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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems
gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 sowie ein Energiesystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
7.
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Ein
derartiges Energiesystem ist z.B. aus der
WO 02/14736 A1 bekannt.
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Für den Betrieb
einer Energieerzeugungseinrichtung werden in Abhängigkeit von der Art der erzeugten
Energie (z.B. elektrische Energie, mechanische Energie oder Wärmeenergie),
der Art der Energieerzeugung und den Einsatzbedingungen ein oder
mehrere Betriebsmedien wie z.B. Brennstoffe, Kraftstoffe, Treibstoffe
oder Kühlmedien
benötigt.
Ein Beispiel hierfür
ist die Brennstoffzelle, die mit den Betriebsmedien Wasserstoff
und Sauerstoff betrieben wird. Insbesondere bei Energiesystemen
in mobilen Anwendungen besteht die Anforderung, die Betriebsmedien
mit hoher Energiedichte auf möglichst
geringem Raum zu speichern. Hierzu bietet sich eine Speicherung
der Betriebsmedien in flüssiger
Form unter hohem Druck an. So werden beispielsweise in Unterwasserschiffen
Wasserstoff und Sauerstoff für Brennstoffzellen
bei 5-6 bar in flüssiger
Form in speziellen Drucktanks gespeichert. Nachteil der Speicherung
eines Betriebsmediums in flüssiger
Form ist allerdings, dass es zur Verwendung in der Brennstoffzelle
unter Energieeinsatz wieder verdampft werden muss.
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Supraleiter,
und hierbei insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter aus der Familie
der YBCO-Leiter oder der Wismut Cuprate, finden als verlustarme
Leiter elektrischer Energie bereits erste Anwendungen in einer Vielzahl
unterschiedlicher elektrischer Einrichtungen. Hierzu zählen rotierende
elektrische Maschinen, die als Motor und/oder Generator arbeiten
und deren Stator und/oder Rotor mit Wicklungen aus einem Supraleitermaterial
ausgerüstet sind,
oder statische elektrische Einrichtungen wie Strombegrenzer oder
Transformatoren. Nachteil beim Einsatz eines Supraleiters ist der
notwendige Energieeinsatz für
eine Kühleinrichtung,
mit deren Hilfe der Supraleiter auf die für die Aufrechterhaltung der
Supraleitung benötigte
Temperatur von üblicherweise
20-100 K gekühlt
wird.
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Der
Einsatz von Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie
und elektrischer Einrichtungen mit Supraleitern in einem gemeinsamen
System wird zur Zeit für
verschiedenste Energiesysteme untersucht. Hierzu zählen Energieerzeuger,
-verteiler- und -verbraucheranlagen auf Schiffen (siehe z.B.
WO 02/24523 A1 ),
Großmaschinenanlagen
und Elektrotraktionssysteme für
Schwerlasttransporte und Lokomotiven. Durch den Energiebedarf für die Verflüssigung
des Brennstoffes und die Kühlung
des Supraleiters wird allerdings der Gesamtwirkungsgrad derartiger
Energiesysteme reduziert.
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Aus
der
WO 02/14736 A1 ist
ein Energiesystem für
ein Unterwasserschiff mit einer Brennstoffzelle und einem Strombegrenzer
mit einem HTS-Supraleiter bekannt. Der Supraleiter wird hierbei
in einem Kryostaten mit flüssigem
Stickstoff gekühlt.
Der flüssige
Stickstoff wird wiederum durch eine erste Kühleinrichtung in Form eines
so genannten Refrigerators gekühlt.
Der Refrigerator umfasst einen Kaltkopf, der in den Kryostaten ragt
und in dem Kryostaten verdampften Stickstoff durch Rekondensation
wieder verflüssigt.
Der Kaltkopf nimmt hierzu Wärme
des verdampften Stickstoffes auf.
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Zusätzlich werden
die Stromdurchführungen,
die von außen
in den Kryostaten hineinreichen, zur Verringerung des Wärmeeintrages
in den Kryostaten mit Hilfe einer zweiten Kühleinrichtung gekühlt. Die
zweite Kühleinrichtung
weist ein Kühlmedium
mit einer Siedetemperatur auf, die über der Kondensationstemperatur
des flüssigen
Sauerstoffs liegt. Bei dem zweiten Kühlmedium handelt es sich beispielsweise
um Flüssigsauerstoff
zum Betrieb der Brennstoffzelle, der in einem Flüssigsauerstofftank an Bord des
Unterwasserschiffes gespeichert ist. Durch eine Wärmeübertragung
von den Stromzuführungen
zu dem Flüssigsauerstoff
kommt es zu einer Verdampfung des Flüssigsauerstoffs und aufgrund
dessen Verdampfungsenthalpie zu einer Kühlung der Stromzuführungen.
Hierdurch wird zum einen der Wärmeeintrag
in den Kryostaten und somit der elektrische Leistungsbedarf für den Verdichter
der ersten Kühleinrichtung
verringert und zum anderen der Energiebedarf zur Verdampfung des
Flüssigsauerstoffes
reduziert, wodurch sich insgesamt der Gesamtwirkungsgrad des Energiesystems
erhöht.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum
Betrieb eines eingangs geschilderten Energiesystems und ein Energiesystem
anzugeben, mit dem der Gesamtwirkungsgrad des Energiesystems noch
weiter verbessert werden kann.
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Die
Lösung
der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch
ein Energiesystem gemäß Patentanspruch
1. Die Lösung der
auf das Energiesystem gerichteten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch
ein Energiesystem gemäß Patentanspruch
7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass die flüssige
Phase des Kühlmediums
in der Kühleinrichtung
durch Kondensa tion einer gasförmigen
Phase des Kühlmediums
erzeugt wird, wobei die Kondensation der gasförmigen Phase des Kühlmediums
durch Wärmeübertragung
von der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
zu dem Betriebsmedium erfolgt.
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Die
Verflüssigung
des Kühlmediums
und damit die Kühlung
des Supraleiters erfolgt somit mittels des für die Energieerzeugung benötigten Betriebsmediums,
z.B. eines Brennstoffes. Hierdurch kann der Energiebedarf der Kühleinrichtung
zur Kühlung des
Supraleiters reduziert werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad
des Energiesystems erhöht.
Im besten Fall kann auf ein Refrigeratorsystem mit einem Kaltkopf
und Verdichter oder eine ähnliche
konventionelle Einrichtung zur Verflüssigung des Kühlmediums
ganz verzichtet werden, was mit niedrigeren Investitionskosten sowie
geringeren Wartungskosten (Life Cycle Kosten) und höherer Zuverlässigkeit
aufgrund des Wegfalls der in einem Refrigeratorsystem üblicherweise
verwendeten bewegten Teile verbunden ist.
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Unter
einer Energieerzeugungseinrichtung wird hierbei jede Art von Einrichtung
zur Erzeugung von Energie in einer technisch nutzbaren Form, z.B. elektrischer
Energie, mechanischer Energie oder Wärmeenergie verstanden. Hierunter
fallen beispielsweise Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren sowie
Gas- und Dampfturbinen.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Energieerzeugungseinrichtung mit einer gasförmigen Phase
des Betriebsmediums betrieben, wobei die gasförmige Phase des Betriebsmediums
durch Verdampfung einer flüssigen
Phase des Betriebsmediums erzeugt wird und die Wärmeübertragung von der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
zu der flüssigen
Phase des Betriebsmediums erfolgt. Es wird somit die Verdampfungsenthalpie
bzw. Verdampfungswär me
des Betriebsmediums zur Kühlung
des Supraleiters genutzt. Hierdurch werden gleichzeitig der Energiebedarf
der Kühleinrichtung
zur Kühlung
des Supraleiters und der Energiebedarf zur Verdampfung des Betriebsmediums
reduziert, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Energiesystems besonders gut
verbesserbar ist.
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Die
für die
Verdampfung des Betriebsmediums erforderliche Leistung liegt bei
typischen Anwendungen in allen Betriebszuständen erheblich über dem
Kühlleistungsbedarf
für den
Supraleiter, so dass im besten Fall auf die Kühleinrichtung völlig verzichtet
werden kann.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Energieerzeugungseinrichtung mit einer gasförmigen Phase
des Betriebsmediums betrieben, wobei die gasförmige Phase des Betriebsmediums
durch Verdampfung einer flüssigen
Phase des Betriebsmediums erzeugt wird und die Wärmeübertragung von der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
zu der gasförmigen
Phase des Betriebsmediums erfolgt. Es wird somit die Aufwärmenthalpie
der gasförmigen
Phase des Betriebsmediums zur Kühlung
des Supraleiters genutzt. Hierdurch werden gleichzeitig der Energiebedarf
der Kühleinrichtung
zur Kühlung
des Supraleiters und der Energiebedarf zur Aufwärmung des Betriebsmediums reduziert,
wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Energiesystems verbesserbar ist.
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Dieses
Verfahren kann auch gemeinsam mit dem Verfahren gemäß der ersten
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem Energiesystem
angewendet werden. Es erfolgt dann zuerst eine Nutzung der Verdampfungsenthalpie
der flüssigen
Phase des Betriebsmediums, d.h. durch eine Wärmeübertragung von einer gasförmigen Phase
eines ersten Kühlmediums
zu der flüssigen
Phase des Betriebsmediums wird die flüssigen Phase des Be triebsmediums
verdampft und die gasförmige
Phase des ersten Kühlmittels
verflüssigt,
und danach eine Nutzung der Aufwärmenthalpie
der gasförmigen Phase
des Betriebsmediums, d.h. durch eine Wärmeübertragung von einer gasförmigen Phase
eines zweiten Kühlmediums
zu der gasförmigen
Phase des Betriebsmediums wird die gasförmige Phase des Betriebsmediums
erwärmt
und gleichzeitig die gasförmige
Phase des zweiten Kühlmediums
verflüssigt.
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Die
Wärmeübertragung
von der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
zu dem Betriebsmedium kann auch aktiv durch eine Wärmepumpe
erfolgen, die zwischen dem Temperaturniveau des Supraleiters und
dem, vorzugsweise niedrigsten, Temperaturniveau des Betriebsmediums
arbeitet.
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Bevorzugt
wird die flüssige
Phase des Betriebsmediums in einem Drucktank unter einem Druck gespeichert,
der mit dem Druck der gasförmigen
Phase des Kühlmediums
derart aufeinander abgestimmt ist, dass die flüssige Phase des Betriebsmediums
eine Siedetemperatur aufweist, die unter der Kondensationstemperatur
der gasförmigen
Phase des Kühlmediums
ist. Dies ist insbesondere möglich,
wenn als Betriebsmedium ein Brennstoff oder ein die Verbrennung
fördernder
Stoff, insbesondere Wasserstoff, Erdgas oder Sauerstoff, und als
Kühlmedium
Neon oder Stickstoff verwendet werden.
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Wird
beispielsweise für
die Speicherung von Wasserstoff in einem Flüssigwasserstoff-Drucktank ein
Druck von 5 bar gewählt,
so beträgt
die Siedetemperatur des Flüssigwasserstoffes
27.1 K. Für
die Kühlung
eines HTS-Supraleiters in einem HTS-Elektromotor oder HTS-Generator
kann dann beispielsweise Neon verwendet werden. Das Neon-System wird
bevorzugt bei einem höheren
Druck als Atmosphärendruck
betrieben, um im Fall einer eventuellen Leckage das Eindringen von
Luft in den Ne on-Raum zu verhindern, beispielsweise bei 1,1 bar
(absolut). Bei einem Druck von 1.1 bar beträgt die Kondensationstemperatur
von Neon 27.36 K und ist somit größer als die Siedetemperatur
des Flüssigwasserstoffes.
HTS-Strombegrenzer werden üblicherweise
mit flüssigem
Stickstoff bei etwa Atmosphärendruck,
also bei 77 K betrieben.
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Ein
erfindungsgemäßes Energiesystem
umfasst eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Energie
für das
Energiesystem mit Hilfe eines Betriebsmediums, einen Supraleiter
zur verlustarmen Leitung elektrischer Energie in dem Energiesystem
und eine Kühleinrichtung
zur Kühlung
des Supraleiters mit Hilfe einer flüssigen Phase eines Kühlmediums.
Die Kühleinrichtung
erzeugt dabei die flüssige
Phase des Kühlmediums
durch Kondensation einer gasförmigen
Phase des Kühlmediums,
wozu die Kühleinrichtung
einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von der gasförmigen
Phase des Kühlmediums
zu dem Betriebsmedium aufweist.
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Die
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile
gelten entsprechend für
das erfindungsgemäße Energiesystem.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß den Merkmalen der
Unteransprüche
werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 stark
schematisiert einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Energiesystems mit einer Darstellung
verschiedener Kühlungsmöglichkeiten für Supraleiter,
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2 eine
besonders für
mobile Anwendungen geeignete Kombination eines Brennstoff- und eines
Kühlmediumstanks
zur Wärmeübertragung
von einer gasförmigen
Phase des Kühlmediums
zu einer flüssigen
Phase des Brennstoffs.
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1 zeigt
stark schematisiert ein Energiesystem 1 eines Unterwasserschiffes
umfassend ein Brennstoffzellensystem Energieerzeugungseinrichtung 2 zur
Erzeugung elektrischer Energie für
den Antrieb des Schiffes und zwei elektrische Einrichtungen 3, 13 mit
jeweils einem Hochtemperatursupraleiter (HTS) als Supraleiters 4 bzw. 14,
vorzugsweise aus der Familie der YBCO-Leiter oder der Wismut Cuprate,
zur verlustarmen Leitung elektrischer Energie in dem Energiesystem 1.
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Bei
der ersten elektrischen Einrichtung 3 handelt es sich beispielsweise
um eine rotierende elektrische Maschine wie einen Motor oder einen
Generator, deren Rotor und/oder Stator einen HTS, insbesondere eine
HTS-Wicklung, aufweist bzw. aufweisen oder deren Pole aus HTS-Magneten
bestehen (sogenanntes Bulk-Material).
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Bei
der zweiten elektrischen Einrichtung 13 handelt es sich
beispielsweise um einen HTS-Strombegrenzer oder einen Transformator.
Der HTS kann hierbei als Plattenleiter, Bandleiter oder Bulk-Material ausgeführt sein.
Im Fall eines Bulk-Materials kann dieses beispielsweise aus YBCO
oder Bi-HTS bestehen.
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Eine
Kühleinrichtung 6 dient
zur Kühlung
des Supraleiters 4 mit Hilfe eines ersten Kühlmediums und
eine Kühleinrichtung 16 dient
zur Kühlung
des Supraleiters 14 mit Hilfe eines zweiten Kühlmediums. Die
jeweilige Wahl des Kühlmediums
ist abhängig von
einer Vielzahl von Faktoren, z.B. vom verwendete Supraleitermaterial,
der Art der elektrischen Einrichtung, der abzuführenden Wärmemengen und der Betriebsbedingungen.
Im Fall der elektrischen Einrichtung 3 handelt es sich
bei spielsweise bei dem Kühlmedium
um Neon und im Fall der elektrischen Einrichtung 13 um
Stickstoff. Der Transfer der Kälte an
den Supraleiter 4, 14 kann direkt über das
Kühlmedium
oder indirekt über
ein weiteres aktiv oder passiv umgewälztes Kühlmedium (ein umgepumptes Kühlmedium
bzw. ein Thermosyphon-System
mit z.B. Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Neon, Wasserstoff oder Helium)
erfolgen.
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Die
Kühleinrichtung 6 führt der
elektrischen Einrichtung 3 in einem Kreislauf eine flüssige Phase des
ersten Kühlmediums
zu, das in der elektrischen Einrichtung 3 durch Wärmeaufnahme
vom dem Supraleiter 4 und seiner Umgebung verdampft wird.
Die dadurch entstehende gasförmige
Phase des ersten Kühlmediums
wird aus der elektrischen Einrichtung 3 abgeführt, in
der Kühleinrichtung 6 verflüssigt und
anschließend
wieder der elektrischen Einrichtung 3 zugeführt.
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In
entsprechender Weise wird das zweite Kühlmedium in der zweiten Kühleinrichtung 16 in
einem Kreislauf durch die elektrische Einrichtung 13 geführt.
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Den
Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems (2) wird zum
Betrieb über
eine Leitung 7 als Betriebsmedium ein gasförmiger Brennstoff
wie z.B. Wasserstoff oder ein die Verbrennung unterstützender
Stoff wie z.B. Sauerstoff zugeführt.
Der Stoff ist in dem Unterwasserschiff unter einem derart hohen Druck
in flüssiger
Form in einem Tank 8 gespeichert, dass die Siedetemperatur
des Stoffes kleiner als die Kondensationstemperatur des ersten Kühlmediums in
der Kühleinrichtung 6 ist.
Wird beispielsweise Wasserstoff in flüssiger Form unter einem Druck
von 5 bar gespeichert, so beträgt
seine Siedetemperatur 27.1 K. Es handelt sich somit um einen in
der Fachliteratur als „kryogen" bezeichneten Brennstoff.
Vor der Zufuhr zu den Brennstoffzellen muss die flüssige Phase des
Brennstoffes durch Verdampfung in die gasförmige Phase umgewandelt und
darüber
hinaus durch weitere Erwärmung
auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen gebracht werden.
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Anhand 1 sollen
nun die verschiedenen Möglichkeiten
zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Energiesystems erläutert werden:
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Möglichkeit
1: Direkte Kühlung
durch Ausnutzung der Verdampfungswärme der flüssigen Phase des Betriebsmediums.
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Durch
eine Wärmeübertragung
von der gasförmigen
Phase des ersten Kühlmediums
zu der flüssigen
Phase des Betriebsmediums kann die flüssige Phase des Betriebsmediums
verdampft und durch die Verdampfungswärme des Betriebsmediums die gasförmigen Phase
des ersten Kühlmediums
kondensiert werden.
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Hierzu
weist die erste Kühleinrichtung 6 einen
Wärmetauscher 9 auf,
dem eingangsseitig auf seiner Primärseite über eine Leitung 11 das
flüssige Betriebsmedium,
hier der flüssige
Wasserstoff, und auf seiner Sekundärseite über eine Leitung 21 die gasförmige Phase
des Kühlmediums,
hier gasförmiges
Neon, zugeführt
wird. Der flüssige
Wasserstoff weist beim Eintritt in den Wärmetauscher 9 eine
Temperatur auf, die kleiner als die Temperatur des gasförmigen Neons
ist. Es kommt somit zu einer Wärmeübertragung
von dem gasförmigen
Neon zu dem flüssigen
Wasserstoff.
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Da
zudem die Siedetemperatur des flüssigen Wasserstoffes
kleiner ist als die Kondensationstemperatur des gasförmigen Neons,
kann durch die Wärmeübertragung
zum einen der flüssige
Wasserstoff verdampft und zum anderen durch die Verdampfungswärme der
gasförmige
Stickstoff kondensiert werden. Den Wärmetauscher verlässt dann
ausgangsseitig auf der Primärseite über die
Leitung 12 gasförmiger
Wasserstoff und auf der Sekundärseite über die
Leitung 22 flüssiges
Neon.
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Für den Betrieb
der Brennstoffzellen mit einer Nennlast von 5 MWel ist bei einem
angenommenen Wirkungsgrad von 50% der Brennstoffzellen eine Leistung
von ca. 43 kW erforderlich, um den Wasserstoff bei 27 K zu verdampfen.
Die erforderliche Kühlleistung
von HTS-Maschinen mit einer Leistung im Bereich von 5 MW liegt größenordungsmäßig bei
ca. 100-500 W. Die erforderliche Kühlleistung für die HTS-Maschine
kann somit allein durch den kryogenen Brennstoff bereitgestellt
werden.
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Wenn
die Verdampfungsenthalpie genau so groß oder größer als die für die Verflüssigung
des gasförmigen
Neons benötigte
Kühlleistung
ist, kann auf Seite der Kühleinrichtung 6 auf
eine gesonderte Einrichtung zur Verflüssigung des Kühlmediums,
z. B. einen Kaltkopf mit Verdichter, verzichtet und auch der für diese
Einrichtung benötigte
Energiebedarf entfallen. Andernfalls kann auf der Brennstoffseite auf
eine gesonderte Einrichtung zur Verdampfung des Brennstoffes verzichtet
werden und der hierfür benötigte Energiebedarf
entfallen. Insgesamt kann somit der Gesamtwirkungsgrad des Energiesystems auf
jeden Fall verbessert werden.
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Möglichkeit
2: Indirekte Kühlung
durch Ausnutzung der Aufwärmenthalpie
der gasförmigen
Phase des Betriebsmediums
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Für den Betrieb
der Brennstoffzellen muss der Wasserstoff bis auf die Temperatur
der Brennstoffzellen erwärmt
werden. In dem Wasserstofftank bei 5 bar gespeicherter flüssiger Wasserstoff
weist nach dem Verdampfen typischerweise eine Temperatur von etwas
mehr als 27 K auf und muss deshalb noch weiter erwärmt werden.
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Durch
eine Wärmeübertragung
von der gasförmigen
Phase des zweiten Kühlmediums
zu der gasförmigen
Phase des Betriebsmediums kann die gasförmige Phase des Betriebsmediums
weiter erwärmt
und durch die Aufwärmenthalpie
des Betriebsmediums die gasförmigen
Phase des zweiten Kühlmediums
kondensiert werden.
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Hierzu
weist die Kühleinrichtung 16 einen Wärmetauscher 10 auf,
dem auf der Primärseite
eingangsseitig über
die Leitung 12 das gasförmige
Betriebsmedium, hier der gasförmige
Wasserstoff, zugeführt
und auf der Sekundärseite
eingangsseitig über
eine Leitung 31 das gasförmige zweite Kühlmedium,
hier gasförmiger
Stickstoff, zugeführt
wird. Der gasförmige
Wasserstoff weist beim Eintritt in den Wärmetauscher eine Temperatur
auf, die kleiner ist als die Kondensationstemperatur des gasförmigen Stickstoffs.
Es kommt somit zu einer Wärmeübertragung
von dem gasförmigen
Stickstoff zu dem gasförmigen
Wasserstoff. Hierdurch wird zum einen der gasförmige Wasserstoff weiter erwärmt und
zum anderen durch die Aufwärmenthalpie
der gasförmige Stickstoff
kondensiert. Den Wärmetauscher 10 verlässt somit
ausgangsseitig auf der Primärseite über die
Leitung 17 ein erwärmter
gasförmiger
Wasserstoff und auf der Sekundärseite über die
Leitung 32 flüssiger
Stickstoff.
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Wenn
die Aufwärmenthalpie
genau so groß oder
größer als
die für
die Verflüssigung
des Stickstoffs benötigte
Kühlleistung
ist, kann auf Seite der Kühleinrichtung 16 auf
eine gesonderte konventionelle Einrichtung zur Verflüssigung
des Kühlmediums,
z. B. einen Verdichter, verzichtet und auch der für diese
Einrichtung benötigte
Energiebedarf entfallen. Auf der Brennstoffseite kann der Aufwand
und Energiebedarf für
die Erwärmung
der gasförmigen Phase
des Brennstoffes reduziert und insgesamt somit der Gesamtwirkungsgrad
des Energiesystems 1 noch weiter verbessert werden.
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Die
für die
vollständige
Aufwärmung
der Brennstoffe auf Raum- oder
Betriebstemperatur erforderliche Aufwärmenthalpie (beispielsweise
einige 100 kW) kann noch für
weitere Kühlaufgaben
genutzt werden, z.B. für
Kühlschränke und
Gefrierschränke an
Bord des Schiffes, Klimaanlagen, Kühlwasserkreise, Ständerkühlung von
Motoren oder Generatoren, Wärmeabfuhr
von Brennstoffzellen, etc.). Hierzu ist ein weiterer Wärmetauscher 18 vorgesehen,
der mit seiner Primärseite
zwischen die Leitung 7 und 17 geschaltet ist und
dessen Sekundärseite
mit einer weiteren Kühleinrichtung 19 verbunden
ist.
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Möglichkeit
3: Aktive Kühlung
durch Wärmeübertragung
von der gasförmigen
Phase des Kühlmediums zu
dem Betriebsmedium durch eine Wärmepumpe.
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Die
Wärmeübertragung
von der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
zu dem Betriebsmedium kann, insbesondere bei ähnlichen Temperaturniveaus
von gasförmiger
Phase des Kühlmediums
und flüssiger
Phase des Betriebsmediums, durch eine Wärmepumpe verbessert werden,
die Wärme
von der gasförmigen
Phase des Kühlmediums
zu der flüssigen
Phase des Betriebsmediums pumpt.
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Falls
beispielsweise in dem Unterwasserschiff nur flüssiger Sauerstoff, aber kein
flüssiger Wasserstoff
vorhanden ist, da er in anderer Form gespeichert wird, oder ein
anderer Brennstoff (z.B. LNG) als Brennstoff verwendet wird, könnte aufgrund der ähnlichen
Temperaturniveaus von Brennstoff und gasförmigem Stickstoff der Wärmeübergang
nur sehr gering sein. In diesem Fall kann die Wärme aktiv über eine Wärmepumpe übertragen werden, die Wärme vom
gasförmigen
Stickstoff zum flüssigen
Sauerstoff pumpt. Im Vergleich zu einem Kryokühler, der zwischen kryogener
Temperatur und Raumtemperatur arbeitet, ist eine solche Kühlung erheblich
einfacher und damit kostengünstiger
realisierbar.
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Die
Möglichkeiten
1 bis 3 lassen sich je nach Anwendungsfall miteinander kombinieren
oder auch separat zur Wirkungsgraderhöhung einsetzen.
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2 zeigt
eine besonders für
mobile Anwendungen vorteilhafte Möglichkeit der Wärmeübertragung
von einer gasförmigen
Phase eines Kühlmediums
zu der flüssigen
Phase eines Betriebsmediums zur Kondensation der gasförmigen Phase
des Kühlmediums
und Verdampfung der flüssigen
Phase des Betriebsmediums mit Hilfe des Wärmetauschers 9 von 1.
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Der
Wärmetauscher 9 umfasst
hierzu einen mit einer gasförmigen
Phase eines Kühlmediums
befüllbaren
Kühlmediumsgasraum 41 und
eine durch den Kühlmediumsgasraum 41 verlaufende
Rohrleitung 42 zur Leitung einer flüssigen Phase des Betriebsmediums
durch den Kühlmediumsgasraum 41.
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Der
Kühlmediumsgasraum 41 ist
mit einem Kühlmediumsflüssigkeitsraum 43 zur
Speicherung einer flüssigen
Phase des Kühlmediums
verbunden. Der Kühlmediumsgasraum 41 und
der Kühlmediumsflüssigkeitsraum 43 sind
Teilräume
eines Kühlmediumstanks 44.
An der Rohrleitung 42 kondensiertes Kühlmedium kann somit in den
Kühlmediumsflüssigkeitsraum 43 tropfen
und sich dort sammeln.
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Die
Rohrleitung 42 verbindet einen Betriebsmediumsflüssigkeitsraum 45 zur
Speicherung einer flüssigen
Phase des Betriebsmediums mit einem Betriebsmediumsgasraum 46 zur
Speicherung einer gasförmigen
Phase des Betriebsmediums. Der Betriebsmediumsgasraum 46 und
der Betriebsmediumsflüssigkeitsraum 45 sind
Teilräume
eines Betriebsmediumstanks 47.
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Der
Betriebsmediumstanks 47 und der Kühlmediumstank 44 sind
in einem gemeinsamen Behälter 48 untergebracht
und von einer gemeinsamen Isolierung 49 umgeben.
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Bei
einem Energiesystem für
ein Über-
oder Unterwasserschiff oder eine Lokomotive mit Brennstoffzellen
zur Energieerzeugung und einem HTS-Motor als Energieverbraucher
handelt es sich bei dem Betriebsmediumstanks 47 beispielsweise um
einen Wasserstofftank zur Speicherung flüssigen Wasserstoffs zur Brennstoffversorgung
der Brennstoffzellen und bei dem Kühlmediumstank um einen Neontank
mit flüssigem
Neon zur Kühlung
des HTS-Motors.
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Der
Neontank als Kühlmediumstank 44 ist beispielsweise
in einen Kühlkreislauf
einer Kühleinrichtung
des HTS-Motors geschaltet. Das flüssige Neon wird hierbei über eine
Zufuhrleitung 51 dem HTS-Motor zugeführt und darin unter Abgabe
von Kühlleistung
verdampft. Das verdampfte, gasförmige Neon
wird anschließend über eine
Abführleitung 52 aus
dem HTS-Motor abgeführt
und wieder dem Neontank zugeführt.
Die Kondensationstemperatur des gasförmigen Neons bei einem Absolutdruck
von 1.1 bar beträgt
etwa 27.36 K. Das flüssige
Neon in dem Neontank weist dann ebenfalls eine Temperatur von 27.36
K auf.
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Der
Wasserstofftank als Betriebsmediumstanks 47 ist an eine
Leitung 53 zur Zufuhr von Wasserstoff zu dem nicht näher dargestellten
Brennstoffzellensystem angeschlossen. Der flüssige Wasserstoff weist in
dem Wasserstofftank (47) bei einem Druck von 5 bar eine
Siedetemperatur von 27.1 K auf.
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Zur
weiteren Erwärmung
des gasförmigen Wasserstoffs
vor dessen Zufuhr zu den Brennstoffzellen wird dieser über die
Primärseite
eines in die Leitung 53 geschalteten weiteren Wärmetauscher 54 geführt, der
sekundärseitig
von Kühlwasser
der Brennstoffzellen durchflossen wird. Durch Wärmeübertragung von dem Kühlwasser
zu dem gasförmigen
Wasserstoff wird der Wasserstoff weiter erwärmt und gleichzeitig das Kühlwasser
der Brennstoffzellen gekühlt.
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Der
flüssige
Wasserstoff wird mittels der Rohrleitung 42 durch den Kühlmediumsgasraum 41 des
Neons geleitet und damit das Neon an der Oberfläche der Rohrleitung 42 auskondensiert.
Ein Leiten des gasförmigen
Neons durch den Betriebsmediumsflüssigkeitsraum 45 des
Wasserstoffs wäre
dagegen problematisch, da das Neon erstarren könnte.
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Die
Rohrleitung 42 besteht aus Kupfer. Die gesamte Oberfläche der
Rohrleitung 42 im Kühlmediumsgasraum 41 ist
dabei über
die Wärmeleitung
des Kupfers bei 27 K mit der erforderlichen Kühlleistung abgestimmt.
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Insgesamt
wird somit durch die gezeigte Kombination eines Brennstoff- und
eines Kühlmediumstanks
eine raumsparende und somit besonders für mobile Anwendungen geeignete
Möglichkeit
zur Wärmeübertragung
von einem gasförmigen
Kühlmedium
zu einem flüssigen
Brennstoff geschaffen.
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Bei
Nennleistung des Gesamtsystems aus HTS-Motor und Brennstoffzellen
wird die Kühlleistung
für den
HTS-Motor durch die Verdampfungswärme des Wasserstoffs aufgebracht.
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Im
Leerlauf des Systems ist eine Kühlleistung
für das
Verdampfen des Wasserstoffes erforderlich. Der Motor ist im Stillstand,
muss aber trotzdem gekühlt
werden. Unterstellt man etwa 10% der Nennleistung der Brennstoffzellen
als Leistungsbedarf für den
Leerlauf des Gesamtsystems, so wird für den Wasserstoff eine Verdampfungsenthalpie
von 1.7 kW benötigt.
Dieser Bedarf an Verdampfungswärme
ist groß genug,
um eine ausreichende Menge an Neon zu verflüssigen, damit der Motor auf
Betriebstemperatur gehalten werden kann.
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Im
Stillstand, wenn die Brennstoffzellen und der HTS-Motor abgeschaltet
sind, aber innerhalb kurzer Zeit in Betrieb gesetzt werden können, ist
keine zusätzliche
Energie zur Kühlung
des HTS-Motors notwendig.
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Im
abgeschalteten Zustand hat nur der Wasserstofftank die Temperatur
von 27 K und diese Temperatur wird bei einem Überdruck von z.B. 5 bar durch
Verdampfung des Wasserstoffes gewährleistet. Damit aber wird
ständig
Wasserstoff an die Umgebung abgegeben. Dies könnte durch die Kühleinrichtung
des Motors, allerdings nur durch externe Hilfsenergie oder genügend Batteriekapazität, vermieden
werden. Die Kühleinrichtung
des HTS-Motors kühlt
dann den Wasserstofftank. Ein Sicherheitsproblem durch den abdampfenden
Wasserstoff stellt sich insbesondere in Gebäuden. Hier ist aber in der Regel
die notwendige Hilfsenergie für
den Betrieb der Kühleinrichtung
verfügbar.
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Prinzipiell
ist es möglich,
durch die in 2 gezeigte Kombination der Tieftemperaturkomponenten
auf eine konventionelle Kühleinrichtung
für den Motor
zu verzichten und lediglich den flüssigen Wasserstoff zur Kühlung zu
nutzen. Diesem Kostenvorteil steht dann der Nachteil gegenüber, dass
dann die vorstehend erläuterte
Möglichkeit
einer Kühlung
des Wasserstofftankes durch das Kühlsystem nicht genutzt werden
kann.
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Ingesamt
ergeben sich durch die Erfindung folgende Vorteile:
Die Kombination
des Energiebedarfs für
die Verdampfung und/oder Aufwärmung
der Betriebsmedien, z.B. kryogener Brennstoffe für Brennstoffzellen, mit dem
Energiebedarf für
die Ver flüssigung
des Kühlmediums
für eine
HTS-Einrichtung führt
zu einer Erhöhung
des Systemwirkungsgrades.
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Ein
Wegfall konventioneller Kühleinrichtungen
bedeutet Reduzierungen von Investitionskosten, Betriebskosten (u.a.
wegen geringerem Wartungsaufwand), Platzbedarf, Systemgewicht und
-größe sowie
eine Erhöhung
der Betriebssicherheit.
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In
den Fällen,
in denen man auf eine von kryogenen Betriebsmedien unabhängige, konventionelle
Kühleinrichtung
nicht verzichten will (z.B. für
einen Standby-Betrieb) sind bei der Kühleinrichtung hinsichtlich
Komplexität,
Größe, Investitions-
und Betriebskosten immer noch erhebliche Einsparungen möglich.
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Für den Fall,
dass die zur Verfügung
stehende Kühlleistung,
wie bei Möglichkeit
1, vergleichsweise groß ist,
kann bei der Auslegung der HTS-Einrichtung an Isolierung gespart
werden. Beispielsweise könnte
eine reine Vakuum-Isolierung ohne Multilagen-Superisolation, oder
sogar eine noch billigere vakuumfreie Isolierung zum Einsatz kommen.
Bei rotierenden Maschinen kann außerdem auch das Drehmomentenübertragungselement
kürzer
gewählt werden
und damit die Maschinengröße weiter
reduziert werden. Auch das bisher aufgrund der niedrigen Wärmeleitung
an dieser Stelle verwendete teure GFK-Material kann an dieser Stelle
wieder problemlos durch z.B. Edelstahl ersetzt werden.
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Im
Fall einer Neon-Thermosyphon-Kühlung einer
HTS-Maschine an einem Flüssigwasserstoff-Drucktank
entfällt
die bisher üblich
geregelte Gegenheizung am Kaltkopf, da aufgrund der zu erwartenden
Temperaturverhältnisse
ein Einfrieren des Neons bereits systemimmanent ausgeschlossen ist. Die
die bisherige Kühleinrichtung
(z.B. den Kaltkopf mit angeschlossenem Heli umkreislauf) ersetzende neue
Kältequelle
(d.h. der Wasserstofftank) besitzt über die für die Brennstoffzelle erforderlich
Druckaufbauregelung bereits eine Temperatur oberhalb des Tripelpunktes,
d.h. dass ein Einfrieren des Neons ausgeschlossen ist.