DE102012006312A1

DE102012006312A1 - Verfahren zur Speicherung und Nutzung von Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102012006312A1
Application number: DE201210006312
Authority: DE
Inventors: Thorsten Weiss
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Nutzung von Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie in Wärmeenergie überführt und in einem thermochemischen Wärmespeicherelement gespeichert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das verwendete thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement, umfassend – ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und – ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Speichermedium ein Zeolith und das Arbeitsmedium Wasser. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches ein thermochemisches Wärmespeicherelement, insbe-sondere ein Adsorptionsspeicherelement wie oben definiert, umfasst.

Description

Hintergrund
Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ohne Hybrid-technik wird die gewonnene Lage/Bewegungsenergie, z. B. bei Bergabfahrt, entweder über eine verschleißfreie Bremse wie ein Retarder oder über die Betriebsbremse in Wärme umgewandelt und abgeleitet. Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen besteht die Möglichkeit, die gewonnene Energie bei Bergabfahrt bzw. beim Bremsen zu speichern. Dies wird heute durch Laden eines elektrischen Energiespeichers wie Akku oder Power-Cap realisiert.
Wenn die Bergabfahrt aber die Zeit überschreitet, die benötigt wird, um den Akku zu laden, dieser also voll ist, so muss die Energie vernichtet werden oder sie bleibt ungenutzt. Oftmals wird der Akku aber auch aufgrund der Verlängerung der Lebens-dauer nicht vollständig geladen, was die verfügbare Kapazität verringert, aber die Lebensdauer des Akkus erhöht. In Nutz-fahrzeugen wird die überschüssige Energie durch Bremswiderstände (bei seriellen Hybriden), die Betriebsbremse oder Retarder (nur bei parallelen Hybriden) abgebaut. Der Einsatz eines elektrischen Energiespeichers mit höherer Kapazität würde den Kostenrahmen sprengen und auch höheres Gewicht bedeuten.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines alternativen bzw. zusätzlichen Energiespeichers, der diese verbleibende Energie über eine längere Zeit speichern und in anderen Fahrsituationen zur Verfügung stellen kann. Dies würde zu einer erheblichen Kraftstoffersparnis und ökologischen Vorteilen führen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Bereitstellung des Verfahrens zur Speicherung von Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 und des Kraftfahrzeugs nach Anspruch 10. Speziellere oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von Bewegungs-energie eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie in Wärmeenergie überführt und in einem thermochemischen Wärmespeicherelement gespeichert wird. Dabei wird die Energie nicht in Form von elektrischer Energie, sondern in Form einer Art von struktureller Energie gespeichert.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäß verwendete thermo-chemische Wärmespeicherelement jedes im Stand der Technik bekannte thermochemische Wärmespeicherelement sein.
Thermochemische Wärmespeicher speichern Wärme mittels reversibler chemischer oder physikalischer Prozesse. Durch endotherme chemische oder physikalische Reaktionen wird Energie gespeichert und durch exotherme Reaktionen wieder abgegeben.
Thermochemische Speicher haben nach heutigen Erkenntnissen eine Lebensdauer von vielen Jahren, insbesondere in geschlossenen Kreisläufen.
Zwei prinzipielle Typen sind Speicher, bei denen reversible chemische Reaktionen genutzt werden, und Sorptionsspeicher, bei denen Ab/Adsorptions- und Desorptionsvorgänge auf einem Speichermedium genutzt werden. Obwohl dabei keine chemischen Reaktionen im engeren Sinne ablaufen, hat sich der Oberbegriff „thermochemischer Speicher” auch für diesen Speichertyp etabliert und soll deshalb auch hier im Folgenden verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das verwendete thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement, umfassend

– ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und
– ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann.

Als Speichermedium bzw. Adsorptionsmittel kann grundsätzlich jedes im Stand der Technik für diesen Zweck bekannte Material verwendet werden.
Bei dem Speichermedium bzw. Adsorptionsmittel handelt es sich typischerweise um ein hochporöses Material mit großer innerer Oberfläche. Das Material kann beispielsweise in Form eines Granulats vorliegen.
Vorzugsweise ist das Speichermedium aus der Gruppe aus Aktiv-kohle, Tonmineralien, z. B. Bentonit, Metalloxiden, Silikaten, (typischerweise kristallinen) Alumosilikaten, insbesondere Zeolithen, und Silicagelen ausgewählt.
Das Arbeitsmedium kann grundsätzlich jedes Material sein, das an das verwendete Speichermedium reversibel binden kann.
Bekannte Arbeitsmedien sind beispielsweise Wasser, Ammoniak etc. Aus praktischen Gründen (nicht-toxisch, billig, leicht hand-habbar) ist in der Regel Wasser bevorzugt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Speichermedium ein Zeolith und das Arbeitsmedium Wasser.
Bei der Wärmenergie, die in dem thermochemischen Wärme-speicherelement gespeichert wird, kann es sich um die Abwärme aus Retardern, die Motorwärme des Kraftfahrzeugs oder die mittels einer elektrischen Heizvorrichtung erzeugte Wärme handeln.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegungsenergie zuerst als elektrische Energie gespeichert und die elektrische Energie dann in Wärmeenergie überführt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Nutzung der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bewegungsenergie oder elektrische Energie, die gemäß einem obigen Verfahren in einem thermochemischen Wärmespeicher-element gespeichert wurde, zu einem gewünschten Zeitpunkt als Wärmeenergie freigesetzt wird.
In einer spezielleren Ausführungsform dieses Verfahrens ist das thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptions-speicherelement, umfassend

– ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und
– ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann, wobei während der Fahrt dem Speichermedium Wärme zugeführt und somit Arbeitsmedium von der Oberfläche des Speichermediums desorbiert wird und zu einem gewünschten Zeitpunkt, z. B. im Stand, das Speichermedium mit Arbeitsmedium kontaktiert wird, wodurch das Arbeitsmedium adsorbiert und Wärme freigesetzt wird, und wobei die freigesetzte Wärme über einen Wärmetauscher an die Luft im Fahrzeug abgegeben wird.

Das Arbeitsmedium wird vorzugsweise als Gas, Dampf oder Aerosol mit dem Speichermedium kontaktiert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das ein thermochemisches Wärmespeicherelement umfasst.
Vorzugsweise ist das thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement, umfassend

Typischerweise ist dieses Speichermedium aus der Gruppe aus Aktivkohle, Metalloxiden, Tonmineralien, z. B. Bentonit, Silikaten, Alumosilikaten, insbesondere Zeolithen, und Silicagelen ausgewählt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Speichermedium ein Zeolith und das Arbeitsmedium Wasser.
Das Kraftfahrzeug kann einen Verbrennungsmotor, Elektromotor oder Hybridantrieb aufweisen.
Wie bereits oben erwähnt, kann bei der vorliegenden Erfindung die Abwärme aus Retardern oder überschüssige elektrische Energie aus Rekuperationsphasen oder auch einfach die Motorabwärme genutzt. Die Energie kann dann dem Innenraum als Heizung oder sonstigen Quellen zugeordnet werden. Zusatzheizungen, wie sie in Bussen oftmals verwendet werden muss, können dann seltener oder gar nicht mehr betrieben werden, was große Mengen an Kraftstoff vor allem im Winter sparen kann. Das System wäre für den Einsatz in Bussen also besonders gut geeignet.
Die Erfindung kann sowohl in konventionellen Kraftfahrzeugen, insbesondere Bussen und LKW, als auch in Hybrid- und Elektro-Kfz eingesetzt werden.
Denkbar wäre zudem, das Speichermedium des thermochemischen Wärmespeichers mit Solarenergie/regenerativen Energien zu trocknen, d. h. das Arbeitsmedium zu desorbieren, wenn das Fahrzeug steht, und während der Fahrt diese Wärme wieder abzugeben und so eine Heizung für die Fahrt bereit zu stellen. Die Heizenergie müsste dann nicht aus der Batterie eines Elektrofahrzeugs entnommen werden. Da die Heizung im PKW/LKW einige KW an Leistung benötigt, kann die Reichweite signifikant erhöht werden. Das System kann autonom in einem geschlossenen System mit akzeptablem Gewicht realisiert werden und kann wartungsfrei ausgelegt werden.
Die Erfindung kann signifikante Kraftstoffeinsparungen nach sich ziehen, vor allem bei elektrifizierten Fahrzeugen (PKW, aber auch LKW im Verteiler-Betrieb) und Fahrzeugen mit Range-Extendern deren Reichweite erhöhen. Man kann also eine Art Doppel-Hybridisierung realisieren, die einerseits elektrische Energie aus Batterien zum Fahren und Wärmeenergie zum Heizen aus dem Speichermedium oder anderen Anwendungen, bei denen gezielt Wärme abgegeben werden soll, bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung ist auch unter ökologischen Gesichtspunkten sehr vorteilhaft.
Bekanntlich sind Lithium-Ionen Akkus (Li-Ion-Akku) aufgrund des enormen Energiebedarfs zur Herstellung, Entsorgung und Recycling der Akkus mit großen ökologischen Belastungen verbunden.
Die Rekuperation in Power-Caps, deren Herstellung deutlich umweltschonender ist, ist daher sinnvoll. Die Kapazität von Power-Caps ist jedoch deutlich geringer als bei herkömmlichen Li-Ion-Akkus. Die Rekuperation von Energie in einen zweiten thermochemischen Speicher kann die Effizienz des Gesamtsystems deutlich erhöhen. Thermochemische Speicher wie Zeolithe sind zudem ungiftig, kostengünstig in der Anschaffung und die Entsorgung und Herstellung ist einfach, da die Stoffe ungiftig sind. Die ökologische Belastung wäre also in einem Hybriden mit Power-Caps und thermochemischen Speichern signifikant kleiner als bei Li-Ionen basierten Systemen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäß verwendeten thermochemischen Wärmespeichers mit Wasser als Arbeitsmedium und einem elektrischen Wärmetauscher.
2 zeigt eine Variante des in 1 gezeigten thermo-chemischen Wärmespeichers, wobei ein Wärmetauscher mit direkter Wärmekopplung mit Wasser verwendet wird.
3 zeigt schematisch die Hauptphasen bei der Speicherung und Nutzung der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BEISPIEL 1
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung und Nutzung der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs wird ein thermochemischer Wärmespeicher wie in 1 dargestellt verwendet.
Wesentliche Elemente dieses Wärmespeichers bzw. von damit verbundenen Komponenten sind in 1 wie folgt dargestellt.
1: Wasserzufuhr zur Kontaktierung mit dem Speicherelement (beispielsweise als Sprühnebel)
2: Thermochemischer Wärmespeicher (beispielsweise mit Zeolith als Speichermedium)
3: elektrischer Wärmetauscher
4: Vorrichtung zum Auffangen von desorbiertem Wasser, das aus dem thermochemischen Speicher entnommen wird
5: Einlagerung (Adsorption) von Wasser erhitzt den thermochemischen Speicher
6: Gebläse zum Entfernen des Wassers, Erzeugung eines Luftstroms durch das Speichermedium (z. B. in Form eines Granulats)
7: optionaler Wasserkreislauf
Diese Ausführungsform unter Verwendung eines elektrischen Wärmetauschers ist besonders für Kraftfahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb bevorzugt, jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt, da auch Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungs-motoren mit elektrischen Speicherelementen wie Batterien zur (vorübergehenden) Speicherung der Bewegungsenergie ausgerüstet werden können und diese elektrische Energie dann für den Betrieb des elektrischen Wärmetauscher zur Erhitzung des thermochemischen Wärmespeichers verwendet werden kann. In 3 sind schematisch die Hauptphasen bei der Speicherung und Nutzung der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Dabei bedeutet
1: Phase 1: Bergabfahrt (Generatorbetrieb), Batterie wird geladen
2: Phase 2: thermochemischer Speicher wird elektrisch geladen
3: Phase 3: Heizen des Innenraums, Zusatzheizung entbehrlich
BEISPIEL 2
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung und Nutzung der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs wird ein thermochemischer Wärmespeicher wie in 2 dargestellt verwendet.
Wesentliche Elemente dieses Wärmespeichers bzw. von damit verbundenen Komponenten sind in 2 wie folgt dargestellt.
1: Wasserzufuhr zur Kontaktierung mit dem Speicherelement (beispielsweise als Sprühnebel)
2: Thermochemischer Wärmespeicher (beispielsweise mit Zeolith als Speichermedium)
3: Wärmetauscher durch direkte Wärmekopplung mit Wasser
4: Vorrichtung zum Auffangen von desorbiertem Wasser, das aus dem thermochemischen Speicher entnommen wird
5: Einlagerung (Adsorption) von Wasser erhitzt den thermochemischen Speicher
6: Gebläse zum Entfernen des Wassers, Erzeugung eines Luftstroms durch das Speichermedium (z. B. in Form eines Granulats)
7: optionaler Wasserkreislauf
8: heißes Wasser (z. B. aus Motor)
9: Kälteres Wasser (in Kühlkreislauf/Motor)
Diese Ausführungsform unter Verwendung eines Wärmetauschers mit direkter Wärmekopplung mit Arbeitsmedium (z. B. Wasser) ist besonders für Kraftfahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungs-motoren geeignet, jedoch keineswegs darauf beschränkt.

Claims

Verfahren zur Speicherung von Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie in Wärmeenergie überführt und in einem thermochemischen Wärmespeicherelement gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement ist, umfassend – ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und – ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium aus der Gruppe aus Tonmineralien, Metalloxiden, Silikaten, Alumosilikaten, insbesondere Zeolithen, und Silicagelen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ein Zeolith ist, und das Arbeitsmedium Wasser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie zuerst als elektrische Energie gespeichert und die elektrische Energie dann in Wärmeenergie überführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmenergie, die in dem thermochemischen Wärmespeicherelement gespeichert wird, um die Abwärme aus Retardern, die Motorwärme des Kraftfahrzeugs oder die mittels einer elektrischen Heizvorrichtung erzeugte Wärme handelt.
Verfahren zur Speicherung und Nutzung der Bewegungs-energie eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6 in einem thermochemischen Wärmespeicherelement gespeichert wurde, zu einem gewünschten Zeitpunkt als Wärmeenergie freigesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement ist, umfassend – ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und – ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann, wobei während der Fahrt dem Speichermedium Wärme zugeführt und somit Arbeitsmedium von der Oberfläche des Speichermediums desorbiert wird und im Stand das Speichermedium mit Arbeitsmedium kontaktiert wird, wodurch das Arbeitsmedium adsorbiert und Wärme freigesetzt wird, und wobei die freigesetzte Wärme über einen Wärmetauscher an die Luft im Fahrzeug abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium als Gas, Dampf oder Aerosol mit dem Speichermedium kontaktiert wird.
Kraftfahrzeug, umfassend ein thermochemisches Wärmespeicherelement.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermochemische Wärmespeicherelement ein Adsorptionsspeicherelement ist, umfassend – ein Speichermedium, welches ein Adsorptionsmittel ist, das andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren kann, und – ein Arbeitsmedium, welches von dem Adsorptionsmittel adsorbiert/desorbiert werden kann.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium aus der Gruppe aus Ton-mineralien, Metalloxiden, Silikaten, Alumosilikaten, insbesondere Zeolithen, und Silicagelen ausgewählt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ein Zeolith ist, und das Arbeitsmedium Wasser.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, das es sich um ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein Bus oder Lkw, handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9 oder Kraft-fahrzeug nach einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, Elektromotor oder Hybridantrieb aufweist.