DE10044575A1 - Umweltschonendes Verfahren zur Energiegewinnung durch Erzeugung und Verwendung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches sowie eine Anlage zur Durchführung des umweltschonenden Verfahrens zur Energiegewinnung durch Erzeugung und Verwendung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umweltschonenden Energiegewinnung durch elektrochemische Zersetzung von Wasser und anschließende Umsetzung des entstan­ denen Gasgemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff ("Knallgas") in einem Verbren­ nungsmotor.

Die Zahl der Erfindungen auf dem genannten Technologiefeld hat mit der steigenden Bedeutung von umwelt- und ressourcenschonenden Antriebstechniken stark zugenom­ men. Insbesondere ist eine große Zahl von Verfahren zur Verwendung von Brennstoff­ zellen oder zur Energieerzeugung durch Verbrennung von Wasserstoff oder Methanol oder anderen energiereichen Ausgangsstoffen mit Sauerstoff beschrieben worden.

Unter ihnen sind auch Verfahren bekannt, in denen Wasser zunächst durch Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und anschließend der Wasserstoff im entstandenen Knallgas mit dem gleichfalls gebildeten Sauerstoff umweltschonend zu Wasser/Wasserdampf verbrannt wird. Die Verbrennungsenergie wird zum Betreiben von Motoren genutzt.

Nach dem Verfahren der WO-Auslegeschrift 9208885 wird mit einer Elektrolyseeinheit in einem Fahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, die elektrochemische Spaltung von Wasser durchgeführt und das entstandene Gasgemisch dazu verwendet, den Treibstoffverbrauch des Fahrzeugs zu senken. Dabei wird die für die Elektrolyse erforderliche elektrische Energie durch einen Generator während der Bewegung des Fahrzeugs erzeugt und nach dem Betätigen der Fahrzeugbremsen an die Elektrolyse­ einheit weitergeleitet. Das in der Elektrolyseeinheit erzeugte Gasgemisch wird als zusätzliche Treibstoffkomponente für den Verbrennungsvorgang im Motor genutzt, gleichzeitig wird die Zufuhr von herkömmlichem Treibstoff gedrosselt.

Das Verfahren der Patentschrift DE 195 33 019 C2, beschreibt ein Hydrolysekammer- Pump-System zur elektrolytischen Spaltung von Wasser und anschließenden Verbren­ nung des entstandenen Knallgasgemisches in einem Ottomotor eines Kraftfahrzeugs. Als Ausgangsstoff für die Elektrolyse wird destilliertes Wasser verwendet, die Menge des in die Elektrolysekammer gepumpten Wassers wird durch Betätigung des Gaspedals geregelt. Durch eine spezielle Einstellung des Motoreinlaßventils wird sichergestellt, daß mit dem Knallgas möglichst keine Luft angesaugt wird, da sie eine optimale Nutzung des Knallgasgemisches erschweren würde.

In der PCT-Veröffentlichung WO 95/33128, deutsche Übersetzung: DE 44 80 944 T1, wird eine Knallgas-Verbrennungsturbinenanlage beschrieben, in der Wasserstoff als Treibstoff und reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Durch eine spezielle Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, indem die gesamte Abgaswärme durch einen Wärmetauscher zum Grund­ kreislauf übertragen und der in der Verbrennungsreaktion entstandene Dampf dem System entzogen und zur Expansion in eine Kondensationsturbine geleitet wird.

Es wurde nun gefunden, daß zur umweltschonenden Energiegewinnung in einer Ver­ brennungsanlage die in den Patentansprüchen beschriebene Kombination der Verfah­ rensschritte "Wasserelektrolyse + Knallgasgewinnung + Knallgasverbrennung + Erzeugung der elektrischen Energie zur Elektrolyse + (Teil)-Rückgewinnung des Wassers" in einem geschlossenen System ohne Energiezufuhr von außerhalb des Systems genutzt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist neben dem Verfahren des Anspruchs 1 auch eine gemäß Patentanspruch 3 konstruierte Anlage zur Durchführung des umweltschonenden Ver­ fahrens zur Energiegewinnung durch Erzeugung und Verwendung eines Wasserstoff- Sauerstoff-Gemisches.

Erfindungsgemäß verläuft die Energiegewinnung (nach dem Start des Motors mit Hilfe der Batterie, die während des Betriebs der Anlage jedoch wieder aufgeladen wird) im geschlossenen System ohne Zufuhr von Energie von außerhalb des Systems.

Es wird lediglich ein Teil des eingesetzten Wassers verbraucht, Wasser ist somit die einzige Energiequelle.

Für einen hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist entscheidend, daß seine Einzelkomponenten optimal aufeinander abgestimmt und im Sinne eines geschlossenen Systems miteinander ver­ bunden sind. Die Komponenten sind in der einschlägigen Technik bekannte und im allgemeinen handelsübliche Aggregate, sie werden im Einzelfall durch technische Umbau- und/oder Ergänzungsmaßnahmen variiert und dem Zweck der hier beschrie­ benen Erfindung angepaßt.

In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung (schematische Darstellung: siehe Abb. 1) sind die folgenden Komponenten:

• - Motorblock (1) mit Vergaser (1a)
• - Wasserpumpe (2)
• - Primärstrom-Dynamogenerator (3)
• - Hochfrequenz-Transformator (4) mit Gleichstromausgang 1 : 4 auf die Batterie (5)
• - Elektrolyseur (6)
• - Bordstromnetz (7)
• - Zündsystem (8)
• - Leitungssystem (9) für den Wasserdampf über die Auspuffanlage in die Nasszelle (10)
• - Luft-Schleudergebläse (11) zur Wasserdampfkondensation in den Karamikgitter-Elementen (12)
• - Leitungssystem (13) für das gewonnene Kondenswasser in den Tank (14)
• - Treibstoffpumpe (15)
• - Leitungssystem (16) für Knallgas zwischen Elektrolyseur und Motor

zu einem geschlossenen System zusammengeführt.

Das dargestellte Schema ist eine beispielhafte Kombination der einzelnen Komponen­ ten, die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.

Als Batterie und Zündanlage (5, 8) des Verfahrens werden herkömmliche Systeme verwendet, z. B. eine 12 Volt/66 Ampère Diesel-Batterie für die Nutzung in einem Pkw oder eine 24 bzw. 48 Volt Diesel-Batterie in einem Lkw. Ihre Wirkung wird durch eine hochwirksame Elektrolyten-Spiralheizung verstärkt, die - gemeinsam mit den groß­ flächigen Elektrodenblechen in der Elektrolyse-Einheit - für eine schnelle Aufheizung des Wassers im Vergaser-Elektrolyseur der Anlage sorgt.

Das im Elektrolyseur erzeugte Knallgas wird über Druckregler und Gasventil unmittelbar vor dem Vergasersystem (1a) eingeleitet bzw. eingedüst und und gelangt so in den Verbrennungsmotor (1). Das mit dem Motor gekoppelte System aus Generator und Transformator lädt - wie beispielsweise bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug oder einer entsprechenden stationären Anlage - die Batterie (5), die ihrerseits die notwendige elektrische Energie für die Wasser-Elektrolyse liefert.

Die Elektrolyseur-Gasanlage hat ein Gesamtvolumen von ca. 2.250 cm³ und besteht aus einer ca. 1.250 cm³ großen Wasser-Elektrolysekammer und einem ca. 1.000 cm³ fas­ senden Gastank. Die Anlage verfügt über einen direkten Übergang von der Elektrolyse­ kammer zum Gastank, ausgestattet mit Gasventilen, Gasmanometer, Gasdruckregler und einem Gasdosiergerät vor dem Luftfilter. Das Gasdosiergerät steuert mit einer Stauklappe, deren Bewegung über eine einstellbare Kurvenscheibe auf das Gasventil übertragen wird, die durch den Unterdruck des Motors angesaugte Luftmenge. - In dieser Ausgestaltungsform der Erfindung besteht die Elektrolyseeinheit aus folgenden Komponenten (Abb. 2):

• - Ablaß- und Kontroll-Schraubvorrichtung für Nebenprodukte der Elektrolyse (1)
• - Wasserheizspiralvorrichtung (2)
• - Platin-Elektrodenblechanordnung in Fächerform (3)
• - Wärmeresistenter Kunststoffstock zur Befestigung der Elektrodenbleche und Wassereinlaufrohr aus der Fahrzeugtankinfrastruktur- oder Wassertank (4)
• - Elektronischer Füllstandssensor (5)
• - Unterdruck-Ansaugventil (6)
• - Elektrodenenden als elektrische Leiter zu den Elektrodenblechen (7)
• - Elektrolyseur- und Gasvorratskammerdeckel-Verschraubung mit O-Ring (8)
• - Ventil-Verschraubung in den Deckel (9)
• - Ventilgehäuse mit Schlauchanschlußnippel (10)
• - Wasseranschlußventil mit Schraubanschluß zum Kunststoffstock für Wasser­ transport mittels Treibstoffpumpe aus dem Tank (11)
• - Elektroden-Klemmanschlüsse zur Batterie (12)
• - Füllstandsmesser-Gehäuse mit elektrischen Kontaktsteckern zur Zündspule (13)
• - Überbrückungsgasventil zum Knallgas-Reserve- und Kaltstartbevorratungstank (14)
• - Gasdruck-Manometer (15)
• - Gassteuerventil mit Schlauchanschlußnippel zum Gasdosiergerät mit Single- Point-Injektion in den Luftfilterdeckel - hinter der Starterklappe in den Motor- Unterdruck-Ansaugtunnel des Vergasersystems (16).

Das dargestellte Konstruktionsschema ist eine beispielhafte Kombination der einzelnen Komponenten, die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren hat die konstruktive Gestaltung der beiden Elektroden des Elektrolyseurs entscheidende Bedeutung: sie sind konisch zur Mitte des Gefäßes hin ausgerichtet und bestehen aus jeweils 12-16 rechteckigen Platinblechen, die vorzugsweise (bei einem Durchmesser von 2 mm, einer Höhe von 100 mm und einer Breite von 80 mm) eine Gesamtoberfläche von rd. 2.800-3.000 cm² aufweisen. Sie haben eine Spaltenbreite von 10 mm und sind um einen Kunststoffzylinder angeordnet, der gleichzeitig als Einlaufvorrichtung für das Wasser aus dem Tank der Anlage dient.

Bei sehr niedrigen Außentemperaturen wird die Gefahr des Einfrierens der Anlage da­ durch vermieden, daß der Wassertank (z. B. in einem Kraftfahrzeug) durch eine 7,5-A- Thermostatheizung erwärmt wird. Die Frostfreiheit der wasserführenden Zuleitungen wird durch die bei der Elektrolyse kontinuierlich entstehende Reaktionswärme von ca. 85°C gewährleistet.

Das erfindungsgemäße System kann sowohl im stationären Bereich (z. B. in Turbinen) als auch in mobilen Anlagen (z. B. in Lastkraft- oder Personenkraftwagen mit Zweitakt- oder Viertakt-Hubkolben-Motoren oder mit Kreiskolben- oder Umlaufkolbenmotoren) eingesetzt werden. Die Nutzung in Achtzylinder-Diesel-Stromgeneratoren (dabei erreichte elektrische Energie-Erzeugung: 250 kWA) oder als kleinere Schiffsantriebe in Zwölfzylinder-Dieselkombi-Stromgeneratoren (500 kWA) ist ebenfalls möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentansprüchen 1 und 2 sowie die in den Ansprüchen 3 und 4 beschriebene Anlage zeichnen sich durch eine geringe Bauhöhe der Elektrolyseeinheit aus (120 bis maximal 200 mm), die bei einer Verwendung in Personenkraftwagen den Einbau in aerodynamisch orientierte Modelle mit flacher Motorhaube begünstigt. Durch die Verwendung von Aluminium-Kupfer-Legierungen für die Hauptgußteile und/oder den Einsatz von Kunststoff-Systemteilen kann eine etwa 40- prozentige Gewichtsreduktion der gesamten Anlage erreicht werden.

Der aus der Auspuffanlage des Verbrennungsmotors austretende 203°C heiße Wasserdampf kann - anders als in dem Beispiel dargestellt - auch direkt als Energie­ träger genutzt werden, z. B. zum Antrieb einer Turbine.

Die experimentellen Daten, die bei Probeläufen der Anlage gewonnen wurden, zeigten bei der dieser Erfindung zu Grunde liegenden Verfahrensvariante "Kondensation des aus dem Motor austretenden Wasserdampfs und Rückführung des Kondensats in den Wassertank" einen durchschnittlichen Wasserverbrauch zwischen 10 und 30% pro Lauf. Der Anteil des verbrauchten Wassers ist von der Motorbelastung abhängig, bei durch­ schnittlicher Motorleistung wurde ein mittlerer Verbrauch von 15-20% ermittelt.

Auf der Basis dieser Experimente läßt sich für eine Nutzung des erfindungsgemäßen Systems als Antriebsaggregat in einem Personenkraftwagen (Fahrzeug mit durchschnitt­ licher technischer Ausstattung) errechnen, daß mit einer Tankfüllung von 60 Litern Wasser - ohne Energie-Zufuhr "von außen" - ein Aktionsradius von 2.500-3.000 km erreicht werden kann. Als alleiniger Energielieferant bzw. Treibstoff wird Wasser ver­ wendet.

Claims (4)

1. Verfahren zur elektrolytischen Spaltung von Wasser zu einem Wasserstoff- Sauerstoff-Gasgemisch und zur anschließenden Verbrennung des Gasgemisches in einem Motor, das als geschlossenes System kontinuierlich und - abgesehen vom Wasserverbrauch - ohne äußere Energiezufuhr arbeitet und aus einem Verbren­ nungsmotor mit Batterie, Zündsystem, Vergaser, Wassertank, Wasserpumpe, Lichtmaschine, Transformator sowie einer Elektrolyse-Einheit mit Gasvorratsbehäl­ ter, einer Vorrichtung zur Wasserdampfkondensation, einem Stromnetz und Lei­ tungssystemen für Gasgemisch, Wasserdampf und Kondenswasser besteht, da­ durch gekennzeichnet, dass Wasser als alleinige Energiequelle genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauch des als Energiequelle genutzten Wassers 10-30% der im Tank vorgelegten Menge be­ trägt.

3. Anlage zur elektrolytisch Spaltung von Wasser zu einem Wasserstoff-Sauerstoff- Gasgemisch, im Mischverhältnis 2 : 1 sowie andere Gase die gelöst im Wasser vor­ liegen, zur anschließenden Verbrennung des Gasgemisches in einem Otto- oder Dieselmotor, Verbrennungsmotoren mit einem geschlossenen Elektrolysesystem das kontinuierlich und - abgesehen vom Wasserverbrauch ohne äußere Energiezu­ fuhr arbeitet, besteht aus einem Motor mit Batterie gekoppelt mit der Lichtmaschine, -Zündsysteme, -Vergaser, -Wasserpumpe, -Wassertank, und einem mit der Bat­ terie gekoppelten Transformator, - mit einer Spannungs-steuernden und Span­ nungszeitflächen steuernden Resonanzschaltung, - sowie einer damit gekoppelten Elektrolyseeinheit mit Gasvorratsbehälter, - einer Vorrichtung zur Wasserdampfkon­ densation, - einer Transistoren-Stromnetzsteuerung, einem Gastransportsystem zwischen Elektrolyse-Einheit und Motor und spezifischen Leitungssystemen für Wasserdampf und Kondenswasser, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser als al­ leinige Energiequelle genutzt wird.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauch des als E­ nergiequelle genutzten Wasser 10-30% der im Tank vorgelegten Menge beträgt.