DE102004015319B4

DE102004015319B4 - Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses für kryogenen Treibstoff

Info

Publication number: DE102004015319B4
Application number: DE102004015319A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. Schöne
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE102004015319A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses (10) für einen kryogenen Treibstoff (14) mit den Schritten:
– Zuführen des kryogenen Treibstoffs (14) in einen dichtend abschließbaren Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses (10),
– Zuführen eines unbrennbaren Mediums (15) in den Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnissses (10), wobei das unbrennbare Medium (15) eine höhere Dichte aufweist als der kryogene Treibstoff (14), und
– Trennen des kryogenen Treibstoffs (14) von dem unbrennbaren Medium (15) in dem Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses (10) unter Ausnutzung der Schwerkraft, so dass in einem unteren Bereich des Aufnahmeraums (12) des Vorratsbehältnisses (10) eine Sperrschicht (16) aus dem unbrennbaren Medium (15) gebildet wird, die den kryogenen Treibstoff (14) in dem Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses von zu sichernden Kontaktflächen und/oder -elementen separiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses für einen kryogenen Treibstoff.
Derartige Vorratsbehältnisse dienen üblicherweise zur Bevorratung von Treibstoffen, die zum Antrieb von Fahrzeugen aller Art dienen. Heute werden z. B. Flugzeuge in der Regel mit Kerosin betrieben bzw. angetrieben. Zunehmend ist es jedoch wünschenswert und erforderlich, alternative Energieformen zu verwenden. Zum einen zwingen die zunehmende Umweltbelastung insbesondere empfindlicher Bereiche der Atmosphäre durch Flugzeuge, und im Zusammenhang damit die verschärften Bestimmungen zur Begrenzung von Schadstoffemissionen zur Suche nach Alternativen. Zum anderen ist die Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe, insbesondere von Erdöl zur Deckung des Energiebedarfs begrenzt. Im Mittelpunkt stehen daher bei der Entwicklung alternativer Treibstoffe sogenannte kryogene Treibstoffe. Kryogene Treibstoffe sind tiefkalte, flüssige Gase.
Als besonders geeignet haben sich Flüssigwasserstoff und Flüssigerdgas erwiesen. Da Wasserstoff besonders umweltfreundlich, beispielsweise durch Solar- oder Windenergie, gewonnen werden kann, konzentrieren sich die Entwicklungen gerade in der Luftfahrtindustrie auf Wasserstoff als Energieträger.
Zur Aufnahme und Bevorratung solcher Treibstoffe sind jedoch besondere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Gerade Wasserstoff, insbesondere in gasförmigem Zustand, weist eine hohe Reaktivität gegenüber Sauerstoff auf. Das bedeutet, dass Kontakt von Wasserstoff mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff zu einer unerwünschten Reaktion in Form einer Verpuffung, Explosion oder dergleichen führen kann. Herkömmliche Vorratsbehältnisse reichen jedoch nicht aus, Wasserstoff mit der notwendigen Zuverlässigkeit von der Umgebung zu separieren. Ausserdem bilden die bekannten und üblicherweise nicht feuerfesten Vorratsbehältnisse nur eine ungenügende Hemmung gegenüber einem Feuer. Gerade im Falle einer Entzündung von Wasserstoff besteht die Gefahr, dass die Umgebung von Wasserstofftanks gefährdet ist, da sich der Brand unkontrolliert ausbreiten kann. Dies führt aber zu einer nicht akzeptablen Sicherheitslücke insbesondere beim Betrieb eines Flugzeugs.
Die US 2002/0179610 A1 beschreibt ein Vorratsbehältnis zur Aufnahme eines kryogenen Treibstoffs, wie z. B. Wasserstoff. Das Vorratsbehältnis weist eine innere Haut zur Bildung eines Aufnahmeraums auf. Innerhalb dieses Aufnahmeraums ist der Treibstoff unter einem Druck P₁ angeordnet. Der Tank weist zusätzlich eine äußere Haut auf. Zwischen der äußeren Haut und der inneren Haut ist ein Zwischenraum geschaffen, der durch zusätzliche Stützelemente in einzelne Abteilungen unterteilt ist. Jede der Abteilungen ist an eine Zuleitung angeschlossen, durch die ein Inertgas, wie z. B. Helium, mit einem Druck P₂ in die Abteilungen geführt wird.
Die US 5,090,637 , offenbart ein Verfahren zur Reinigung von in einem Luftschiff oder Ballon als Auftriebsgas eingesetztem Heliumgas. Das Heliumgas befindet sich in einem Aufnahmeraum, in den durch Lecks in einer Aufnahmeraumhülle Verunreinigungen, wie z. B. Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft eindringen. Zur Beseitigung der Sauerstoffverunreinigungen wird einem Konverterabschnitt eines in dem Aufnahmeraum angeordneten Heliumreinigungssystems Wasserstoff zugeführt. Alternativ dazu kann der Wasserstoff auch dem Heliumgas zugemischt werden. Das verunreinigte Heliumgas wird durch thermische Konvektion und/oder ein Gebläse in den Konverterabschnitt des Heliumreinigungssystems gefördert. In dem Konverterabschnitt wird der in dem Heliumgas enthaltene Sauerstoff katalytisch mit dem Wasserstoff zu Wasserdampf umgesetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein insbesondere an Bord eines Luftfahrzeugs einsetzbares Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses zu schaffen, das eine einfache und sichere Trennung zwischen einem kryogenen Treibstoff einerseits und kritischen Kontaktflächen und/oder -elementen andererseits gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses für einen kryogenen Treibstoff mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Helium wird innerhalb eines Aufnahmeraumes des Vorratsbehältnisses zusammen mit Treibstoff, nämlich Wasserstoff, als Helium/Wasserstoffgemenge angeordnet. Durch das Gewichtsverhältnis von Helium zu Wasserstoff bildet sich allein aus Gründen der Schwerkraft eine natürliche Sperrschicht aus Helium unterhalb von Wasserstoff, so dass alle unterhalb des unbrennbaren Heliums liegenden Bereiche zuverlässig vom Wasserstoff getrennt sind. Aus diesem Grunde eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für den Einsatz in Flugzeugen, bei denen die Vorratsbehältnisse im Rumpf oberhalb der Passagierkabine angeordnet sind. Damit ist auf überra schend einfache und sichere Weise eine Separierung von Wasserstoff gegenüber der zu sichernden Umgebung, nämlich z. B. kritischen Kontaktflächen, wie sie Strukturbauteile von Flugzeugkabinen, kurzschlussgefährdete Verkabelungen, heiße oder mechanisch gefährdete Bauteile, die benachbart zur Wasserstoffumgebung liegen, sowie Nutzlast darstellen, gewährleistet. Der Betrieb von Geräten aller Art mit derartigen kritischen Kontaktflächen ist damit sicherer. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Vorratsbehältnis im Wesentlichen auf bekannten Vorratsbehältnissen basiert, so dass auch Nachrüstungen mit geringem Aufwand möglich sind. Im Übrigen kann eine deutliche höhere Sicherheit mit einem geringen Gewichtszuwachs erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich Helium in eine Kammer zugeführt, die den Aufnahmeraum des Vorratsbehältnisses umgibt. Damit lassen sich auch kritische Kontaktflächen seitlich und/oder oberhalb des Wasserstoffvorrats separieren.
In einem Fahrzeug, das mindestens ein erfindungsgemäß betriebenes Vorratsbehältnis aufweist, ist der Betrieb des Fahrzeugs mit einer erhöhten Sicherheit gewährleistet, da der kryogene Treibstoff zuverlässig von der zu sichernden Umgebung separiert ist. Selbst im Falle eines Feuers ist dieses kontrollierbar, da das Feuer zu den mit der Sperrschicht versehenen Bereichen aufgehalten wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen und Einsatzgebiete werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Vorratsbehältnisses im Schnitt,
2 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Vorratsbehältnisses im Schnitt,
3 eine Seitenansicht eines Flugzeugs mit Vorratsbehältnissen im Rumpf des Flugzeugs oberhalb der Passierkabine, und
4 eine Seitenansicht des Flugzeugs gemäss 3.
Die gezeigten Vorratsbehältnisse dienen zur Bevorratung von kryogenen Treibstoffen in Luftfahrzeugen, wie z. B. Flugzeugen. Selbstverständlich können die Vorratsbehältnisse auch in anderen Bereichen, insbesondere auch im Personen- und Lastkraftfahrzeugbau eingesetzt werden. Die gezeigten Vorratsbehältnisse sind überall dort einsetzbar, wo kryogene Treibstoffe, für welche Zwecke auch immer, verwendet und gegenüber einer zu sichernden Umgebung, wie z. B. kritischen Kontaktflächen und/oder -elementen, nämlich z. B. Strukturbauteilen von Flugzeugkabinen, Verkabelungen, erwärmte oder mechanisch gefährdete Bauteile, oder die an das Vorratsbehältnis angrenzende Nutzlast, zu trennen sind.
Bei dem in 1 dargestellten Vorratsbehältnis 10 handelt es sich um einen zylinderförmigen Tank. Die Form des Tanks kann jedoch variieren und zum Beispiel kugel- oder andersförmig ausgebildet sein. Der Tank weist eine Wandung 11 auf, die zur Bildung eines Aufnahmeraums 12 geschlossen ausgebildet ist. Die Wandung 11 kann ein- oder mehrschichtig ausgebildet sein. Des Weiteren verfügt das Vorratsbehältnis 10 über alle üblichen, in der 1 nur schematisch angedeuteten Elemente 13, wie z. B. Steuerungs- und/oder Regelungselemente, und/oder Elemente zum Befüllen und Entleeren sowie Entlüften des Aufnahmeraums 12, sowie Pumpen und dergleichen.
Innerhalb des Aufnahmeraums 12 befindet sich kryogener Treibstoff. Üblicherweise sind solche Vorratsbehältnisse 10 mit Wasserstoff 14 gefüllt. In der Figur liegt Wasserstoff 14 überwiegend in flüssiger Form (LH₂, angedeutet durch Wellenlinien) vor. Der oberhalb des flüssigen Wasserstoffs 14 befindliche Leerraum ist mit gasförmigem Wasserstoff 14 gefüllt (angedeutet durch Punkte). Zusätzlich zum Wasserstoff 14 ist ein Medium im Aufnahmeraum 12 vorhanden, das schwerer als Wasserstoff 14 ist. Dieses Medium ist bevorzugt Helium (He) 15. Helium 15 ist erheblich schwerer als Wasserstoff 14, so dass sich der gesamte (flüssige und gasförmige) Wasserstoffanteil im Aufnahmeraum 12 oberhalb der üblicherweise flüssigen Heliummasse sammelt. Somit bildet das unbrennbare Helium 15 eine Sperrschicht 16 zwischen Wasserstoff 14 und der auf der entgegengesetzten Seite des Heliums 15 liegenden Umgebung 17.
Die Sperrschicht 16 kann aber auch Wasserstoff 14, wegen der hohen Reaktivität zu Sauerstoff insbesondere der gasförmigen Anteil, von auf der anderen Seite der Sperrschicht 16 liegenden Bauteilen oder dergleichen trennen, die innerhalb des Aufnahmeraums 12 liegen.
Der Einsatz insbesondere des in 1 gezeigten Vorratsbehältnisses 10 ist besonders in Flugzeugen 18 geeignet, in denen der kryogene Treibstoff in Vorratsbehältnissen 10 im Bereich eines Rumpfes 19 oberhalb der Passagierkabine 20 angeordnet ist (siehe z. B. 3 und 4). Vorzugsweise mehrere Vorratsbehältnisse 10 sind fluchtend hintereinander angeordnet. Durch die Sperrschicht 16 ist der Wasserstoff 14 in den Vorratsbehältnissen 10 sicher von kritischen Kontaktflächen, wie sie z. B. die Strukturbauteile des Rumpfes 19 darstellen, chemisch-physikalisch separiert, so dass selbst im Brandfall des Wasserstoffes 14 dieser nach oben verbrennen würde. Die unter der Sperrschicht 16 befindlichen Bereiche sind dagegen gegen das Feuer abgeschottet.
Für den Fall, dass die Sperrschicht 16, die sich bei einem Wasserstoff/Heliumgemisch unter Schwerkraftbedingungen bildet, nicht ausreicht, weil kritische Kontaktelemente und/oder -flächen z. B. seitlich oder oberhalb des Wasserstoffes 14 angeordnet sind, kann ein Vorratsbehältnis 21 auch eine zusätzliche Kammer 22 aufweisen, wie aus der 2 hervorgeht. Hierzu ist ein wie in 1 gezeigtes Vorratsbehältnis 10 mit einer zusätzlichen Wandung 23, die quasi eine Aussenhaut bildet, vollständig umgeben. Durch den Abstand der Wandung 23 von der Wandung 11 ist ein weiterer Aufnahmeraum 24 gebildet. In diesem Aufnahmeraum 24 befindet sich zusätzlich zum Aufnahmeraum 12 Helium 15. Dadurch ist eine schützende Sperrschicht in Form einer Sicherungskammer um die Wasserstoffkammer gebildet. Dies ermöglicht die kombinierte chemisch-physikalische und mechanische Separierung von Wasserstoff. In der 2 ist der Aufnahmeraum 12 mit Wasserstoff 14 gefüllt, der zu grossen Teilen in flüssiger Form (angedeutet durch Wellenlinien) und zu kleinen Teilen gasförmig (angedeutet durch Punkte) vorliegt. Im Aufnahmeraum 12 befindet sich auch noch Helium 15. Im Aufnahmeraum 24 liegt Helium 15 (angedeutet durch Punkte) vornehmlich in flüssiger, wahlweise jedoch auch in gasförmiger oder gemischt flüssiger/gasförmiger Form vor.
Alternativ oder ergänzend zu den gezeigten Positionen der Vorratsbehältnisse 10, 21 in einem Flugzeug 18 können diese auch im vorderen Rumpfbereich, z. B. zwischen Cockpit 25 und Passagierkabine 20, sowie im Bereich von Flügeln 26 angeordnet sein. Die Vorratsbehältnisse 10, 21 können auch in Raumfahrzeugen, in Kraftwerken oder im Bereich des Schiffbaus Verwendung finden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses (10) für einen kryogenen Treibstoff (14) mit den Schritten: – Zuführen des kryogenen Treibstoffs (14) in einen dichtend abschließbaren Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses (10), – Zuführen eines unbrennbaren Mediums (15) in den Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnissses (10), wobei das unbrennbare Medium (15) eine höhere Dichte aufweist als der kryogene Treibstoff (14), und – Trennen des kryogenen Treibstoffs (14) von dem unbrennbaren Medium (15) in dem Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses (10) unter Ausnutzung der Schwerkraft, so dass in einem unteren Bereich des Aufnahmeraums (12) des Vorratsbehältnisses (10) eine Sperrschicht (16) aus dem unbrennbaren Medium (15) gebildet wird, die den kryogenen Treibstoff (14) in dem Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses von zu sichernden Kontaktflächen und/oder -elementen separiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kryogene Treibstoff (14) Wasserstoff und das unbrennbare Medium (15) Helium in flüssiger Form oder in flüssiger und gasförmiger Form ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Helium in eine Kammer (22) zugeführt wird, die den Aufnahmeraum (12) des Vorratsbehältnisses (10) umgibt.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Betreiben eines Vorratsbehältnisses (10) für einen kryogenen Treibstoff (14), das an Bord eines Luftfahrzeugs (18) oberhalb einer Passagierkabine (20) angeordnet ist.