmige Betriebsstoffe 20. Das nach der Synthesestufe 62 verbleibende Rücklaufgasgemisch 66 enthält im Wesentlichen Kohlendioxid, und wird als Vergasungsmittel wieder in die erste Stufe geleitet. Alle drei Stufen sind druckfest geschlossen und bilden einen im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf. Mit eine solchen Verwertungs-Anlage 6 können feste, flüssige oder gasförmige Substanzen effizient in gasförmige oder flüssige Betriebsstoffe 20 umgewandelt werden. Zusätzlich erzeugt die Anlage 6 thermische Energie in Form von Prozessdampf (nicht dargestellt). Die in der Synthese-Stufe 62 erzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Betriebsstoffe werden vorzugsweise zwischengelagert 81, in Tanks oder Druckspeichern.In an essentially closed circuit, carbonaceous starting
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 verwendet als Betriebstoff vorteilhaft gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate 20 aus der Anlage 6, die dem Speicher 81 entnommen werden. Die thermische oder elektrische Energie erzeugende Oxidationsreaktion erfolgt dabei mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder mit reinem Sauerstoff 22, anstatt mit Luft. Der Sauerstoff wird vorteilhaft in einem Drucktank mitgeführt. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 kann beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine sein, in welcher die bei der Oxidationsreaktion anfallende Wärme in einer Wärmekraftmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt wird, oder eine Brennstoffzelle in Kombination mit einem Elektromotor, in welcher die Oxidationsreaktion direkt zur Stromerzeugung genutzt wird.A
Die Verwendung von reinem Sauerstoff 22 anstatt Luft vermeidet zum einen aufgrund der Abwesenheit des Luftstickstoffs bei einer thermisch-chemischen Reaktion bei hohen Temperaturen die Bildung von Stickoxiden. Vor allem aber verbleiben in den anfallenden Reaktionsprodukten 21 im Wesentlichen nur Kohlendioxid 24 und Wasserdampf 23. Je nach Stöchiometrie der Reaktion können die anfallenden Gase auch gewisse Anteile an Kohlenmonoxid und unreagiertem Betriebsstoff enthalten. Diese können jedoch nachfolgend analog zum Kohlendioxid nachbehandelt werden.The use of
Die Reaktionsprodukte 21 der Energie erzeugenden Reaktion sind im Wesentlichen gasförmig. Das entsprechende Gasgemisch wird nun verdichtet, um das Volumen zu reduzieren. Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird vor und/oder nach der Verdichtung geleitet das Gasgemisch 21 abgekühlt, wodurch es entsprechend weiter an Volumen verliert. Wasser wird dabei auskondensiert, wodurch sich das Volumen des Gasgemisches nochmals weiter reduziert und im Gasgemisch nur Kohlendioxid 24 verbleibt, gegebenenfalls mit Anteilen an Kohlenmonoxid und unreagiertem Betriebsstoff. Das kondensierte Wasser 23 wird abgetrennt. Das Kohlendioxid 24 kann in einem geeigneten Reservoir zwischengespeichert werden, beispielsweise einem Drucktank.The
In regelmässigen Abständen wird das Kohlendioxid 24 wieder der ersten Stufe 61a der Anlage 6 zugeführt, so dass sich ein geschlossener Stoffkreislauf für das Kohlendioxid ergibt. Es kann ein Zwischenspeicher 82 für das kohlendioxidhaltige Abgas 24 vorgesehen sein. So ist es möglich, dass mit dem oben genannten Verfahren aus kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kohlendioxid flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate erzeugt werden, und das so resultierende Treibstoffgemisch anschliessend in einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 in mechanische Arbeit und/oder elektrische oder thermische Energie umgesetzt wird. Das aufgefangene und gespeicherte Kohlendioxid wird rückgeführt und teilweise oder vollständig in der Anlage 6 wieder in Betriebstoff 20 umgesetzt. Auf diese Weise kann der effektive Kohlendioxidausstoss einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr stark vermindert oder gar ganz vermieden werden.The
Alternativ oder zusätzlich zur Rückführung kann ein Teil des gespeicherten Kohlendioxids auch in einer Art und Weise deponiert werden, dass es dauerhaft nicht in die Atmosphäre gelangen kann. Entsprechende Technologien zur dauerhaften langfristigen Lagerung von Kohlendioxid werden momentan weltweit weiterentwickelt. Getestet wird beispielsweise die Endlagerung von Kohlendioxid durch Einpumpen in leere Erdöl- und Erdgasfelder.As an alternative or in addition to recirculation, part of the stored carbon dioxide can also be deposited in such a way that it cannot permanently enter the atmosphere. Corresponding technologies for permanent long-term storage of carbon dioxide are currently being further developed worldwide. For example, the final storage of carbon dioxide by pumping it into empty crude oil and natural gas fields is being tested.
Eine weitere, generalisierte Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in
Ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Verbrennungskraftmaschine ausgelegt, so kann in einer vorteilhaften Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung beziehungsweise eines solchen Verfahrens als zusätzliches Expansionsmittel Wasser 23 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird nach der Zündung des Verbrennungsvorgangs, beispielsweise nach der Selbstzündung des verdichteten Treibstoff-Luft-Gemischs in einem Dieselmotor, eine bestimmte Menge Wasser in den Zylinder eingespritzt. Dieses Wasser, das vorzugsweise fein zerstäubt ist, wird anschliessend durch die Wärmeenergie der exothermen Oxidationsreaktion verdampft. Der daraus resultierende Gasdruck- bzw. Gasvolumenzuwachs aufgrund des Wasserdampfs trägt so zur Erzeugung der kinetischen Energie bei, wobei gleichzeitig die Temperatur des Gesamtgemischs an Verbrennungsabgasen und Wasserdampf sinkt. Dies ist jedoch unproblematisch oder sogar wünschenswert, weil aufgrund der höheren Energiedichte einer Reaktion mit reinem Sauerstoff wesentlich höhere Reaktionstemperaturen entstehen, was die thermodynamische Effizienz verbessert, aber auch die Teile einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 stärker belasten kann.If a
Alternativ kann das Wasser auch als Dampf eingebracht werden. Ein gewisser Anteil an flüssigem Wasser kann zudem auch mit dem flüssigen Treibstoff vermischt zugeführt werden. Bei hohen Reaktionstemperaturen wirkt überhitzter Wasserdampf als zusätzliches Oxidationsmittel neben dem Sauerstoff.Alternatively, the water can also be introduced as steam. A certain proportion of liquid water can also be added mixed with the liquid fuel. At high reaction temperatures, superheated steam acts as an additional oxidizing agent in addition to oxygen.
Nachfolgend wird die Funktionsweise eines erfindungsgemässen Verfahrens am Beispiel einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1 in Form eines Kolbenmotors genauer beschrieben und erläutert. Analog können als Verbrennungskraftmaschinen ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtungen jedoch beispielsweise auch als Turbinen oder WankelMotoren ausgestaltet sein, etc.. Die heissen Abgase werden entsprechend dem Funktionsprinzip des jeweiligen Typs einer Verbrennungskraftmaschine für die Leistung mechanischer Arbeit verwendet, und werden dabei teilweise entspannt. Anschliessend verlässt das Gasgemisch die Brennkammer. So wird beispielsweise bei einer als Viertakt-Kolbenmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Verbrennungskraftmaschine beim dritten Takt das Abgasgemisch aus dem Zylinder ausgestossen, und anschliessend verdichtet, abgekühlt und zwischengespeichert.The mode of operation of a method according to the invention is described and explained in more detail below using the example of a
Eine mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in
Die heissen Abgase 21, die im Wesentlichen nur aus Kohlendioxid und Wasserdampf bestehen, werden anschliessend in einem nachgeschalteten Wärmetauscher 13 abgekühlt. Dadurch wird das Volumen dieser Abgase 21 reduziert. Durch die Abkühlung kondensiert ein Teil des Wassers 23 aus, und wird abgetrennt. Das Restgas, das im wesentlichen nur noch aus Kohlendioxid 24 und gegebenenfalls Restanteilen Kohlenmonoxid und unreagierten Betriebsstoffen besteht, wird in einem in Serie angeordneten Verdichter 14 komprimiert, und in einen Speicher 15, im einfachsten Fall einen Druckbehälter, gepumpt. Die Kondensationsstufe 13 vor der Verdichtung 14 verringert die unerwünschte Bildung von Kondenswassertröpfchen im Verdichter 14.The
Die dargestellte erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine 1 weist keine Emissionen auf. Da die Vorrichtung nicht mit Luft oder ähnlichen Gemischen betrieben wird, können auch keine luftspezifischen Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide entstehen. Das bei der Verbrennung entstehende Wasser ist unproblematisch, und kann abgetrennt werden. Das Kohlendioxid und andere Restgase werden im Speicher 15 aufgefangen und zur weiteren Verwendung gespeichert. Unverbrannte Anteile des Betriebsstoffes kondensieren entweder zusammen mit dem Wasser aus und werden abgetrennt, oder werden zusammen mit den Kohlendioxid verdichtet.The illustrated
In den Betriebsstoffen für eine erfindungsgemässe Vorrichtung können je nach Qualitätsgrad neben den Grundbausteinen C, H, O auch Schwefel und Phosphor vorhanden sein. Der Schwefel kann beispielsweise bei der bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid reagieren, was wiederum mit dem Wasser zu schwefliger Säure und Schwefelsäure reagiert. Diese korrosiven Schadstoffe können zusammen mit dem Wasser auskondensiert, abgetrennt und entsorgt werden. Das gleiche gilt für phosphorhaltige Schadstoffe und gegebenenfalls entstehende Feinstaubpartikel.In addition to the basic components C, H, O, sulfur and phosphorus can also be present in the operating materials for a device according to the invention, depending on the level of quality. During combustion, for example, the sulfur can react to form sulfur dioxide and sulfur trioxide, which in turn reacts with the water to form sulphurous acid and sulfuric acid. These corrosive pollutants can be condensed out together with the water, separated and disposed of. The same applies to phosphorus-containing pollutants and any fine dust particles that may arise.
Eine weitere mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in
Alternativ oder zusätzlich kann Wasser auch in den Abgasstrom 21 eingebracht werden, wenn dieser die Brennkammer 11 verlassen hat. Eine solche Variante hat den Vorteil, dass die Verbrennungsreaktion in der Brennkammer bei möglichst hohen Temperaturen effizient verlaufen kann, und gleichzeitig die resultierende Temperatur des Abgasstromes so niedrig ist, dass die nachfolgenden Einrichtungen 14, 13 nicht zu sehr belastet werden.Alternatively or additionally, water can also be introduced into the
Die Menge an Wasser und der Zeitpunkt des Einspritzens werden so mit der Zufuhr von Betriebsstoff 21 und Sauerstoff 22 abgestimmt, dass die Verbrennungsreaktion effizient stattfinden kann. Vorteilhaft liegt die resultierende Temperatur während der Oxidationsreaktion im Wesentlichen so, dass ein möglichst hoher thermodynamischer Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erreicht wird. Je grösser die Menge an verwendetem Wasser ist, desto geringer ist zudem der relative Anteil an Kohlendioxid in den Reaktionsgasen, was die nach der Auskondensation des Wassers verbleibende zu komprimierende Gasmenge reduziert.The amount of water and the time of injection are coordinated with the supply of
In der in
Die für den Betrieb des Verdichters einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 notwendige Energie wird vorteilhaft durch die Vorrichtung selber erzeugt. Als Folge davon sinkt der erreichbare Wirkungsgrad der Vorrichtung. Jedoch wird damit gleichzeitig die Emissionsfreiheit der genannten erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht. Zudem ist die erreichbare Leistung bei gleicher Motorendimensionierung grösser, was den Leistungsverlust wieder ausgleicht.The energy required for operating the compressor of a
Der Verdichter kann beispielsweise über ein geeignetes Getriebe direkt mit der Kurbelwelle einer Kolben-Verbrennungskraftmaschine betrieben werden. Ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Turbine ausgestaltet, so kann der Verdichter direkt auf der gleichen Welle sitzen. Die Abgase können dann direkt anschliessend an den Expansionsvorgang kondensiert und der verbleibende Reststrom verdichtet werden.The compressor can, for example, be operated directly with the crankshaft of a piston internal combustion engine via a suitable transmission. If the
In einer anderen Variante einer als Kolbenmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung werden die Abgase innerhalb der Brennkammer beim dritten Takt bereits vorkomprimiert, und dann durch die Austrittsvorrichtung 12 abgelassen. Gegebenenfalls kann der nachgeschaltete Verdichter 14 auch weggelassen werden.In another variant of a device according to the invention designed as a piston engine, the exhaust gases within the combustion chamber are already pre-compressed in the third cycle and then discharged through the
Eine solche Ausführungsform ist auch als Zweitakt-Variante möglich, weil die neue Beladung der Brennkammer mit Reaktionsgemisch (Treibstoff 20, Sauerstoff 22, Wasser 23) in einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr schnell erfolgen kann. In einem zweiten Aufwärtstakt werden die Abgase vorkomprimiert, und gegen Ende des Takts aus der Brennkammer abgelassen. Der gasförmige Sauerstoff kann unter hohem Druck am Ende des Aufwärtstakts in die Brennkammer eingeblasen werden, da für eine vollständige Verbrennungsreaktion vergleichsweise wenig Sauerstoff benötigt wird, und Wasser als zusätzliches Expansionsmittel vorhanden ist. Der flüssige Treibstoff 20 und das Wasser 23 als Expansionsmittel können ohnehin sehr schnell und unter hohem Druck in die Brennkammer eingespritzt werden.Such an embodiment is also possible as a two-stroke variant because the new loading of the combustion chamber with reaction mixture (
Der Energieverbrauch für den Verdichter kann optimiert werden durch eine geeignete Kombination mit einem oder mehreren Wärmetauschern beziehungsweise Kühlelementen, in denen durch Abgabe von Wärmeenergie der Reaktionsgase an eine interne oder externe Wärmesenke das Gasvolumen reduziert werden kann.The energy consumption for the compressor can be optimized by a suitable combination with one or more heat exchangers or cooling elements, in which the gas volume can be reduced by releasing thermal energy from the reaction gases to an internal or external heat sink.
Ebenfalls ist es möglich, eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Wärmekraftmaschine mit äusserer Verbrennung zu realisieren beispielsweise als Dampfmaschine bzw. Dampfturbine oder als Sterling-Motor.It is also possible to implement a
In einer der Turbine vorgeschalteten Brennkammer 710 wird Betriebstoff 20 mit Sauerstoff 22 in einem Brenner 714 verbrannt, unter Bildung eines sehr heissen Abgases. In die Brennkammer 710 wird Wasser 23' eingebracht, vorzugsweise als überhitztes flüssiges Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise 250 °C und einem Druck von 50 bar. Der resultierende Wasserdampf vermischt sich mit den Verbrennungsabgasen, so dass ein heisses (z.B. 600°C) Abgas 21' mit einem hohen Anteil an überhitztem Wasserdampf entsteht. Die genannten Abgase treten aus der Brennkammer 710 aus und werden in einer nachfolgenden Turbinenvorrichtung 719 in mechanische Arbeit 78 umgesetzt, mit welcher wiederum eine elektrische Generatoreinrichtung 74 angetrieben wird. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung verhält sich das Gasgemisch in der Brennkammer isochor, so dass der Gasdruck steigt, oder isobar, so dass das Gasvolumen entsprechend ansteigt, oder sowohl das Volumen als auch der Druck steigen an. Entsprechend muss auch die nachfolgende Turbinenvorrichtung 719 ausgestaltet werden. Geeignete Turbinen 719 sind aus dem Stand der Technik bekannt, und verfügen meist über mehrere Stufen. In einer alternativen Variante kann nach einer Hochdruckstufe der Turbinenvorrichtung 719 teilentspannter Prozessdampf 77 abgezogen und anderweitig verwendet werden.In a
Das entspannte Abgas 21" wird in einen Kondensator/Economizer 73 geleitet, wo das Wasser 23 auskondensiert und abgetrennt wird. Das verbleibende Restgas 24, welches im wesentlichen Kohlendioxid enthält, wird in einem Verdichter 72 komprimiert. Anschliessend wird es entweder in einem Gasspeicher 15 zwischengespeichert, oder direkt in die erste Stufe einer Verwertungsanlage 6 gefördert. Der Verdichter 72 wird vorteilhaft direkt über die Turbine 719 angetrieben.The expanded
Anstatt in die Brennkammer 710 kann das Wasser 23' auch erst anschliessend an die Brennkammer 710 mit dem Abgasstrom 21' gemischt werden, beispielsweise mittels einer Venturidüse.Instead of entering the
In der Antriebsvorrichtung 71 werden die Menge Wasser 23' und die Menge an Brenngemisch 20, 22 und die weiteren wählbaren Parameter vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, dass die nachfolgende Turbine eine möglichst hohe Energieausnutzung erreicht. Gleichzeitig soll der Anteil Wasser am Abgasgemisch 21' möglichst hoch sein. Zum einen wird so ein möglichst hoher Druckabfall des Gasgemischs auf dem Kondensator 73 erreicht. Dies erhöht die totale Druckdifferenz über die Turbine 719, und somit deren Effizienz. Zum anderen verbleibt weniger Restgas 24, das verdichtet 72 und gespeichert 15 werden muss.In the drive device 71, the amount of water 23 'and the amount of
Ein weiterer Vorteil des Einbringens von Wasserdampf in die Brennkammer ist der kühlende Effekt des Dampfs. Die exotherme Oxidation des sehr energiereichen Brennstoffgemischs kann zu sehr hohen Temperaturen führen, von bis zu 1000 °C oder gar 2000 °C. Solche Temperaturen würden die Strukturen der Brennkammer 710 und der nachfolgenden Turbinenvorrichtung 719 sehr stark belasten. Der vergleichsweise kalte Wasserdampf wird vorzugsweise so in die Kammer eingebracht, dass er die Wände der Brennkammer 710 von der sehr heissen Flamme 715 abschirmt. Der Dampf kühlt schliesslich das gesamte Gasgemisch auf 600 °C bis 800°C ab, was die die thermische Belastung der Turbinenblätter senkt und deren Lebensdauer erhöht.Another advantage of bringing water vapor into the combustion chamber is the cooling effect of the steam. The exothermic oxidation of the very high-energy fuel mixture can lead to very high temperatures, up to 1000 ° C or even 2000 ° C. Such temperatures would stress the structures of the
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Aspekten unterscheidet sich die dargestellte Antriebsvorrichtung 1 von einer herkömmlichen Gasturbine auch dadurch, dass der Brennkammer kein Verdichter vorgeschaltet ist. Dies erlaubt eine einfachere Gestaltung der Brennkammer 710 als bei einer Gasturbine. Da die Betriebsstoffe 20 mit reinem Sauerstoff 22 verbrannt werden, ist die erreichbare Energiedichte höher als mit Luft mit ihrem reduzierten Sauerstoffanteil. Um die Menge an pro Zeiteinheit in die Brennkammer 710 einbringbarem Sauerstoff zu erhöhen, kann der Sauerstoff unter Druck gesetzt werden. Dir Turbinenvorrichtung 719 kann wie eine Dampfturbine gestaltet sein, da die Temperatur- und Druckbereiche des Abgases 21' im Wesentlichen dieselben sind.In addition to the aspects already mentioned, the
Ein Fahrzeug 3 angetrieben durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist in
Das Fahrzeug 3 weist einen Tank 31 für den flüssigen oder gasförmigen Treibstoff 20 auf, sowie einen Drucktank 32 für den Sauerstoff 22. Der Gasspeicher für das Kohlendioxid wird vorteilhaft als Drucktank ausgestaltet. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist besonders für weniger gewichtssensitive Fahrzeuge geeignet, wie beispielsweise Land- und Wasserfahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge im Stadtverkehr oder Schiffe und grössere Boote. Je nach Grösse des Fahrzeugs ist es auch möglich, den Sauerstoff vor Ort herzustellen, wodurch der Drucktank 32 lediglich als Zwischenspeicher dient und entsprechend kleiner ausgelegt werden kann.The
Nicht gezeigt in
Ebenfalls in
In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung wird die bei der Oxidationsreaktion entstehende thermische Energie nicht in mechanische Arbeit umgesetzt, sondern zur Erwärmung eines fluiden Wärmetransportmediums genutzt. Das heisst, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie dient. Als Wärmetransportmedium, dass den Transport der erzeugten thermischen Energie dient, kann beispielsweise Wasser, Öl, Luft oder Dampf benutzt werden.In a further embodiment of a device according to the invention, the thermal energy produced in the oxidation reaction is not converted into mechanical work, but used to heat a fluid heat transport medium. This means that the device is used to generate thermal energy. For example, water, oil, air or steam can be used as a heat transport medium that transports the thermal energy generated.
In einer möglichen Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung findet die Energie erzeugende Oxidationsreaktion in einer geeignet ausgestalteten Brennkammer statt, welche mit Mitteln zur Erwärmung des Transportmediums ausgestattet ist, beispielsweise einem Wärmetauscher. Diese Mittel dienen auch dem Abkühlen des entstehenden Abgasstromes.In a possible variant of such a device according to the invention, the energy-generating oxidation reaction takes place in a suitably designed combustion chamber which is equipped with means for heating the transport medium, for example a heat exchanger. These agents also serve to cool the resulting exhaust gas flow.
Das erhitzte Wärmetransportmedium kann anschliessend in industriellen Anlagen genutzt werden, oder zum Heizen von Gebäuden. Beispielsweise kann eine Fernheizzentrale bzw. ein Blockheizkraftwerk mit einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung ausgestattet werden.The heated heat transport medium can then be used in industrial systems or for heating buildings. For example, a district heating center or a block-type thermal power station can be equipped with such a device according to the invention.
Die Betankungsanlage 41 bildet mit einer Treibstoffproduktionsanlage 6, wie sie in der internationalen Anmeldung Nr.
Besonders geeignet ist eine Betankungsanlage 41 beispielsweise für öffentliche Busbetriebe einer Stadt. In der Regel werden deren Busse ausschliesslich in den betriebseigenen Betankungsanlagen betankt. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl umzurüstenden Betankungsanlagen 41 können also viele Fahrzeuge 3 erreicht werden. Dies führt zu tieferen Investitionskosten in eine entsprechende Gesamtanlage.A
In räumlich klar definierten Gebieten, beispielsweise einer Stadt, können die Rückführung des Kohlendioxids und/oder die Versorgung mit Treibstoff auch über ein geeignetes Versorgungsnetz 5 erfolgen. Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen für dieses Verfahren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückführungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.In spatially clearly defined areas, for example a city, the return of the carbon dioxide and / or the supply of fuel can also take place via a
Zusätzlich ist ein zweites Rückführungsnetz 52 vorhanden, in welches die Betankungsanlagen 41 und das Strom kraftwerk 43 das anfallende Kohlendioxid 24 einspeisen. Dieses wird wiederum in die Produktionsanlage 6 zurückgefördert. Ein zweiter Zwischenspeicher 82 dient der Erhöhung der Kapazität des zweiten Netzes. Zusätzlich ist in der gezeigten Variante auch ein Endlager 44 für Kohlendioxid vorgesehen. Kohlendioxid kann aus dem zweiten Netz abgezweigt und unter Druck in ein ausgeschöpftes Erdöllager gepumpt werden, wo es dann dauerhaft verbleibt.In addition, there is a
Wird eine erfindungsgemässe Vorrichtung direkt an ein solches erfindungsgemässes Versorgungssystem 5 angeschlossen, so kann auf einen Betriebsstofftank 31 und/oder Gasspeicher 15 für das Kohlendioxid ganz verzichtet werden, da das feste Leitungssystem diese Funktion übernimmt. Dies ist beispielsweise bei der Stromproduktionsanlage 43 in
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 1111
- BrennkammerCombustion chamber
- 111111
- Zylindercylinder
- 112112
- Kolbenpiston
- 1212th
- Austrittsvorrichtung, EntlüftungsvorrichtungOutlet device, ventilation device
- 1313th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 1414th
- Vorrichtung zur Verdichtung, VerdichterDevice for compression, compressor
- 1515th
- GasspeicherGas storage
- 1616
- Zufuhrvorrichtung für SauerstoffSupply device for oxygen
- 1717th
- Zufuhrvorrichtung für WasserSupply device for water
- 1818th
- Zufuhrvorrichtung für TreibstoffFuel supply device
- 2020th
- Betriebsstoff, TreibstoffFuel, fuel
- 21, 21', 21"21, 21 ', 21 "
- Reaktionsprodukte, Produktgas, Verbrennungsgas, AbgasReaction products, product gas, combustion gas, exhaust gas
- 2222nd
- Sauerstoffoxygen
- 23, 23'23, 23 '
- Wasserwater
- 2424
- KohlendioxidCarbon dioxide
- 2525th
- Wasserstoffhydrogen
- 2727
- kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffecarbonaceous raw materials
- 33
- Fahrzeug, mobile oder stationäre MaschineVehicle, mobile or stationary machine
- 3131
- TreibstofftankFuel tank
- 3232
- SauerstofftankOxygen tank
- 4141
- BetankungsanlageRefueling system
- 4343
- Anlage zur StromproduktionPlant for electricity production
- 4444
- Endlager für KohlendioxidRepository for carbon dioxide
- 55
- VersorgungssystemSupply system
- 5151
- Versorgungsnetz TreibstoffSupply network fuel
- 5252
- Rückführungsnetz KohlendioxidReturn network carbon dioxide
- 66th
- Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen SubstanzenPlant for the thermal-chemical utilization of carbon-containing substances
- 61a61a
- Erste Stufe zur Erzeugung von SynthesegasgemischFirst stage for the generation of a synthesis gas mixture
- 61b61b
- Zweite Stufe zur Erzeugung von SynthesegasgemischSecond stage for generating a synthesis gas mixture
- 6262
- Dritte Stufe zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffderivaten und anderen WertsstoffenThird stage for the production of hydrocarbon derivatives and other valuable materials
- 6363
- PyrolysekoksPyrolysis coke
- 6464
- PyrolysegasPyrolysis gas
- 6565
- SynthesegasgemischSynthesis gas mixture
- 6666
- Rücklaufgase mit KohlendioxidReturn gases with carbon dioxide
- 7171
- Vorrichtungcontraption
- 710710
- BrennkammerCombustion chamber
- 711711
- Zylindercylinder
- 712712
- Kolbenpiston
- 713713
- Austrittsvorrichtung, EntlüftungsvorrichtungOutlet device, ventilation device
- 714714
- Brennerburner
- 715715
- Flammeflame
- 716716
- Zufuhrvorrichtung für SauerstoffSupply device for oxygen
- 717717
- Zufuhrvorrichtung für WasserSupply device for water
- 718718
- Zufuhrvorrichtung für BetriebsstoffSupply device for operating material
- 719719
- Turbineturbine
- 7272
- Verdichtercompressor
- 7373
- Kondensator/EconomizerCondenser / economizer
- 7474
- GeneratorvorrichtungGenerator device
- 7575
- externer Kühlkreislaufexternal cooling circuit
- 7676
- elektrische Energieelectrical power
- 7777
- ProzessdampfProcess steam
- 7878
- mechanische Energiemechanical energy
- 8181
- Erster Speicher, Speicher für BetriebsstoffeFirst storage facility, storage facility for operating materials
- 8282
- Zweiter Speicher, Speicher für AbgaseSecond storage, storage for exhaust gases
Claims (9)
bei welchem die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu einem Abgas (21) im Wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezogen wird, indem
in mindestens einer Brennkammer (11) der Verbrennungskraftmaschine Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff (22) verbrannt wird, und
der entstehende Gasdruck bzw. das entstehende Gasvolumen in mechanische Arbeit umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
Sauerstoff in die mindestens eine Brennkammer zugeführt (16) wird;
Wasser (25) direkt in die mindestens eine Brennkammer eingebracht (17) wird; und
das bei der Oxidationsreaktion entstehende Abgas (21) nach dem Austritt (12) aus der mindestens einen Brennkammer verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher (15) aufgefangen wird.Method for performing mechanical work with an internal combustion engine, for example a piston engine or a turbine,
in which the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials (20) to an exhaust gas (21) consisting essentially of carbon dioxide (24) and water (23) by
fuel is burned with oxygen-enriched air or pure oxygen (22) in at least one combustion chamber (11) of the internal combustion engine, and
the resulting gas pressure or the resulting gas volume is converted into mechanical work, characterized in that
Oxygen is fed into the at least one combustion chamber (16);
Water (25) is introduced (17) directly into the at least one combustion chamber; and
the exhaust gas (21) resulting from the oxidation reaction is compressed and / or condensed after the exit (12) from the at least one combustion chamber and is collected in a reservoir (15).
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