DE10132660A1

DE10132660A1 - Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen

Info

Publication number: DE10132660A1
Application number: DE10132660A
Authority: DE
Inventors: Martin Strobel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-16

Description

Die Erfindung betrifft die Nutzung der Abfallenergie von Wärmekraftmaschinen. Hierzu wird ein Aggregat vorgeschlagen, das Luftsauerstoff chemisch bindet und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) herstellt, das entweder in den Kraftstoff gemischt wird oder sich durch eine kontrollierte Katalyse zersetzt. Beim Zerfall expandiert es unter Abgabe der zuvor eingesetzten Restenergie in Form kinetischer Energie an den Motor und emittiert Sauerstoff in statu nascendi, der die Verbrennung optimiert. Außerdem werden dem Motor oder einer Brennstoffzelle molekularer Wasserstoff zugeführt, der bei der Wasserstoffperoxidsynthese anfällt dies, ohne daß Wasser energieintensiv elektrolytisch aufgespaltet werden muß. Das Aggregat kann bei konventionellen Motoren eingesetzt werden. Es werden zusätzlich eine mit dem Aggregat ausgestattete Maschine, die mit H₂O₂ und Wasser betrieben wird und molekularen Wasserstoff mit atomaren Sauerstoff verbrennt, eine geeignete Maschine die Prinzipien der internen und externen Verbrennung kombiniert, und ein thermisch/elektrischer Hybridantrieb, der eine Brennstoffzelle nutzt, konzipiert.

Stand der Technik

Moderne GuD-Kraftwerke, die Gasturbinen mit Dampfturbinen koppeln, erreichen Wirkungsgrade oberhalb von 55%. In den 1940er Jahren wurden Unterseeboote erfolgreich mit außenluftunabhängigen Antrieben nach einer Erfindung Professor Helmuth Walters ausgerüstet. Diese Antriebe nutzten Leichtöl und eine wäßrige Wasserstoffperoxidlösung, die in einem Zersetzer zu Wasserdampf und naszierendem Sauerstoff zerfiel. Der Sauerstoff zündete mit dem Leichtöl in einer Brennkammer, das resultierende Arbeitsgas aus Wasserdampf und Kohlendioxid trieb eine Dampfturbine an und wurde anschließend kondensiert, das wieder in Wasser gelöste Kohlendioxid außenbords abgelassen. Es war aber die Luft- und Raumfahrtentwicklung, die hauptsächlich von der Erfindung profitierte. Das erste realisierte Strahltriebflugzeug, Heinkel He 176, hatte einen "kalten Walter-Antrieb", der ohne Zündung des Sauerstoffs arbeitete. Allein die katalytische Zersetzung einer sechzigprozentigen H₂O₂-Lösung führte zur Austrittsgeschwindigkeit des Wasserdampfes von 1000 m/s. Spätere Strahltriebwerke, wie die der Raketenwaffe V2, wurden mit H₂O₂ und Brennstoffen betrieben. Heute wird Wasserstoffperoxid unter anderem als Treibstoff für Torpedoturbinen, als Oxidizer in Zweikomponentenflüssigtreibstoff und Hybridraketen verwendet und in der chemischen Technologie als Polymerisationsstarter eingesetzt, um Kettenreaktionen auszulösen. Es ist in wäßrigen Lösungen stabil und benötigt zum Zerfall einen Katalysator. Zur Zeit werden Brennstoffzellen entwickelt, die mit Wasserstoffperoxid und Al- bzw. Li-Legierungen betrieben werden. Bei den üblichen Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff und Luftsauerstoff arbeiten, wird H₂ oft aus Kohlenwasserstoff in Reformern abgetrennt, um die bekannten Probleme der Speicherung und Explosionsgefahr von H₂ zu umgehen. Dabei ist nachteilig, daß weiterhin CO₂ emittiert wird, allerdings in etwas geringfügigem Ausmaß als beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen. Dieser Nachteil betrifft genauso die derzeit mit anteilig 98% global vorherrschende industrielle Produktion von H₂ aus Erdgas. Die elektrische Umsetzung von H₂ aus fossiler Quelle in Brennstoffzellen ist schon aufgrund des überlegenen Wirkungsgrades von E-Motoren ökologisch weniger problematisch als die thermische Nutzung bspw. in Fahrzeugen, die sich selbstverständlich negativ im Vergleich zum Direktantrieb mit Erdgas verhalten muß.

Aufgabenstellung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Betrieb von stationären und mobilen Wärmekraftmaschinen aufzuzeigen, der mittels der Nutzung der sonst verloren gehenden Restenergie der Maschine CO₂- und Schadstoffemissionen minimiert und fossile oder solare Energieträger rationell nutzt.

Beschreibung

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung des Isopropanolverfahrens, Fig. 2 ein stöchiometrisches Diagramm, Fig. 4 eine Wärmekraftmaschine mit elektrochemischem Aggregat zur H₂O₂-Herstellung, Fig. 5 eine mit O₂ und 2H₂ betriebene Maschine, Fig. 6 einen Brennstoffzellenhybridantrieb, Fig. 7 einen Hubkolbenmotor, Fig. 8 einen Rotationskolbenmotor, Fig. 9 eine Maschine mit kombiniertem Dampf/Eplosionsantrieb, Fig. 10 eine weitere Maschine mit elektrochemischen Aggregat.

Zur Herstellung von Wasserstoffperoxid sind zahlreiche Verfahren bekannt, die auf ihre Eignung geprüft werden können. Für Fahrzeuge werden vor allem thermoelektrische Verfahren vorgeschlagen, bei denen rückstandsfrei im Kreislauf geführte Säuren elektrolysiert werden, die sich dabei nicht verbrauchen. Die oxidierten Säuren (im folgendem "Persulfate") werden einer Dampfhydrolyse im Vakuum unterzogen, bei der zwei Sauerstoffatome an das Wasserstoffmolekül gebunden werden.

Die Dampfbereitstellung kann entweder über einen Wärmetauscher erfolgen, oder das Abgas wird rezykliert. Bei der zweiten Variante erfolgt der Abbau des Gegendrucks zur Entlüftung des Motors durch die Kondensation des Abdampfes und indem CO₂ aus dem Kreislauf abgelassen wird; das Wasser regeneriert bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff durch die Knallgasreaktion. Die elektrische Energie zur Elektrolyse der Kreislaufsäure wird generativ gewonnen, wobei wie bei Hybridfahrzeugen die Brems- und Schubenergie eines Fahrzeugs induktiv rekuperiert und der Teillastbetrieb des Motors vermieden werden, so daß ein nivellierter Betrieb im Idealbereich erzielt wird. Damit verringert sich zusätzlich zum energetischen Zugewinn der wirksame Energiebedarf des Fahrzeuges. Außerdem kann eine Abgasturbine genutzt werden, um Strom zu generieren.

Neben der Gruppe der elektrolytischen Verfahren, die in der industriellen Produktion bis in die sechziger Jahre vorherrschend war, gibt es für diese Anwendung weniger geeignete Verfahren der Wasserstoffperoxidsynthese. Bei den aktuellen industriellen Autooxidationsverfahren wird Wasserstoff benötigt, zudem ist die Technologie sehr komplex. Auch die Autooxidationsverfahren bilden geschlossene Kreisläufe. Grundsätzlich erstreckt sich der Patentanspruch auf alle bekannten Verfahren der Wasserstoffperoxidsynthese.

Beim Isopropanol- bzw. "Shell"-Verfahren wird Isopropylalkohol bei 90°-140°C und 10-20 bar Überdruck oxidiert und einer Suspensionshydrierung unterzogen; der Alkohol wird so zu Aceton und H₂O₂ umgesetzt. Das Verfahren ist grundsätzlich adaptierbar, es eignet sich vor allem für stationäre Wärmekraftmaschinen. Hierbei ist die Abwärme der Maschine und/oder des Abgases nutzbar; für den Druckaufbau genügt die Gasdynamik der Abgase, die durch eine Abgasturbine aufgeschlossen wird. Gemische von H₂O₂-Lösungen und Aceton sind Explosivstoffe. Das Aceton wird deshalb zur Zündung wohl besser wie bei den realisierten "heißen Walter-Antrieben" in einen mit sauerstoffreichen Wasserdampf gefüllten Brennraum injeziert, ggf. auch mit einem weiteren Brennstoff vermischt. Zu überprüfen ist, ob noch vor der Abtrennung des H₂O₂ vom Restalkohol das Gemisch, das auf dieser Stufe einen hohen Wassergehalt hat, bereits vorteilhaft als Kraftstoff verwendet werden kann. Isopropylalkohol wird derzeit großtechnisch aus dem Propen der Crackgase gewonnen; die Gewinnung aus regenerativen Quellen ist möglich. Vorteilhaft ist beim Isopropanolverfahren der Entfall des Bedarfs an elektrischer Energie, jedoch erscheint dies bei Fahrzeugen, die Schubenergie elektrisch rückgewinnen können, weniger wichtig. Die Zeichnung Fig. 1 stellt das Verfahren in einem Flußschema dar. Es bezeichnen: 1a, 1b, 1c die kaskadenartig gestuften Oxidationsreaktoren, 2 einen Abscheider, 3 eine erste Trennkolonne, 4 die zweite Trennkolonne. Ein Kraftstoff kann ggf. bereits bei der ersten Trennkolonne (3) entnommen werden. Dieser Kraftstoff kann ggf. mit einem anderen Kohlenwasserstoff vermischt werden. In der industriellen Produktion folgt der zweiten Trennkolonne (4) eine Aufkonzentrierung der wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung durch eine Vakuumdestillation, auf die bei dieser Anwendung wahrscheinlich verzichtet werden kann. Fig. 2 stellt die stöchiometrischen Verhältnisse, bei denen Aceton/Wasserstoffperoxid/Wassergemische detonationsfähig sind, grafisch inform eines Gibb'schen Dreiecks dar. Der explosible Bereich (5; Potential ~ 3/4 der Nitiriersäure) ist grau hervorgehoben. Mit differierenden stöchiometrischen Verhältnissen bilden auch andere Kohlenwasserstoffe und Wasserstoffperoxidlösungen detonationsfähige Gemische.

Kohlenwasserstoff/H₂O₂/H₂O-Gemische sind also energiereicher als übliche Kraftstoffe und können in Wärmekraftmaschinen verbrannt werden; reglergesteuerte Dosierungsvorrichtungen mit Durchflußsensoren und Pumpen müssen diese Gemische zeitgleich zum Betrieb der Wärmekraftmaschine bereitstellen. Alternativ kann mit dem Zerfall von Wasserstoffperoxid in H₂O und Sauerstoff die Nutzung von Dampf als zusätzliches Propulsionsmedium in Kolbenmotoren und Turbinen ermöglicht werden. Unverdünntes H₂O₂ hat mit 47% einen sehr hohen Aktivsauerstoffgehalt. Die Brisanz beim Zerfall verdeutlicht die Formel:

H₂Q_2g → H₂O_g + S O_2g; ΔH_R = -105,8 kJ/mol

Grundlage der elektrochemischen H₂O₂-Syntheseverfahren ist die anodische Oxidation des Sulfat-Ions zum Peroxodisulfat-Ion. Entweder werden Schwefelsäure oder saure Ammoniumsulfatlösungen elektrolysiert, oder ein Gemisch. In jedem Fall entsteht zusätzlich auch reiner Wasserstoff:

2H₂SO₄ → H₂S₂O₈ + H₂

2(NH₄)HSO₄ → (NH₄)₂S₂O₈ + H₂

Die Zeichnung Fig. 3 zeigt schematisch einen geschlossenen Dampfzyklus zur Hydrolyse eines Persulfats, das aus der Elektrolyse von Schwefelsäure entsteht. Der Auspuff der Wärmekraftmaschine (6a) speist in dieser Darstellung keinen Wärmetauscher, sondern direkt den Kreislauf. Das Wasserdampf/Kohlendioxidgemisch wird in einen rohrförmigen Reaktor (7), bzw. ein Bündel solcher Röhren, geleitet, in dem durch das Motorkühlwasser vorgeheiztes Persulfat (8) zerstäubt wird. Der Reaktor (7) steht mit einem Vakuum in Verbindung. Im Seperator (9) wird im nächsten Schritt das flüssige Säure/Wassergemisch vom gasförmigen H₂O₂/Dampfgemisch getrennt. Beide Fraktionen werden gekühlt, bzw. kondensiert. Im Wasserstoffperoxidkondensator (10) wird gleichzeitig das Kohlendioxid abgetrennt und abgelassen. Der Kondensator kann, falls erforderlich, durch eine in dem Kreislauf integrierte Dampfstrahlkältemaschine, bzw. einen Absorber, der mit der Motorabwärme betrieben wird, unterstützt werden. Die Kreislaufsäure (11) fließt in den Elektrolyseur (12) zurück und wird wieder elektrolysiert. Der dabei entstehende Wasserstoff wird in den Kraftstoff (13) gemischt. Das Wasserstoffperoxid fließt dem Zersetzer (14) zu. Zum Zersetzen von H₂O₂ eignen sich für homogene Katalysen Ionen, besonders Schwermetall- Ionen, nach der Effizienz geordnet: Os^-; Pd^-; Pt^-, Ag^--Katalysatoren, die sich nicht verbrauchen. Die Katalyse kann an festen metallischen Grenzflächen erfolgen; bekannte Zersetzer für Strahltriebwerke verwenden hingegen Kaliumpermanganat für heterogene Katalysen. Dem Zersetzer (14) ist ein Druckspeicher (15), ähnlich der Common Rail Technik, nachgelagert. Der Dampf wird, falls Viertaktkolbenmotoren verwendet werden, dem Motor (6a) im Ansaugtakt zugeführt. Die Vakuumpumpe (16) wird mechanisch oder elektrisch angetrieben, oder indem der expandierende Dampf eine Turbine beaufschlagt, die lastabhängig elektromotorisch/generatorisch unterstützt oder genutzt wird. Fig. 4 stellt eine Variante mit einem Wärmetauscher (17) vor; der Dampf wird hier mittels der Abgasabwärme und/oder der Motorabwärme erzeugt und Wasser (18) hinzu getankt.

Die Verfügbarkeit von Wasserstoffperoxid als Treibstoff vorausgesetzt, kann die Maschine mit einem Überschuß an Wasserstoffperoxid, das heißt ohne zusätzliche Nutzung eines Kohlenwasserstoffes als Kraftstoff, betrieben werden, wie dies mit Fig. 5 dargestellt ist. Dieser Motor (6b) verbrennt 2H₂, das aus der Säureoxidation entsteht, mit O₂, das aus dem katalysebedingten Wasserstoffperoxidzerfall entsteht, zu Wasserdampf. Der zusätzliche Dampf, der aus dem Zerfall der wäßrigen H₂O₂-Lösung resultiert, dient hier außer zum Vortrieb des Kolbens bzw. der Turbine auch zur Kühlung der sehr heißen O₂/2H₂ -Verbrennung. Gleichzeitig wird beim Betrieb des Motors wieder neues Wasserstoffperoxid mittels der nicht auf direktem Wege zum Antrieb nutzbaren Restenergie regeneriert.

Es ergibt sich damit das im folgenden aufgezeigte Reaktionsschema; auch für Ammoniumsulfat, Gemische (bspw. im bevorzugtem Verhältnis 1,5 Mole Ammoniumsulfat + 2,1 Mole Schwefelsäure) und andere Sulfate (z. B. Kalium- bzw. Kaliumbisulfat) stellen sich die Reaktionen prinzipiell entsprechend dieses Beispiels dar, das Schwefelsäure als Kreislaufsäure und Peroxidischwefelsäure als resultierendes Persulfat annimmt:

und, weil durch Katalyse 2H₂O₂ → H₂O + O₂ nach der Katalyse:
[H₂O gasförmig + O₂ aus der Katalyse] + [2H₂ gemäß Zeile (a) bzw. (e)]

Die beschriebenen thermischen Maschinen nutzen also die potentielle Energie der Wasserstoff/Sauerstoffbindung im Wasser, die durch eine Kettenreaktion erschlossen wird.

Neben thermischen Direktantrieben sind mit dem Aggregat elektrisch/thermische Hybridantriebe, bei denen H₂ in Brennstoffzellen umgesetzt wird, inform serieller Hybride mit Gasturbinen oder als Parallelhybridantriebe realisierbar. Bei solchen Hybridantrieben läßt sich im Gegensatz zu bekannten Fahrzeugbrennstoffzellenantrieben die rekuperierte Bremsenergie in den Brennstoffzellenantrieb einspeisen und vor allem der gegenüber Verbrennungsmotoren um rund das Dreifache überlegene Wirkungsgrad von E-Motoren nutzen. Die Zeichnung Fig. 6 zeigt als Beispiel einen seriellen Hybridantrieb, der mit einer autarken Brennstoffzelle ausgerüstet ist, die indirekt mit Wasser und einem Kohlenwasserstoff betrieben wird, und idealerweise keine externe Betankung benötigt. Die Alternative hierzu ist, eine geeignete Brennstoffzelle mit dem durch die Restenergienutzung gewonnenem H₂O₂ und Al- bzw. Li- Legierungen zu betreiben. Eine Gasturbine (19) treibt in diesem Fall den Generator (20) an, der den Elektrolyseur (12) versorgt. 21 bezeichnet den Brennstoffzellenstapel, 22 eine Baugruppe mit Umrichter und Akkumulator, 23 den Elektrofahrmotor, der gleichzeitig wie ein Retarder induktiv als Bremse funktioniert und dabei ebenfalls den Elektrolyseur (12) speist, 24 den Abtrieb über ein Ausgleichsgetriebe.

Alle üblichen Verbrennungsmotoren können mit dem Aggregat betrieben werden; in diesem Fall ersetzt das Aggregat einen Abgasturbolader. Allerdings entsteht bei Ansaugung und Verdichtung durch Viertakter kein energetischer Vorteil aus der chemisch induzierten Expansion des Dampfes. Für die Gestaltung geeigneter Motoren ist maßgeblich, ob es gelingt, genügend Dampfdruck und O₂ zu generieren, um die gesamte Verdichtung außerhalb des Kolbenraums herzustellen. Fig. 7 zeigt unter dieser Annahme einen Hubkolbenmotor (25a als Selbstzünder, 25b als Fremdzünder, durch Zünd- oder Glühkerzen (26) gezündet), der im Aufbau einem Zweitaktdieselmotor ähnelt. Der Motor arbeitet mittels des Dampfdrucks zunächst wie ein Expansionsmotor mit externer Verbrennung. Dann wird während der Kolbenabwärtsbewegung Kraftstoff eingespritzt, und es folgt eine interne Verbrennung aufgrund der Selbstzündung des Kraftstoff/H₂-Gemisches mit dem 600°C heißen, sauerstoffhaltigen Dampf, oder durch Fremdzündung. Der Dampf wird durch das Ventil (27) beim OT eingeleitet. Die Kohlenwasserstoff/H₂-Injektion erfolgt von der Seite aus durch das Ventil (28) bei halbem Kolbenweg und geschlossenem Dampfventil (27), wobei tangential eingespritzt wird, um eine zyklonartige Schichtladungsverbrennung auszulösen. Beim UT befindet sich eine Schlitzentlüftung (29), die, falls erforderlich, für eine Querstromspülung mit Spülluft genutzt werden kann. Im Zylinderkopf ist ein zweites Auslaßventil (30) installiert, ggf. ein mechatronisch gesteuertes Magnetventil. Dieses Ventil (30) öffnet während der Kolbenaufwärtsbewegung und schließt vor der Dampfeinleitung. Der aus der Schlitzentlüftung (29) abströmende Dampf saugt nach dem Prinzip der Strahlpumpe Restgas aus dem Kolbenraum an, wozu eine Überströmung (31) in die Abdampfleitung eingebaut ist. Wenn die Sauerstoffzufuhr nicht ausreicht, das Gemisch restlos zu oxidieren, wird Luft entweder über die Spülung zugeführt, oder der Druckspeicher (15) zusätzlich mit einem Kompressor aufgeladen.

Die Zeichnung Fig. 8 zeigt einen entsprechenden Wankelmotor (32), der zwei Arbeitsspiele bei einer Kolbenrotation leistet. Die Dampfeinleitungen (33a, b) befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Motors, die Brennstoffeinspritzung (33a, b) erfolgt in die sich öffnenden Arbeitskammern; die Rotationsrichtung ist im Uhrzeigersinn angenommen. Der Auspuff (35a, 35b) wird durch Schlitze geöffnet. In der Seitenansicht ist eine Vorrichtung dargestellt, die es erlaubt, den Brennraum leistungsangepaßt zu variieren, indem der Motor als Ein- oder Zweischeibenmotor betrieben wird. Hierzu ist die Hauptwelle (36) der vorderen Arbeitskammer als Hohlwelle ausgelegt, in der die Hauptwelle (37) der hinteren Arbeitskammer verläuft. Die Kupplung der Wellen ist als eine über Schleifkontakte ans Bordnetz angeschlossene mitdrehende elektromechanischen Schlupfkupplung (38A) vor dem Motorraum installiert; alternativ kommt eine Lamellenkupplung in Betracht. Aufgrund der guten Rundlaufeigenschaften von Zweitaktern kann auch bei Hubkolbenmotoren eine Zylinderabschaltung projektiert werden. Der Motor (25) in Zeichnung Fig. 7 wird in der Draufsicht als ein Dreizylinder gezeigt, der bei Langsamfahrt als Einzylindermotor anstatt im Teillastbetrieb arbeitet. Der Motor ist ebenfalls mit einer elektromechanischen Kupplung (38B, hier als Anfahrkupplung), ausgestattet, die Schwingungen aufgrund von Zylinderabschaltungen adaptiv ausgleicht und im Schlupfbetrieb ständig Strom für die Elektrolyse generiert. Diese Kupplung kann zudem auch als Anlasser genutzt werden (alternativ wird bspw. ein elektromechanischer Wandler koaxial in der Art eines Einwellenhybrids montiert).

Zeichnung Fig. 9 zeigt ein Flußschema, bei dem der Wärmetauscher (17) den Dampf direkt in den Brennraum abgibt. Um die Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen, wird zusätzlich Luft eingeblasen. Die Luftverdichtung findet außerhalb des Motors (6c) durch einen Turbolader (39) oder einen Kompressor statt. Falls ein niedrig siedender Kohlenwasserstoff (Benzin) verwendet wird, ist voraussichtlich eine Selbstzündung an der heißen, komprimierten Luft realisierbar. Der Dampfdruck verursacht zunächst einen Siedeverzug; die Zündung geschieht dann beim Umschlagen des Aggregatzustandes, und der Dampf wird durch die Verbrennung weiter expandiert. Hierzu wird beispielsweise der zerstäubte Kraftstoff gemeinsam mit dem Dampf als Nebel injeziert und zur Zündung Luft tangential eingespritzt. Um einen solchen Motor zu starten und anzufahren, wird zunächst Wasserstoffperoxid benötigt, das zersetzt wird. Das H₂O₂ wird von außen zugeführt, ggf. in austauschbaren Kartuschen. Eine autarke Variante, die zusätzlich die vorgestellte Methode der H₂O₂-Synthese nutzt, stellt die Zeichnung Fig. 10 dar; das Ventil (40) regelt die Zuleitung des Dampfes.

Auch Triebwerke für Flugzeuge lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Restenergienutzung vorteilhaft betreiben; ihr Aufbau kann dem in Fig. 6 dargestellten Brennstoffzellenhybridantrieb ähneln, mit dem Unterschied, daß der anfallende Wasserstoff nicht in eine Brennstoffzelle sondern in die Brennkammer eines Strahltriebwerkes eingeleitet wird. Der Vorteil von Gasturbinen (19), die, wie es in Fig. 6. dargestellt wird, mit H₂O₂ und einem Kohlenwasserstoff betrieben werden, ist, daß die leistungszehrende Vorverdichtung entfällt, womit sich auch der mechanische Aufbau einfacher und kostengünstiger gestalten läßt. Stattdessen wird das bereits unter Druck stehende Dampf/O₂-Gemisch gemeinsam mit Kraftstoff in einer Vorkammer (41) verbrannt, und ein hochverdichtetes Arbeitsgas in die Turbine eingeleitet. Die Turbine kann neben dem Generator (20) einen Propeller antreiben, der entweder in der Form eines Turboproptriebwerks vor dem Triebwerk installiert ist, oder vorzugsweise ähnlich wie bei sonstigen Strahltriebwerken im Triebwerksmantel, um der Brennkammer zusätzlich zum Wasserstoff verdichtete Luft zuzuführen. Im hypothetisch einfachsten Fall würde der Strom zur elektrochemischen Oxidation der Kreislaufsäure durch eine träge angetriebene Luftschraube generiert und die Abwärme der Brennkammer zur Dampferzeugung genutzt werden können. Für Flugzeugturbinen bietet sich ein Betrieb, bei dem Wasserstoffperoxid und Wasser die Treibstoffe sind, und kein fossiler Treibstoff verbrannt wird, an, dessen Aufbau prinzipiell dem Flußschema in Fig. 5 entspricht. In diesem Fall werden der Sauerstoff und der Wasserstoff wie bei entsprechenden Flüssigtreibstoffraketentriebwerken im Strahltriebwerk verbrannt. Im Gegensatz zu Raketen verdichtet hier eine Gasturbine mit Wellenleistung, die den Strom zur Elektrolyse generiert, zusätzlich Luft für den Strahlantrieb. Die Turbine kann entweder mit dem mitgeführtem H₂O₂ in der Art des "kalten Walterantriebs" betrieben werden, oder mit Wasserstoffperoxid und einem fossilem Kraftstoff. Falls sie analog zum "kaltem Walterantrieb" nur mit zu Sauerstoff und Dampf zersetztem Wasserstoffperoxid arbeitet, wird in einer zweiten Brennkammer der Abdampf mit fossilem Kraftstoffen oder kryogenem Wasserstoff gezündet; beide Brennkammern münden in eine einzige Düse. Alternativ kommt ein Betrieb der stromgenerierenden Wärmekraftmaschine ausschließlich mit fossilem Treibstoff oder kryogenem Wasserstoff in Betracht.

Schließlich sind auch Kolbentriebwerke für Flugzeuge mit dem Antriebssystem realisierbar. Diese setzen sich bspw. aus in Reihe montierten Rotationskolbenmotoren der in Fig. 8 gezeigten Bauart zusammen, deren Welle direkt einen Verstellpropeller und einen Generator antreiben. Das Triebwerk kann bspw. ein Manteltriebwerk sein, bei dem der Mantelstrom die Motoren kühlt. Die Abkopplung eines Teils der Arbeitskammern über eine elektromechanische Schlupfkupplung (38) ist auch in diesem Fall möglich. Falls hinzu getanktes H₂O₂ als Treibstoff verwendet wird, läßt sich bei diesem Triebwerk ein additives Strahltriebwerk mit einer nachgelagerten Brennkammer installieren, das den Vortrieb im Steigflug wie oben beschrieben mit katalytisch zersetzendem H₂O₂ in der Art eines "kalten" oder "heißen Walterantriebs" optional wie ein Nachbrenner unterstützt, so daß ein zeitlich begrenzter Flüssigtreibstoffraketenantrieb möglich ist, während im Reiseflug treibstoffsparende Kolbenmotoren genutzt werden. Mit den beiden vorangestellten Bauweisen wird es somit möglich, das Flugzeug im Dauerbetrieb mit dem Sekundärenergieträger Wasserstoffperoxid als Treibstoff zu fliegen und es mit einer Kombination von fossilem Kraftstoff und H₂O₂ zu starten.

Vorteile

Die Erfindung betrifft stationäre Anlagen - also Kraftwerke, Blockheizkraftwerke - ebenso wie Land- und Wasserfahrzeuge jeder Art und Flugzeuge. Stationäre Brennstoffzellenhybridanlagen in der vorgeschlagenen Bauart sind eine Alternative zu Brennstoffzellenheizkraftwerken mit Kohlenwasserstoffreformern.

Entsprechende Brennstoffzellenantriebe werden ebenfalls für den elektrischen Antrieb von PKW projektiert. Auch in diesem Fall stellt der Vorschlag die Alternative zur grundsätzlich ähnlichen elektrochemischen Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen dar, deren Vorteil im Aufschluß des Energiepotentials der Wasserstoff/Sauerstoffbindung des Wassers durch eine Kettenreaktion begründet ist. Auf dem energiesparenden Umweg der elektrochemischen Oxidation des Säure-Ions gelingt es, zeitgleich zum Betrieb der Maschine molekularen Wasserstoff und atomaren Sauerstoff aus Wasser ohne die elektrolytische Aufspaltung des Wassers zu generieren, die gemeinsam mit einem Kraftstoff oder als hypogole Treibstoffe verbrannt, bzw. in einer Brennstoffzelle umgesetzt werden. Hinzu kommt die kinetische Energie aus dem explosiven Zerfall der wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung.

Die mit der Zeichnung Fig. 5 dargestellte Wärmekraftmaschine nutzt Wasserstoffperoxid als Treibstoff und setzt zeitgleich Wasser mit Luftsauerstoff zu Wasserstoffperoxid um; tendenziell nimmt also der anteilige Wasserstoffperoxidverbrauch mit der Dauer des Motorbetriebes ab, so daß die energetische Nutzung des Potentials der O₂/2H₂-Bindung des Wassers in den Vordergrund tritt.

Der Anteil an bisher verloren gehender Abfallenergie, der genutzt werden soll, ist groß. Die unwiederbringlichen Verluste an die Reibung und Strahlung liegen bspw. bei Fahrzeugmotoren nur bei rund 7% des Ideals, der Rest geht à conto Abgas und Kühlwasser. Das Aggregat setzt die Motorabwärme und die Gasdynamik des Abgases in nutzbare Leistung um und nutzt bei Fahrzeugen außerdem die Schub- und Verzögerungsenergie, so daß die Drossel- und Bremsverluste minimiert werden. Die Abgasqualität steigt in dem Maße, in dem naszierender Sauerstoff Luft substituiert. Vor allem Stickoxide werden vermieden. Bei einem Betrieb des Motors unter Luftabschluß wird der Kohlenwasserstoff - also Dieselkraftstoff, Benzin, PME, Erdgas, CNG, LNG - schließlich vollständig zu Kohlendioxid oxidiert.

Falls sich das Konzept soweit umsetzen läßt, erschließt die Kombination von externem Druckaufbau und interner Verbrennung bisher unbekannte Vorteile: die Arbeit, die sonst zur Gemischverdichtung notwendig ist, entfällt; das Zweitaktprinzip bietet gleichförmigen Drehmomentenverlauf und eine hohe Leistungsdichte. Die bei Benzinzweitaktmotoren üblichen Spülverluste treten nicht auf.

Das elektrochemische Arbeitsprinzip erinnert an Hybridfahrzeuge - auch dann, wenn es nicht in einem Hybridantrieb umgesetzt wird - und insofern kann Wasserstoffperoxid hier unter anderem auch als ein Speichermedium für elektrische Energie gesehen werden. Der technische Mehraufwand muß also mit dem für ein Hybridfahrzeug verglichen werden; er kann schließlich vergleichsweise weit geringfügiger sein. Beim Verbrennungsmotor sind idealerweise Vereinfachungen aufgrund des Zweitaktprinzips realisierbar, allein schon weil Dreizylindermotoren Sechszylinderviertakter gleichwertig ersetzen können.

Als alternativer Treibstoff bietet Wasserstoffperoxid im Vergleich mit Wasserstoff Vorteile. Es ist drucklos bei Normaltemperaturen in Polyäthylentanks speicherbar und in PE-Leitungen transportierbar und unproblematisch zu tanken. Auch H₂O₂ kann als Sekundärenergieträger mittels regenerativer Energien gewonnen werden - also aus solarer, wasserkraftgestützter oder geothermischer Quelle -, zudem würde mit einer Herstellung in Kondensationskraftwerken eine effiziente Kraftwärmekopplung realisiert. Ein wesentlicher Vorteil ist die Explosionssicherheit von wäßrigen Wasserstoffperoxidlösungen. Entsprechende Lösungen sind nicht entzündbar, sondern zerfallen in Gegenwart von Katalysatoren - ein Vorteil im Vergleich auch zu anderen Kraftstoffen wie Benzin. Die Möglichkeit einer Entzündung besteht natürlich bei der Emission von O_2g, die jedoch in Gegenwart von Wasserdampf erfolgt, dessen Anteil am Gasgemisch von der jeweiligen Konzentration der Lösung abhängig ist.

Für die Zukunft sind neue großtechnische energiesparende H₂O₂-Herstellungsverfahren durch Direktsynthesen aus den Elementen auf katalytischer Basis zu erwarten, die noch nicht industriell umgesetzt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aggregat mit der Restenergie einer Wärmekraftmaschine (6, 19) betrieben wird und Luftsauerstoff chemisch bindet, der der Verbrennung der Wärmekraifmaschine (6, 19) zugeführt wird.

2. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat aus Wasser und Luftsauerstoff Wasserstoffperoxid, bzw eine wäßrige Wasserstoffperoxidlösung herstellt.

3. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffperoxid, bzw. die wäßrige Wasserstoffperoxidlösung, durch eine Katalyse zu Sauerstoff in statu nascendi und Wasserdampf, der unter hohem Druck steht, zersetzt wird, und, daß dieses Sauerstoff/Dampfgemisch gemeinsam mit einem Kohlenwasserstoff oder Wasserstoff in der Wärmekraftmaschine (6, 19) oder einer vorgelagerten Brennkammer (41) gezündet wird.

4. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen (6, 19) nach Anspruch 1 und 2 abweichend von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kraftstoff einer Wärmekraftmaschine (6, 19) Wasserstoffperoxid oder eine wäßrige Wasserstoffperoxidlösung beigemengt wird und, daß, die Wärmekraftmaschine (6, 19) dieses Gemisch verbrennt.

5. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bekannte Verfahren der Wasserstoffperoxidgewinnung mit der Abwärme der Wärmekraftmaschine (6, 19), der Abgasabwärme, der Gasdynamik des Abgases, und/oder mittels von der Wärmekraftmaschine (6, 19) generatorisch gewonnener elektrischer Energie, wobei die Schub- und Bremsenergie von Fahrzeugen induktiv rückgewonnen wird, betrieben werden.

6. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Isopropylalkohol bei 90°-140°C, für die die Abwärme der Wärmekraftmaschine (6, 19) genutzt wird, und 10-20 bar Überdruck, der mittels der Abgasdynamik der Wärmekraftmaschine (6, 19) generiert wird, oxidiert und einer Suspensionshydrierung unterzogen und dergestalt zu Aceton und Wasserstoffperoxid umgesetzt wird.

7. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5 und insbesonders Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß noch vor der Abtrennung des Wasserstoffperoxid vom restlichen Isopropylalkohols das Gemisch bereits als Brennstoff für Wärmekraftmaschinen (6, 19) verwendet wird, der ggf. mit einem anderem Kraftstoff vermischt werden kann.

8. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoffperoxid mittels der elektrochemischen Oxidation einer Säure (11), die im Kreislauf geführt wird, hergestellt wird, indem die oxidierte Säure (8, das Persulfat) einer Dampfhydrolyse unterzogen wird, die mit der Restenergie einer Wärmekraftmaschine (6, 19) betrieben wird.

9. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5 und insbesonders Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der elektrochemischen Oxidation der Säure (11) anfallende Wasserstoff genutzt wird, indem er in den Kraftstoff (13) der Wärmekraftmaschine (6, 19) gemischt wird.

10. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 5 und insbesonders Anspruch 8 abweichend vom Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der elektrochemischen Oxidation der Säure (11) anfallende Wasserstoff genutzt wird, indem er in eine Brennstoffzelle (21) geleitet wird, wo er in elektrische Energie umgesetzt wird, oder, daß das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens generierte Wasserstoffperoxid genutzt wird, indem er in eine Wasserstoffperoxidbrennstoffzelle geleitet wird, wo er in elektrische Energie umgesetzt wird.

11. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine (6, 19) mit Wasserstoffperoxid und Wasser (18) betrieben wird, und zum Antrieb die Knallgasreaktion nutzt, indem der Wasserstoff, der aus der elektrochemischen Säureoxidation entsteht, mit dem Sauerstoff, der aus dem Zerfall des Wasserstoffperoxids entsteht, gezündet wird, und, daß beim Betrieb der Wärmekraftmaschine (6, 19) wieder neues Wasserstoffperoxid mittels der nicht auf direktem Wege zum Antrieb nutzbaren Restenergie regeneriert wird.

12. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf zur Hydrolyse der oxidierten Säure (8, des Persulfats) von einem Wärmetauscher (17), der Wasser mittels der Abwärme siedet, generiert wird.

13. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11 abweichend von Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf zur Hydrolyse der oxidierten Säure (8, des Persulfats) im Kreislauf geführt wird, indem das Abgas bzw. der Abdampf in den Reaktor (7) eingespeist wird, wobei die Verbrennung von molekularem Wasserstoff mit atomaren Sauerstoff das Wasser regeneriert.

14. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12, 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe (16) zur Erzeugung des Unterdrucks bei der Dampfhydrolyse von einer Turbine angetrieben wird, die die Gasdynamik des zu Dampf und Sauerstoff zerfallenden Wasserstoffperoxid nutzt, und, daß diese Turbine je nach Belastung abwechselnd elektromotorisch/generatorisch unterstützt bzw. genutzt werden kann.

15. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 dadurch gekennzeichnet, daß ein Hubkolbenmotor (25) oder Rotationskolbenmotor (32) das über den Zersetzer (14) ggf. in den Druckspeicher (15) geleitete Gasgemisch aus Sauerstoff in statu nascendi und Wasserdampf, das aus einer homogenen oder heterogenen Katalyse des mittels Restenergie generierten Wasserstoffperoxid resultiert, nutzt, indem das Gasgemisch den Kolben zunächst in der Art eines Expansionsmotors mit externer Verbrennung vorantreibt und, daß in demselben Takt anschließend in den sich durch die Kolbenbewegung vergrößernden Brennraum ein Kohlenwasserstoff (13) oder Wasserstoff, der aus der elektrochemischen Säureoxidation resultiert, eingespritzt wird und, daß der Kohlenwasserstoff (13) oder Wasserstoff mit dem O_2g/H₂O_g-Gemisch zündet, bzw. fremdgezündete wird.

16. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 14 und insbesonders Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubkolbenmotor (25) bzw. der Rotationskolbenmotor (32) nach dem Zweitaktprinzip arbeitet.

17. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum variabel ist, indem Zylinder oder Arbeitskammern zuschaltbar ausgeführt werden.

18. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, und insbesonders Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromechanische Schlupfkupplung (38) während des Betriebs der Wärmekraftmaschine im Schlupfbetrieb Strom generiert, und ggf. Wellenschwingungen adaptiv ausgleichen kann und ggf. als Anlasser schaltbar sein kann, und daß diese Schlupfkupplung (38) im Fall der Auslegung der Wärmekraftmaschine (6) als Rotationskolbenmotor (25) die Zuschaltung einer oder mehrerer Arbeitskammern bewirkt, indem sie die Hauptwellen der Arbeitskammern koppelt, wozu eine der Wellen als Hohlwelle (36) ausgeführt wird, in der eine weitere Hauptwelle (37) verläuft.

19. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und insbesonders den Ansprüchen 15 und 16 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) Wasserdampf während der Betriebsphase als Expansionsmotor in den Brennraum abgibt, und, daß ein Kompressor oder Turbolader (39) die Wärmekraftmaschine (6c) zusätzlich auflädt, und, daß zum Starten und Anfahren Wasserstoffperoxid genutzt wird, das in einem Zersetzer (14) zersetzt wird, und, daß die Wärmekraftmaschine (6c) das erfindungsgemäße Verfahren nutzen kann, wozu ein elektrochemisches Aggregat oder Aggregat im Isopropanolverfahren der Wärmekraftmaschine (6c) über ein Ventil (40) anschließbar ist.

20. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach den vorangestellten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine (6, 19) als ein Flugzeugtriebwerk ausgelegt wird, daß entweder ein Stahltriebwerk, ein Propellertriebwerk oder eine Kombination aus Strahltriebwerk und Propellertriebwerk ist.

21. Verfahren zur Restenergienutzung bei Wärmekraftmaschinen nach den vorangestellten Ansprüchen und insbesonders Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Flugzeugtriebwerk mit einer Gasturbine (19) oder Rotationskolbenmotoren (32) ausgerüstet wird, denen eine Brennkammer nachgelagert ist, in der ein aus der Zersetzung von Wasserstoffperoxid resultierendes O_2g/H₂O_g-Gemisch mit Kohlenwasserstoff oder Wasserstoff gezündet werden kann, und, daß diese Brennkammer als Nachbrenner nutzbar ist.