DE102010042678A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend – eine mit dem Brennstoff betriebene Wärmekraftmaschine; – eine Trenneinrichtung, mit der der Brennstoff in eine Zielfraktion und eine Restfraktion auftrennbar ist; – eine Umwandlungseinrichtung, mit der aus der Zielfraktion Wasserstoff erzeugbar ist; und – ein mit dem Wasserstoff als Brenngas betriebenes Brennstoffzellensystem, wobei die Vorrichtung ferner eine mit der Restfraktion des Brennstoffs betriebene Heizeinrichtung zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung mit thermischer Energie umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend: – Bereitstellen eines Brennstoffs zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine; – Auftrennen des Brennstoffs in eine Zielfraktion und eine Restfraktion; – Erzeugen von Wasserstoff aus der Zielfraktion; und – Verwenden des Wasserstoffs als Brenngas für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Restfraktion mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend
    • – eine mit dem Brennstoff betriebene Wärmekraftmaschine;
    • – eine Trenneinrichtung, mit der der Brennstoff in eine Zielfraktion und eine Restfraktion auftrennbar ist;
    • – eine Umwandlungseinrichtung, mit der aus der Zielfraktion Wasserstoff erzeugbar ist; und
    • – ein mit dem Wasserstoff als Brenngas betriebenes Brennstoffzellensystem.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend:
    • – Bereitstellen eines Brennstoffs zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine;
    • – Auftrennen des Brennstoffs in eine Zielfraktion und eine Restfraktion;
    • – Erzeugen von Wasserstoff aus der Zielfraktion; und
    • – Verwenden des Wasserstoffs als Brenngas für ein Brennstoffzellensystem.
  • Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind z. B. aus der DE 10 2008 063 507 A1 bekannt und dienen insbesondere dem Betrieb von Fahrzeugen, die durch eine Wärmkraftmaschine angetrieben werden, aber gleichzeitig einen relativ hohen Bedarf an elektrischer Energie aufweisen. Dies gilt insbesondere in der Luftfahrttechnik, wo die Entwicklungen der letzten Jahre in Richtung einer als ”more electric aircraft” bezeichneten Flugzeugarchitektur gehen, bei der hydraulische Steuerungssysteme vollständig oder überwiegend durch elektrische Systeme ersetzt werden, was mit einem deutlich erhöhten elektrischen Energiebedarf einhergeht.
  • Mit der eingangs genannten Vorrichtung kann der für ein Brennstoffzellensystem benötigte Wasserstoff aus dem Brennstoff der Wärmekraftmaschine (z. B. Kerosin) gewonnen werden, in der Regel durch katalytische Umwandlung (z. B. Reformierung oder Dehydrierung) einer zuvor abgetrennten, für die Wasserstofferzeugung geeigneten Zielfraktion. Hierdurch erübrigt sich eine separate Mitführung von Wasserstoff in dem Fahrzeug, dessen effiziente Speicherung ohnehin mit erheblichen Einschränkungen verbunden ist.
  • Alle Verfahren für die Umwandlung der Zielfraktion zur Erzeugung von Wasserstoff umfassen endotherme chemische Reaktionen, so dass der Umwandlungseinrichtung Wärme zugeführt werden muss. Dies kann zum einen über eine elektrische Heizeinrichtung geschehen, was allerdings im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems ungünstig ist. Meistens wird die Umwandlungseinrichtung daher durch einen Brenner beheizt, in dem ein Teil des Brennstoffs verbrannt wird. Eine Beheizung durch die Abwärme der Wärmekraftmaschine ist ebenfalls möglich, erfordert aber eine zusätzliche, relativ aufwändige Wärmeleitung.
  • Die an der Trenneinrichtung anfallende Restfraktion des Brennstoffs, die für eine Wasserstofferzeugung weniger geeignet ist, wird bei Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik direkt der Wärmekraftmaschine zugeführt oder in den Brennstofftank zurückgeleitet. In beiden Fällen ändert sich dadurch die Zusammensetzung des der Wärmekraftmaschine zugeführten Brennstoffs, wodurch der optimale Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine beeinträchtigt werden kann. Bei einer Rückführung der Restfraktion in den Brennstofftank betrifft diese geänderte Zusammensetzung unter Umständen auch die Effizienz der Trenneinrichtung (es kommt zu einer Anreicherung der Komponenten der Restfraktion im Brennstofftank).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff vorzuschlagen, bei denen die genannten Nachteile ganz oder teilweise vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung ferner eine mit der Restfraktion des Brennstoffs betriebene Heizeinrichtung zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung mit thermischer Energie umfasst.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Heizeinrichtung kann der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung in verschiedener Hinsicht optimiert werden, ohne dass dies mit einem wesentlichen apparativen Mehraufwand einhergeht. Zum einen ist die Wärmeversorgung der Umwandlungseinrichtung durch eine Verbrennung der Restfraktion des Brennstoffs wesentlich effizienter als eine elektrische Beheizung mit der von dem Brennstoffzellensystem gelieferten elektrischen Energie. Im Vergleich zum Brennstoff weist die Restfraktion typischerweise einen fast identischen Heizwert auf (meist über 97%), und die geänderte Zusammensetzung ist für den Betrieb der Heizeinrichtung unkritisch. Durch die Verwendung der Restfraktion zur Deckung des Wärmebedarfs der Umwandlungseinrichtung muss die Restfraktion nicht (oder zumindest nicht vollständig) in den Brennstofftank zurückgeführt oder der Wärmekraftmaschine zugeleitet werden, so dass letztere kontinuierlich mit einem Brennstoff mit im Wesentlichen unveränderter Zusammensetzung betrieben werden kann.
  • Die Heizeinrichtung zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung mit thermischer Energie umfasst bevorzugt einen Brenner. Der Brenner kann insbesondere mit der Umwandlungseinrichtung eine strukturelle Einheit bilden. Entsprechende Einrichtungen zur Reformierung oder Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umwandlungseinrichtung eine Einrichtung zur Reformierung der Zielfraktion, insbesondere einen Dampfreformer. Bei der Reformierung erfolgt eine im Wesentlichen vollständige katalytische Umsetzung der in der Zielfraktion enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und Methan, sowie gegebenenfalls geringe Anteile an kurzkettigen Kohlenwasserstoffen (C2 bis C4). Der Wasserstoff kann beispielsweise mittels Druckwechseladsorption (PSA-Verfahren) von den übrigen Produkten abgetrennt werden. Der Betrieb eines Dampfreformers erfolgt in der Regel bei einer Temperatur von ca. 600 bis ca. 900°C, was den erheblichen Wärmebedarf dieses Prozesses deutlich macht.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umwandlungseinrichtung eine Einrichtung zur Dehydrierung der Zielfraktion. Die Dehydrierung erfolgt ebenfalls katalytisch und in der Regel bei etwas niedrigeren Temperaturen als die Reformierung. Typische Dehydrierungsreaktionen umfassen insbesondere die Umwandlung von Alkanen zu Alkenen, Cycloalkanen oder Aromaten, die Umwandlung von Cycloalkanen zu Aromaten sowie die Umwandlung von einfach ungesättigten Alkenen zu mehrfach ungesättigten Alkenen. Diese Produkte, die z. B. durch Kondensation fast vollständig von dem Wasserstoff abgetrennt werden können, werden bevorzugt ebenfalls zum Betrieb der Heizeinrichtung eingesetzt, anstatt sie der Wärmekraftmaschine oder dem Brennstofftank zuzuführen.
  • Die Katalysatoren für die Reformierungs- oder Dehydrierungsreaktion umfassen bevorzugt einen Platin-, Chrom-, Nickel-, Palladium- oder Eisenkatalysator. Durch den Einsatz von Platin auf einem Aluminiumoxidträger kann beispielsweise die Dehydrierung von Cyclohexan zu Benzol, von Decalin zu Naphthalin, und von Heptan zu Toluol katalysiert werden, sowie die Dehydrierung von Undecan, die zu verschiedenen Produkten wie 1-Undecen, 1-Methyldecalin, Pentylbenzol oder 1-Methyltetralin führen kann. Chrom(III)oxid auf Aluminiumoxid katalysiert u. a. die Dehydrierung von Butan zu Buten und Butadien sowie von iso-Butan zu iso-Buten. Diese und weitere Katalysatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und können in Abhängigkeit von den Prozessbedingungen und von der Zusammensetzung der Zielfraktion ausgewählt werden, wobei letztere wiederum von dem eingesetzten Brennstoff sowie der Art der Trenneinrichtung abhängig ist.
  • Die Trenneinrichtung umfasst bevorzugt einen thermische Trenneinrichtung, bei der eine Auftrennung des Brennstoffs in eine Zielfraktion und eine Restfraktion aufgrund unterschiedlicher Siedepunkte oder Schmelzpunkte der verschiedenen Komponenten des Brennstoffs erfolgt. Eine thermische Trenneinrichtung bedeutet einen relativ geringen aparativen Aufwand und kann häufig unter moderaten Temperatur- und Druckbedingungen betrieben werden.
  • Besonders günstig ist es, wenn die Trenneinrichtung eine Einrichtung zur Rektifikation des Brennstoffs umfasst. Bei der Rektifikation wird der Brennstoff zumindest partiell verdampft und mittels einer Rektifikationskolonne oder dergleichen werden dann verschiedene Komponenten des Brennstoffs, insbesondere verschiedene Kohlenwasserstoffe, aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte getrennt. Die Rektifikation kann über eine oder mehrere Stufen durchgeführt werden, und es können verschiedene Gruppen von Komponenten als Zielfraktion abgetrennt werden, wobei die übrigen Komponenten in der Restfraktion verbleiben.
  • Die durch Rektifikation abgetrennte Zielfraktion umfasst bevorzugt einen oder mehrere niedriger siedende Fraktionen des Brennstoffs. Diese so genannte Kopffraktion enthält in der Regel einen höheren Anteil an Komponenten, insbesondere Kohlenwasserstoffe mit einem geringeren Molekulargewicht, die für die Erzeugung von Wasserstoff durch die Umwandlungseinrichtung mittels Reformierung oder Dehydrierung geeignet sind. Die eine oder mehrere niedriger siedenden Fraktionen können im Rahmen der Rektifikation kondensiert werden, oder es erfolgt eine Zuführung zu der Umwandlungseinrichtung direkt in gasförmigem Zustand, was eine besonders einfache Verfahrensführung ermöglicht.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Trenneinrichtung eine Einrichtung zur fraktionierten Kristallisation des Brennstoffs. Es sind verschiedene Arten der fraktionierten Kristallisation bekannt, wobei die Kühlungskristallisation besonders bevorzugt ist. Bei diesem Verfahren der thermischen Trennung wird der Brennstoff soweit abgekühlt, dass ein Teil der darin enthaltenen Komponenten aus dem flüssigen Brennstoff ausfallen bzw. auskristallisieren. Um die hierfür erforderliche Kühlung des Brennstoffs mit einem möglichst geringen Energieaufwand zu ermöglichen, kann vorteilhafterweise eine niedrige Umgebungstemperatur ausgenutzt werden, insbesondere bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Flugzeugen, wo bei einer typischen Flughöhe von ca. 10 bis 12 km Außentemperaturen von bis zu –50°C vorherrschen. Die Ausnutzung der Außentemperatur kann auf einfache Weise z. B. durch Wärmetauscher erfolgen.
  • Bevorzugt umfasst die Zielfraktion bei der fraktionierten Kristallisation eine oder mehrere auskristallisierende Fraktionen des Brennstoffs, d. h. eine oder mehrere Komponenten des Brennstoffs, die einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die übrigen Komponenten. Die auskristallisierenden Fraktionen eignen sich deutlich besser für die Wasserstofferzeugung als die nicht auskristallisierende Restfraktion, insbesondere weisen sie einen wesentlich geringern Anteil an schlecht dehydrierbaren aromatischen Kohlenwasserstoffen auf.
  • Weitere Trennverfahren, die im Rahmen der Erfindung alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden können, umfassen z. B. Druckdestillation, Adsorptionsverfahren und die Hydroentschwefelung (HDS).
  • Als Brennstoff kann im Rahmen der Erfindung prinzipiell jeder flüssige Brennstoff eingesetzt werden, der ein Gemisch aus aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen enthält. In erster Linie fallen hierunter fossile Brennstoffe, die durch Destillation von Mineralöl gewonnen werden, wie z. B. Dieselkraftstoff, Kerosin und verschiedene Benzine. Es können jedoch auch aus biologischen Materialien gewonnene Kohlenwasserstoffgemische, so genannte Biokraftstoffe, eingesetzt werden.
  • Bevorzugt weist die Zielfraktion einen höheren Anteil an aliphatischen Kohlenwasserstoffen auf als der Brennstoff. Aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Alkane und Cycloalkane, eignen sich besonders gut zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Reformierung oder Dehydrierung. Demgegenüber sind aromatische Kohlenwasserstoffe, wie bereits erwähnt, zur Wasserstofferzeugung kaum geeignet, wohingegen ihr erhöhter Anteil in der Restfraktion bei der Verbrennung in der Heizeinrichtung unproblematisch ist.
  • Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn die Zielfraktion einen geringeren Anteil an schwefelhaltigen Verbindungen aufweist als der Brennstoff, da die Aktivität der in der Umwandlungseinrichtung eingesetzten Katalysatoren durch eine zu hohe Konzentration an schwefelhaltigen Verbindungen irreversibel herabgesetzt wird (so genannte Katalysatorgifte). Dasselbe gilt für Katalysatoren in der mit dem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle. Es hat sich gezeigt, dass der Schwefelgehalt in der Zielfraktion sowohl bei einer Rektifikation als auch bei einer fraktionierten Kristallisation des Brennstoffs deutlich reduziert werden kann.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine mit der Restfraktion des Brennstoffs betriebene Heizeinrichtung zur Versorgung der Trenneinrichtung mit thermischer Energie. Da auch die Brenneinrichtung meistens eine Wärmezufuhr benötigt (bei der Rektifikation zur Verdampfung des Brennstoffs und bei der fraktionierten Kristallisation zum Aufschmelzen der kristallisierten Zielfraktion), ist es günstig, wenn dieser Wärmebedarf ebenfalls durch die Verbrennung der Restfraktion gedeckt wird. Dabei kann entweder eine einzelne Heizeinrichtung vorgesehen sein, die sowohl die Umwandlungseinrichtung als auch die Trenneinrichtung mit Wärme versorgt, oder jeweils separate Heizeinrichtungen für die Umwandlungseinrichtung und für die Trenneinrichtung.
  • Es können auch weitere zusätzliche Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit thermischer Energie, die aus der Restfraktion gewonnen wird, versorgt werden, wie z. B. eine Reinigungseinrichtung für den mittels der Umwandlungseinrichtung erzeugten Wasserstoff. Im Idealfall erfolgt somit eine möglichst vollständige Ausnutzung des Brennwertes der Restfraktion zur Erzeugung der in dem System benötigten thermischen Energie, wodurch eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades ermöglicht wird.
  • Günstigerweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Verteilungseinrichtung, mit der mindestens ein Teil der Restfraktion der Wärmkraftmaschine oder einem Brennstofftank zuführbar ist und mindestens ein Teil der Restfraktion einer oder mehreren Heizeinrichtungen zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung und gegebenenfalls der Trenneinrichtung mit thermischer Energie. Falls nicht die gesamte Restfraktion zur Erzeugung von thermischer Energie benötigt wird, kann mittels der Verteilungseinrichtung der überschüssige Anteil direkt der Wärmekraftmaschine zugeführt oder in den Brennstofftank zurückgeleitet werden. Im umgekehrten Fall, d. h. wenn die Verbrennung der Restfraktion zur Deckung des Wärmebedarfs der Umwandlungseinrichtung und gegebenenfalls weiterer Elemente der Vorrichtung nicht ausreicht, kann zusätzlich Brennstoff aus dem Tank entnommen und zur Wärmeerzeugung genutzt werden.
  • Die Wärmekraftmaschine umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine, insbesondere ein Strahltriebwerk. Verbrennungsmotoren wie z. B. Ottomotoren oder Dieselmotoren kommen insbesondere bei Kraftfahrzeugen, Schiffen und Propellerflugzeugen zum Einsatz, während Strahltriebwerke in Düsenflugzeugen Verwendung finden. Beim Einsatz der vorliegenden Erfindung in Fahrzeugen erzeugt die Wärmekraftmaschine mechanische Energie in Form von kinetischer Energie für den Antrieb des Fahrzeugs.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf Fahrzeuge beschränkt, sondern kann z. B. auch im Rahmen von dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingesetzt werden.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Restfraktion mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.
  • Die Einzelheiten und besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
  • Günstig ist es, wenn die Restfraktion zur Gewinnung von thermischer Energie verbrannt wird. Die Verbrennung erfolgt dabei, wie oben beschrieben, mittels einer oder mehreren Heizeinrichtungen.
  • Bevorzugt wird die Zielfraktion zur Erzeugung von Wasserstoff reformiert, insbesondere dampfreformiert, oder dehydriert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Restfraktion mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Auftrennung des Brennstoffs verwendet. Zusätzlich kann aus der Restfraktion auch thermische Energie für weitere Vorgänge gewonnen werden, z. B. für eine Reinigung des erzeugten Wasserstoffs. Im Idealfall wird die Restfraktion vollständig zur Gewinnung von thermischer Energie für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine niedrigere Umgebungstemperatur für die Auftrennung des Brennstoffs genutzt. Dies gilt insbesondere für die sehr niedrigen Außentemperaturen bei einer Anwendung des Verfahrens zum Betrieb eines Flugzeugs (bis zu –50°C), die sowohl für eine Abkühlung des Brennstoffs bei einer fraktionierten Kristallisation als auch für die Kondensation einer oder mehrerer höher siedender Fraktionen bei einer Rektifikation genutzt werden können.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
  • Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die 1 zeigt eine schematische und vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Ganzes mit 10 bezeichnet ist.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst einen Brennstofftank 12, in dem ein Brennstoff, z. B. Kerosin, Benzin oder Dieselkraftstoff, bevorratet ist. Der Brennstofftank 12 ist über eine Brennstoffleitung 14 mit einem regelbaren Ventil 16 mit einer Wärmekraftmaschine 18 verbunden. Bei der Wärmekraftmaschine 18 kann es sich insbesondere um ein Strahltriebwerk oder um einen Verbrennungsmotor handeln.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine thermische Trenneinrichtung 20, zu der Brennstoff aus dem Brennstofftank 12 mittels einer Pumpe 22 zugeführt werden kann. Bei der Zuführungsleitung 24 vom Brennstofftank 12 zu der thermischen Trenneinrichtung 20 sind ferner ein Filter 26 sowie ein Wärmetauscher 28 zwischengeschaltet.
  • Die thermische Trenneinrichtung 20 umfasst gemäß einer Variante der Vorrichtung 10 eine Einrichtung zur Rektifikation des Brennstoffs, d. h. insbesondere eine Rektifikationskolonne, mit der ein Gemisch aus aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen in eine oder mehrere niedriger siedende Fraktionen (Kopffraktion = Zielfraktion) und eine oder mehrere höher siedende Fraktionen (Sumpffraktion = Restfraktion) aufgetrennt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Vorrichtung 10 umfasst die thermische Trenneinrichtung 20 eine Einrichtung zur fraktionierten Kristallisation des Brennstoffs. Durch Abkühlen eines Kohlenwasserstoffgemischs können mittels einer solchen Einrichtung eine oder mehrere auskristallisierende Fraktionen als Zielfraktion von der flüssigen Restfraktion des Gemischs abgetrennt werden. Eine Einrichtung zur fraktionierten Kristallisation des Brennstoffs umfasst günstigerweise einen Vorkühler und einen Hauptkühler.
  • Die thermische Trenneinrichtung 20 ist über eine weitere Zuführungsleitung 32 und einen dazwischengeschalteten Wärmetauscher 34 mit einer Umwandlungseinrichtung 36 verbunden. Bei der Umwandlungseinrichtung 36 handelt es sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 um einen Reaktor für die katalytische Dehydrierung einer oder mehrerer Kohlenwasserstoffe in der von dem Brennstoff abgetrennten Zielfraktion. Alternativ kann die Umwandlungseinrichtung 36 z. B. auch einen Dampfreformer umfassen.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst eine erste Heizeinrichtung 54 zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung 36 mit thermischer Energie sowie eine zweite Heizeinrichtung 56 zur Versorgung der Trenneinrichtung 20 mit thermischer Energie. Bei den Heizeinrichtungen 54 und 56 handelt es sich um Brenner, die mit der Umwandlungseinrichtung 36 bzw. der Trenneinrichtung 20 jeweils als strukturelle Einheit ausgebildet sind.
  • Eine Zuführungsleitung 58 für die Restfraktion führt von der Trenneinrichtung 20 und eine Zuführungsleitung 60 für die dehydrierten Kohlenwasserstoffe führt von der Umwandlungseinrichtung 36 jeweils zu einer Verteilungseinrichtung 62. Von der Verteilungseinrichtung 62 führt eine weitere Zuführungsleitung 64 zu der Wärmekraftmaschine 18 sowie zwei Zuführungsleitungen 66 zu der ersten Heizeinrichtung 54 bzw. der zweiten Heizeinrichtung 56.
  • Die Umwandlungseinrichtung 36 ist über ein Druckregelventil 40 mit einem Brennstoffzellensystem 42 verbunden. Das Brennstoffzellensystem 42 umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellenblöcke, die mit dem in der Umwandlungseinrichtung 36 erzeugten Wasserstoff als Brenngas versorgt werden können.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren ein Mess- und Steuerungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches in der 1 in Form einer Messeinrichtung 44 und einer Steuerungseinrichtung 46 dargestellt ist. Durch die Messeinrichtung 44 können verschiedene Prozessparameter in der Trenneinrichtung 20 und der Umwandlungseinrichtung 36 erfasst werden, wie z. B. die Temperatur und der Druck des Brennstoffs und der verschiedenen Fraktionen, die Reaktionstemperatur bei der katalytischen Dehydrierung, der Wasserstoffpartialdruck, sowie zeitliche Veränderungen dieser Parameter. Des Weiteren kann der Füllstand in dem Brennstofftank 12 sowie gegebenenfalls die Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst werden. In Abhängigkeit von den durch die Messeinrichtung 44 ermittelten Daten kann durch die Steuerungseinrichtung 46 die Verfahrensführung gesteuert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt: Der in dem Brennstofftank 12 bereitgestellte Brennstoff wird über die Brennstoffleitung 14 und das Ventil 16 der Wärmekraftmaschine 18 zugeführt. Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine 18 wird sowohl mechanische als auch thermische Energie erzeugt (angedeutet durch die Pfeile 48 und 50). Die mechanische Energie wird je nach Anwendung der Vorrichtung 10 z. B. für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs oder eines Flugzeugs genutzt.
  • Ein geringerer Anteil des Brennstoffs, typischerweise etwa 1 bis 5% der für den Betrieb der Wärmekraftmaschine benötigten Brennstoffmenge, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch das Brennstoffzellensystem 42 eingesetzt. Hierzu wird ein entsprechender Teil des Brennstoffs aus dem Brennstofftank 12 durch die Zuführungsleitung 24 der thermischen Trenneinrichtung 20 zugeführt. Durch den Filter 26 können zuvor feste Verunreinigungen in dem Brennstoff entfernt werden. Der Wärmetauscher 28 dient dazu, den Brennstoff bereits vor der Zuführung zu der thermischen Trenneinrichtung 20 auf eine vorgegebene Temperatur zu bringen, so dass das thermische Trennverfahren möglichst reproduzierbar durchgeführt werden kann. Je nach Art des eingesetzten Trennverfahrens wird der Brennstoff durch den Wärmetauscher 28 dementsprechend vorgewärmt oder vorgekühlt.
  • Sofern im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Rektifikation als thermisches Trennverfahren vorgesehen ist, wird der der thermischen Trenneinrichtung 20 zugeführte Brennstoff mit Hilfe der zweiten Heizeinrichtung 56 erhitzt und zumindest teilweise verdampft. Verschiedene Fraktionen des Brennstoffs (d. h. insbesondere verschiedene Kohlenwasserstoffe) werden mit Hilfe einer Rektifikationskolonne aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte aufgetrennt. Eine oder mehrere niedriger siedende Fraktionen, die für die Erzeugung von Wasserstoff gegenüber dem Brennstoff optimiert sind, werden als Zielfraktion abgetrennt.
  • Die Rektifikation des Brennstoffs durch die thermische Trenneinrichtung 20 kann entweder unter Normaldruck oder unter reduziertem Druck durchgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Vorrichtung 10 umfasst das thermische Trennverfahren eine fraktionierte Kristallisation des Brennstoffs. Der Brennstoff wird dabei durch eine oder mehrere Kühlelemente (in der 1 nicht gezeigt) soweit abgekühlt, dass eine oder mehrere Komponenten (d. h. insbesondere Kohlenwasserstoffe) aufgrund ihres höheren Schmelzpunktes im Vergleich zu den übrigen Komponenten auskristallisieren. Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung wird der Brennstoff zunächst in einer Vorkühleinheit abgekühlt (z. B. bis zu –40°C im Fall von Kerosin), und der vorgekühlte Brennstoff wird dann in einer Hauptkühleinheit bis zur Kristallisation weiter abgekühlt (z. B. bis zu –90°C im Fall von Kerosin). Der auskristallisierte Feststoff kann als Zielfraktion auf einfache Weise von der flüssigen Restfraktion abgetrennt und anschließend mit Hilfe der zweiten Heizeinrichtung 56 wieder aufgeschmolzen werden.
  • Bei der Durchführung der fraktionierten Kristallisation kann, insbesondere bei Einsatz der Vorrichtung 10 in einem Flugzeug, die niedrigere Außentemperatur für die Abkühlung des Brennstoffs ausgenutzt werden.
  • Die aus dem thermischen Trennverfahren resultierende Zielfraktion wird über die Zuführungsleitung 32 der Umwandlungseinrichtung 36 zugeführt. Da die Zielfraktion in Abhängigkeit von der Art des thermischen Trennverfahrens zunächst in fester, flüssiger oder gasförmiger Form anfallen kann, wird sie zuvor durch den Wärmetauscher 34 auf eine vorgegebene Temperatur gebracht, um einen effizienten und reproduzierbaren Betrieb der Umwandlungseinrichtung 36 zu begünstigen.
  • Die der Umwandlungseinrichtung 36 zugeführte Zielfraktion wird durch die Einwirkung eines geeigneten Katalysators, insbesondere eines Platin-, Chrom-, Nickel-, Palladium- oder Eisenkatalysators, unter Erzeugung von Wasserstoff dehydriert. Die Zielfraktion enthält eine oder mehrere dehydrierbare Komponenten, insbesondere aliphatische Kohlenwasserstoffe. Je nach Zusammensetzung der Zielfraktion und Art des eingesetzten Katalysators kann die Dehydrierungsreaktion bei Temperaturen im Bereich von ca. 300 bis ca. 1.000°C durchgeführt werden, wobei die erforderliche thermische Energie durch die erste Heizeinrichtung 54 zugeführt wird.
  • Der durch die Umwandlungseinrichtung 36 erzeugte Wasserstoff wird von den übrigen Produkten der Dehydrierungsreaktion abgetrennt und gegebenenfalls einer weiteren Reinigung mittels einer Reinigungseinrichtung (in der 1 nicht dargestellt) unterzogen. Er wird über das Druckregelventil 40 dem Brennstoffzellensystem 42 zur Erzeugung von elektrischer Energie (angedeutet durch den Pfeil 52) zugeleitet. Als Oxidatorgas für das Brennstoffzellensystem 42 dient Luftsauerstoff aus der Umgebung.
  • Die bei dem thermischen Trennverfahren anfallende Restfraktion des Brennstoffs sowie die bei der katalytischen Dehydrierung gebildeten Produkte werden über die Zuführungsleitung 58 bzw. 60 der Verteilungseinrichtung 62 zugeführt. Diese wird über die Steuerungseinrichtung 46 in Abhängigkeit vom Energiebedarf der Umwandlungseinrichtung 36 und der Trenneinrichtung 20 gesteuert und führt jeweils einen Teil des entsprechenden Gemisches über die Zuführungsleitungen 66 der ersten Heizeinrichtung 54 und der zweiten Heizeinrichtung 56 zu. Ein eventuell nicht benötigter Anteil der Restfraktion und der Dehydrierungsprodukte kann über die Zuführungsleitung 64 der Wärmekraftmaschine 18 zugeführt werden oder alternativ dem Brennstofftank 12 (in der 1 nicht dargestellt). Falls umgekehrt die Menge der Restfraktion und der Dehydrierungsprodukte für die Versorgung der Umwandlungseinrichtung 36 und der Trenneinrichtung 20 mit thermischer Energie nicht ausreicht, kann den Heizeinrichtungen 54 und 56 zusätzlich Brennstoff aus dem Brennstofftank 12 zugeführt werden (in der Figur ebenfalls nicht dargestellt).
  • Die Vorrichtung 10 kann sehr effizient und mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad betrieben werden, da der zum Teil erhebliche Wärmebedarf der Umwandlungseinrichtung 36 und der Trenneinrichtung 20 durch die Verbrennung der ohnehin anfallenden Restfraktion, die zur Wasserstofferzeugung nicht geeignet ist, sowie der dehydrierten Reaktionsprodukte vollständig oder zu einem überwiegenden Anteil gedeckt werden kann. Die Restfraktion und die dehydrierten Reaktionsprodukte weisen in aller Regel einen hohen Heizwert auf (bei der Rektifikation von Kerosin kann z. B. die Restfraktion einen Heizwert von ca. 41.000 kJ/kg aufweisen, also mehr als 97% des Heizwertes von Kerosin mit ca. 42.000 kJ/kg). Falls die Restfraktion vollständig für den Betrieb der Heizeinrichtungen 54 und 56 eingesetzt werden kann, was häufig der Fall ist, muss keine Rückführung in den Brennstofftank 12 oder zur Wärmekraftmaschine 18 erfolgen, so dass letztere mit einem Brennstoff mit unveränderter Zusammensetzung betrieben werden kann und damit ebenfalls einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Selbst bei Rückführung eines Teil der Restfraktion wird die Brennstoffzusammensetzung in geringerem Umfang beeinflusst als bei einer vollständigen Rückführung gemäß dem Stand der Technik.
  • Die 2 zeigt eine schematische und vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Ganzes mit 70 bezeichnet ist.
  • Die Vorrichtung 70 ist mit Ausnahme der im Folgenden beschriebenen Modifikationen entsprechend der Vorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut, wobei gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Die Vorrichtung 70 umfasst nur eine einzige Heizeinrichtung 72, durch die sowohl die Umwandlungseinrichtung 36 als auch die Trenneinrichtung 20 mit thermischer Energie versorgt werden können. Diese Versorgung erfolgt über Wärmeleitungen 74 bzw. 76.
  • Die Heizeinrichtung 72 wird betrieben mit der Restfraktion sowie den Dehydrierungsprodukten, die über die Verteilungseinrichtung 62 zugeführt werden. Die Zuführung zu der Verteilungseinrichtung 62 erfolgt über die Zuführungsleitung 58 von der Trenneinrichtung 20 (Restfraktion) und über die Zuführungsleitung 60 von der Umwandlungseinrichtung 36 (Dehydrierungsprodukte), wie dies bei der Vorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
  • Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, auf eine Verwendung der Reaktionsprodukte der Umwandlungseinrichtung 36 zur Wärmeerzeugung zu verzichten und die beiden Heizeinrichtungen 54 und 56 bzw. die einzelne Heizeinrichtung 72 nur mit der Restfraktion der Trenneinrichtung 20 (und gegebenenfalls mit Brennstoff aus dem Brennstofftank 12) zu betreiben. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei der Umwandlungseinrichtung 36 um einen Dampfreformer handelt, dessen Reaktionsprodukte (neben dem Wasserstoff) nur einen relativ geringen Heizwert aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
    12
    Brennstofftank
    14
    Brennstoffleitung
    16
    Ventil
    18
    Wärmekraftmaschine
    20
    Trenneinrichtung
    22
    Pumpe
    24
    Zuführungsleitung
    26
    Filter
    28
    Wärmetauscher
    32
    Zuführungsleitung
    34
    Wärmetauscher
    36
    Umwandlungseinrichtung
    40
    Druckregelventil
    42
    Brennstoffzellensystem
    44
    Messeinrichtung
    46
    Steuerungseinrichtung
    48
    mechanische Energie
    50
    thermische Energie
    52
    elektrischer Energie
    54
    erste Heizeinrichtung
    56
    zweite Heizeinrichtung
    58
    Zuführungsleitung
    60
    Zuführungsleitung
    62
    Verteilungseinrichtung
    64
    Zuführungsleitung
    66
    Zuführungsleitungen
    70
    Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
    72
    Heizeinrichtung
    74
    Wärmeleitung
    76
    Wärmeleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008063507 A1 [0003]

Claims (18)

  1. Vorrichtung (10; 70) zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend – eine mit dem Brennstoff betriebene Wärmekraftmaschine (18); – eine Trenneinrichtung (20), mit der der Brennstoff in eine Zielfraktion und eine Restfraktion auftrennbar ist; – eine Umwandlungseinrichtung (36), mit der aus der Zielfraktion Wasserstoff erzeugbar ist; und – ein mit dem Wasserstoff als Brenngas betriebenes Brennstoffzellensystem (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfasst: – eine mit der Restfraktion des Brennstoffs betriebene Heizeinrichtung (54; 72) zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung (36) mit thermischer Energie.
  2. Vorrichtung (10; 70) nach Anspruch 1, wobei die Heizeinrichtung (54; 72) einen Brenner umfasst.
  3. Vorrichtung (10; 70) nach Anspruch 2, wobei der Brenner mit der Umwandlungseinrichtung (36) eine strukturelle Einheit bildet.
  4. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umwandlungseinrichtung (36) eine Einrichtung zur Reformierung der Zielfraktion, insbesondere einen Dampfreformer, oder eine Einrichtung zur Dehydrierung der Zielfraktion umfasst.
  5. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trenneinrichtung (20) eine Einrichtung zur Rektifikation des Brennstoffs umfasst.
  6. Vorrichtung (10; 70) nach Anspruch 5, wobei die Zielfraktion eine oder mehrere niedriger siedende Fraktionen des Brennstoffs umfasst.
  7. Vorrichtung (10; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trenneinrichtung (20) eine Einrichtung zur fraktionierten Kristallisation des Brennstoffs umfasst.
  8. Vorrichtung (10; 70) nach Anspruch 7, wobei die Zielfraktion eine oder mehrere auskristallisierende Fraktionen des Brennstoffs umfasst.
  9. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zielfraktion einen höheren Anteil an aliphatischen Kohlenwasserstoffen aufweist als der Brennstoff.
  10. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine mit der Restfraktion des Brennstoffs betriebene Heizeinrichtung (56; 72) zur Versorgung der Trenneinrichtung (20) mit thermischer Energie.
  11. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Verteilungseinrichtung (62), mit der mindestens ein Teil der Restfraktion der Wärmekraftmaschine (18) oder einem Brennstofftank (12) zuführbar ist und mindestens ein Teil der Restfraktion einer oder mehreren Heizeinrichtungen (54, 56; 72) zur Versorgung der Umwandlungseinrichtung (36) und gegebenenfalls der Trenneinrichtung (20) mit thermischer Energie.
  12. Vorrichtung (10; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmekraftmaschine (18) einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine, insbesondere ein Strahltriebwerk, umfasst.
  13. Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie aus einem Brennstoff, umfassend: – Bereitstellen eines Brennstoffs zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine; – Auftrennen des Brennstoffs in eine Zielfraktion und eine Restfraktion; – Erzeugen von Wasserstoff aus der Zielfraktion; und – Verwenden des Wasserstoffs als Brenngas für ein Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass das die Restfraktion mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Restfraktion zur Gewinnung von thermischer Energie verbrannt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Zielfraktion zur Erzeugung von Wasserstoff reformiert, insbesondere dampfreformiert, oder dehydriert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Restfraktion mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Auftrennung des Brennstoffs verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine niedrigere Umgebungstemperatur für die Auftrennung des Brennstoffs genutzt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Restfraktion mindestens teilweise für den Betrieb der Wärmekraftmaschine verwendet wird und mindestens teilweise zur Gewinnung von thermischer Energie für die Erzeugung von Wasserstoff und gegebenenfalls für die Auftrennung des Brennstoffs.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014006430A1 (de) * 2014-05-02 2015-11-05 Hydrogenious Technologies Gmbh Verfahren zur Energieversorgung insbesondere netzferner oder mobiler Verbraucher, Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens und darin verwendbares Stoffgemisch
WO2017102285A1 (de) * 2015-12-16 2017-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur energieerzeugung sowie energieerzeugungsvorrichtung, insbesondere für mobile anwendungen
DE102017201454A1 (de) 2017-01-30 2018-08-02 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoffgas

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007060512A1 (de) * 2007-12-13 2009-06-18 Eads Deutschland Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen
WO2009101715A1 (ja) * 2008-02-13 2009-08-20 Hrein Energy, Inc. 内燃機関用水素供給装置および内燃機関の運転方法
DE102008063507A1 (de) 2008-12-11 2010-06-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006013037B4 (de) * 2006-03-20 2009-10-15 Airbus Deutschland Gmbh Vorrichtung, Verfahren und System zur Gewinnung von thermischer und/oder kinetischer sowie elektrischer Energie

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007060512A1 (de) * 2007-12-13 2009-06-18 Eads Deutschland Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen
WO2009101715A1 (ja) * 2008-02-13 2009-08-20 Hrein Energy, Inc. 内燃機関用水素供給装置および内燃機関の運転方法
DE102008063507A1 (de) 2008-12-11 2010-06-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014006430A1 (de) * 2014-05-02 2015-11-05 Hydrogenious Technologies Gmbh Verfahren zur Energieversorgung insbesondere netzferner oder mobiler Verbraucher, Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens und darin verwendbares Stoffgemisch
WO2017102285A1 (de) * 2015-12-16 2017-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur energieerzeugung sowie energieerzeugungsvorrichtung, insbesondere für mobile anwendungen
US10840529B2 (en) 2015-12-16 2020-11-17 Siemens Aktiengesellschaft Method for generating energy and energy generation device for mobile applications
DE102017201454A1 (de) 2017-01-30 2018-08-02 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoffgas

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