DE102014223530A1

DE102014223530A1 - Wasserstoff-Rekuperation für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102014223530A1
Application number: DE102014223530.8A
Authority: DE
Inventors: Guenter Reitemann; Gerhard Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US20170320393A1; CN107107910A; WO2016078802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug mit einem Motor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb des Fahrzeuges gewonnene mechanische Energie M a) in einem ersten Schritt mit Hilfe eines Generators (2) in elektrische Energie E umgewandelt wird, die b) in einem zweiten Schritt in einem Zwischenenergiespeicher (3) gespeichert wird und die gespeicherte elektrische Energie E c) in einem dritten Schritt an ein Elektrolysemodul (4) abgeführt wird, welches die elektrische Energie E d) in einem vierten Schritt zumindest durch Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in chemische Energie C umwandelt, und diese e) in einem fünften Schritt in einen Gastank (5) des Fahrzeuges zur Zwischenspeicherung geführt wird und/oder dem Motor (1) und/oder einer Brennstoffzelle (10) des Fahrzeuges zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug mit einem Motor gemäß Anspruch 1 sowie ein mobiles System zur Umwandlung von mechanischer Energie M über elektrische Energie E in chemische Energie C gemäß Anspruch 9.
Stand der Technik
Bei heutigen Fahrzeugen – beispielsweise in Personenkraftwagen oder Nutzkraftwagen – ist es bekannt, die Bremsenergie in Form von elektrischer Energie zurückzugewinnen. Dieses Verfahren wird Rekuperation genannt. Dabei kommt in der Regel eine Batterie als Energiespeicher zum Einsatz. Zudem sind Ansätze für die Energeispeicherung bekannt, bei denen ein Hydraulik- oder Druckluftsystem verwendet wird. Entsprechend sind bereits zwei unterschiedliche Energiespeicherformen für Fahrzeuge bekannt, nämlich einmal ein chemischer Speicher in Form eines Kraftstofftanks, das heißt einen üblicherweise im Fahrzeug verbauten Benzin- oder Gastank und je nach Ausführung zusätzlich ein elektrischer Speicher in Form einer Batterie oder eines Druckspeichers. Bei der Rückgewinnung der Bremsenergie in elektrische Energie, die in einer Batterie zwischengespeichert wird, ist es nachteilig, dass die beim Bremsen durch Rekuperation kurzzeitig anfallende hohe mechanische Leistung, die in elektrische Energie gewandelt wird, von der Batterie aufgenommen werden muss. Das bedeutet, dass die Batterie oder ganz allgemein der Speicher eine hohe Leistungsdichte aufweisen muss und andererseits, beispielsweise bei längeren Talfahrten die Leistung nicht so hoch ist, weshalb dementsprechend der Speicher mehr Energie aufnehmen muss, das heißt, dieser eine hohe Energiedichte aufweisen muss. Zusätzlich bedarf es einer hohen Zyklenfestigkeit des Speichers, damit dieser nicht im Betrieb des Fahrzeuges über eine längere Nutzungsdauer zu sehr an Kapazität verliert. Jedoch ist derzeit eine gleichzeitige Optimierung für Leistungs- und Energiedichte eines Speichers nicht möglich. Daher muss derzeit immer ein Kompromiss eingegangen werden, sodass der Speicher entweder eine hohe Leistungsdichte oder aber eine hohe Energiedichte aufweist. Bei den derzeit bekannten hochleistungsfähigen elektrischen Speichern, die eine hohe Zyklenfestigkeit aufweisen, handelt es sich bevorzugt um Lithium-Ionen-Akkus, deren Kosten sehr hoch sind.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, zumindest einen der voranstehend beschriebenen Nachteile bei der Speicherung von aus Bremsenergie gewonnenerer Energie zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Speichern der beim Bremsen eines Fahrzeuges durch Rekuperation in elektrische Energie umgewandelte mechanische Leistung sowie ein mobiles System zur Umwandlung von mechanischer Energie bereitzustellen, welche eine Trennung von Leistungs- und Energiespeicher vorsehen und in kostengünstiger Weise die Rückgewinnung der Bremsenergie und deren Speicherung ermöglichen. Optional ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den CO₂-Ausstoß und den primären Brennstoffverbrauch bei gleichzeitiger Minimierung der Systemkosten zu reduzieren.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug mit einem Motor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 sowie durch ein mobiles System zur Umwandlung von mechanischer Energie M über elektrische Energie E in chemische Energie C mit den Merkmalen des unabhänigen Anspruches 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mobilen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, beziehungsweise werden kann.
In einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug mit einem Motor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb des Fahrzeuges gewonnene mechanische Energie M in chemische Energie C ungewandelt wird, die folgenden Verfahrensschritte auf:
a) in einem ersten Schritt wird mithilfe eines Generators die mechanische Energie M in elektrische Energie E umgewandelt. In einem darauf folgenden zweiten Schritt
b) wird die elektrische Energie E in einem Zwischenenergiespeicher gespeichert und die gespeicherte elektrische Energie E in einem dritten Schritt
c) an ein Elektrolysemodul abgeführt, welches die elektrische Energie E in einem vierten Schritt
d) zumindest durch Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in chemische Energie C umwandelt, und diese
a) in einem fünften Schritt in einen Gastank des Fahrzeuges zur Zwischenspeicherung geführt wird und/oder dem Motor und/oder einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges zugeführt wird.
Erfindungsgemäß kann die Kapazität eines üblichen Leistungsspeichers verringert werden, indem dieser die beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb aus mechanischer Energie M in elektrische Energie E umgewandelte Energie als Zwischenenergiespeicher zwischenspeichert, der die elektrische Energie E vorzugsweise nicht an einen Elektromotor oder an das Bordnetz des Fahrzeuges abgibt. Vielmehr wird erfindungsgemäß die elektrische Energie E dazu genutzt, in einem Elektrolysemodul, Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, das heißt in chemische Energie C umzuwandeln und diese in einem chemischen Energispeicher zu speichern. Dadurch, dass die in chemische Energie C umgewandelte elektrische Energie E beispielsweise als brennbares Gas (z. B. in Form von Wasserstoff, Methan oder Sauerstoff) einem Motor, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise einem Otto-Motor, oder aber auch wenigstens einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges zur Verfügung steht, läßt sich deutlich die von außen benötigte Energie einsparen bzw. reduzieren. Bei dem Verbrennungsmotor, der im Rahmen der Erfindung auch nur allgemein als „Motor“ bezeichnet wird, wird das brennbare Gas durch Verbrennung direkt in mechanische Energie umgewandelt. Die Kombination Brennstoffzelle mit zumindest einem nachgeschalteten Elektromotor oder Generator wird im Rahmen der Erfindung ebenfalls allgemein als „Motor“ betrachtet, wobei das brennbare Gas zunächst in elektrische Energie durch zumindest ein Brennstoffzelle und diese durch wenigstens einen Elektromotor oder Generator in mechanische Energie umgewandelt wird.
Bei einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug kann die aus der elektrischen Energie E gewonnene chemische Energie C, d. h. die Produkte aus der Elektrolyse von Wasser unter Verwendung der aus der mechanischen Energie M gewonnenen Energie E einer Brennstoffzelle zugeführt werden, welche beispielsweise den bei der Elektrolyse von Wasser gewonnen Wasserstoff mit Sauerstoff, der entweder aus der Elektrolyse oder aus der Umgebungsluft stammt, unter Gewinnung von elektrischer Energie D zu Wasser umsetzt. Insofern bietet sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen mobilen System der Vorteil, dass kein zusätzlicher Energiespeicher beispielsweise in Form einer Traktionsbatterie notwendig wird, die viel Bauraum und zusätzliches Gewicht im Fahrzeug einnehmen würde. Zudem kann durch das Verbrennen der bei der Elektrolyse aus der elektrischen Energie E gewonnen chemischen Energie C, beispielsweise in Form von Wasserstoff, der dem Motor zugeführt wird, der CO₂-Ausstoß durch Reduzierung des Treib- bzw. Brennstoffes verringert werden. Darüber hinaus können die Kosten für einen hochleistungsfähigen elektrischen Speicher, z. B. für ein Lithium-Ionen-Akku vermieden werden, da die elektrische Energie E erfindungsgemäß in chemische Energie C umgewandelt wird, beispielsweise in Wasserstoff in Gasform, wobei dieser in einem Gastank, vorzugsweise in einem bereits in dem Fahrzeug vorhandenen Gastank, zwischenspeicherbar ist, wodurch die Systemkosten minimiert werden können. Zudem ist die chemische Energiedichte und damit der Baumraumbedarf eines Speichers für chemische Energie gegenüber eines elektrischen Speichers mit hoher Energiedichte deutlich optimaler. Auch kann der elektrische Leistungsspeicher auf einen deutlich kleiner dimensionierten Kurzzeit-Zwischenspeicher (z. B. einen Double Layer Capacitor) reduziert werden, der kleiner und günstiger als eine übliche Traktionsbatterie ist.
Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zur Umwandlung von mechanischer Energie M in chemische Energie C und das erfindungsgemäße mobile System zur Umwandlung von mechanischer Energie M über elektrische Energie E in chemische Energie C in einem gasbetriebenen Fahrzeug, welches beispielsweise mit Autogas oder Erdgas betrieben wird, eingesetzt werden. Die Vorteile, die sich dafür bieten, liegen auf der Hand, da nämlich die gasbetriebenen Fahrzeuge bereits einen Gastank aufweisen, der die über die Elektrolyse aus elektrischer Energie E umgesetzte chemische Energie C speichern kann. Somit kann die beim Bremsen oder im Schubbetrieb des Fahrzeuges anfallende mechanische Energie M mithilfe eines Generators, zum Beispiel in einem SuperCap-Kondensator, der als Zwischenleistungsspeicher dient, zwischengespeichert werden, um dann in Form von chemischer Energie C, die mittels der Elektrolyse unter Verwendung der elektrischen Energie E aus der elektrischen Energie E umgewandelt wird, in dem Gastank zur weiteren Verbennung durch den Motor zwischengespeichert werden.
In vorteilhafter Weise kann zur Erhöhung der Leistungsdichte des Zwischenenergiespeichers auch eine höhere Systemspannung (vom mobilen System) und/oder Bordnetzspannung im Fahrzeug angelegt werden, die gegenüber der üblichen Bordnetzspannung von 12 Volt für PKWs auf zumindest 24 Volt oder 48 Volt und gegenüber der üblichen Bordnetzspannung von 24 Volt für LKWs auf zumindest 48 Volt erhöht ist. Auch kann eine Systemspannung (vom mobilen System) und/oder Bordnetzspannung im Fahrzeug größer als 48 V angelegt werden, um in vorteilhafter Weise die Leistungsdichte des Zwischenenergiespeichers weiter zu optimieren.
In vorteilhafterweise kann die mithilfe der elektrischen Energie E aus dem Leistungsspeicher über die Elektrolyse im Elektrolysemodul Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt werden, wobei der Wasserstoff in vorteilhafter Weise in einen Gastank bzw. Brennstofftank oder in den bei gasbetriebenen Fahrzeugen bereits vorhandenen Gastank in verdichteter Form gepumpt wird oder optional direkt dem Motor oder der Brennstoffzelle des Fahrzeuges zugeführt wird. Zum Verdichten des Wasserstoffs bzw. des Sauerstoffs oder gegebenenfalls des in einem Reaktormodul umgesetzten Kohlenmoxoids oder Kohelendioxids zu Methan (was nachfolgend noch ausführlich beschrieben ist) eignet sich dabei in bevorzugter Weise ein Verdichter. Um dabei die durch die Rekuperation zurückgewonnene Energie nicht wieder für den Antrieb des Verdichters zu verlieren, kann dieser bevorzugt über die Abgase des Motors, beispielsweise in Form eines Turboladers, angetrieben werden. Natürlich kann die aus der mechanischen Energie M umgewandelte elektrische Energie E aber auch teilweise dafür genutzt werden, um den Verdichter elektrisch anzutreiben.
Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem mobilen System von Vorteil, dass durch den Wasserstoffanteil, beziehungsweise durch den Sauerstoffanteil, der dem Verbrennungsmotor als Brenngas zugeführt werden kann, der zu tankende (und zu kaufende, von aussen zu zuführende) Treibstoff, beispielweise das Autogas oder das Erdgas reduziert werden kann, wobei sich die CO₂-Emission des Motors durch Reduzierung des Treibstoffes insgesamt reduzieren lässt.
In vorteilhafter Weise stammt das für die Elektrolyse notwendige Wasser aus einem Wasserzusatztank und/oder kann über eine Abgasaufbereitung aus dem Abgas des Motors oder als Produkt der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden.
Die in Form von Wasserstoff und Sauerstoff mittels der Elektrolyse umgewandelte Energie C kann wie bereits beschrieben auch einer Brennstoffzelle zugeführt werden, die unter Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, die dabei gewonnene elektrische Energie D beispielsweise dem Bordnetz des Fahrzeuges zur Verfügung stellt.
Wie zuvor beschrieben, kann das Verfahren vorteilhaft dahingehend weitergebildet werden, dass der bei der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff mit dem in den Abgasen vom Verbrennungsmotor ausgestoßenem Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid in einem Reaktormodul zu Methan reagiert, welches in den Gastank geführt und von dort dem Motor zur Verfügung gestellt wird, wodurch sich die Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidbilanz des Motors weiter verbessern lässt.
Das aus den Abgasen vom Verbrennungsmotor ausgestoßene Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid kann aber alternativ oder in ergänzender Weise zu dem Einführen in den Verbrennungsmotor auch als Anodengas einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer Schmelzkarbonat- oder Festoxidbrennstoffzelle zugeführt werden.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein mobiles System zur Umwandlung von mechanischer Energie M über elektrische Energie E in chemische Energie C, welches insbesondere unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus mechanischer Energie M die gewonnene elektrische Energie E in chemische Energie C umwandelt und welches mit einem Motorsystem eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, verbunden ist, umfassend einen Wassertank, ein zumindest mit dem Wassertank verbundenes Elektrolysemodul, dem aus einem Zwischenenergiespeicher des Motorsystems elektrische Energie zugeführt wird und einen Verdichter, der zumindest mit einem Gastank des Motorsystems verbunden ist, um zumindest den in dem Elektrolysemodul aus dem Wasser umgesetzten Wasserstoff vor Einleitung in den Gastank zu verdichten.
Das mobile System ist insbesondere fluidtechnisch, elektronisch, mechanisch und/oder steuerungstechnisch mit dem Motorsystem und/oder dem Brennstoffzellensystem des Fahrzeuges verbunden.
Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen mobilen Systems zur Umwandlung von mechanischer Energie M über elektrische Energie E in chemische Energie C zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Sämtliche Vorteile, die zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße mobile System.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße mobile System, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet und seine Weiterbildungen sowie dessen Vorteile werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Es zeigt:
1 Ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Betreiben eines mobilen Systems, d. h. eines mobilen Rekuperationssystems, welches in einem mobilen Motorsystem und/oder einem mobilen Brennstoffzellensystem arbeitet. Die wesentlichen Elemente des Motor- bzw. Brennstoffzellensystems liegen in der Darstellung der 1 links von der Linie A-A. Die Elemente, die das erfindungsgemäße Verfahren 100 in Verbindung mit den Elementen des Motor- bzw. Brennstoffzellensystems ermöglichen, liegen in der Darstellung in der 1 rechts von der Linie A-A. Die Pfeile mit den unterbrochenen Linien, beziehungsweise das mit den unterbrochenen Linien dargestellte Reaktormodul 14 stellen optionale Verbindungen beziehungsweise ein optionales Modul dar oder können als Alternativen zu den mit den durchgezogenen Linien dargestellten Elementen und Verbindungen dienen.
Das dargestellte Verfahren 100 dient zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug, das heißt in einem mobilen System mit einem Motor 1 und/oder einer Brennstoffzelle 10. Bei dem Verfahren 100 wird die beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb des Fahrzeuges gewonnene Energie M in einem ersten Schritt a) mithilfe eines Generators 2 in elektrische Energie E umgewandelt. Dabei wird die mechanische Energie M entweder von dem Motor 1, beispielsweise über die als Generator 2 wirkende Lichtmaschine oder aber beim Bremsvorgang über ein Rad 16 des Fahrzeuges und einem mit dem Rad verbundenen Generator 2, beispielsweise einem Motor, durch Rekuperation in elektrische Energie E umgewandelt. Die elektrische Energie E wird in einem zweiten Schritt b) in einem Zwischenenergiespeicher 3 gespeichert oder optional einem Verdichter 6 zugeführt. Dabei können der Generator 2 und der Zwischenenergiespeicher 3 selbstverständlich auch mit dem Bordnetz 15 des Fahrzeuges oder aber mit anderen elektrischen Verbrauchern des Fahrzeuges verbunden sein. In einem dritten Schritt c) wird die aus der mechanischen Energie M über den Generator 2 gewandelte elektrische Energie B, das heißt die Rekuperationsenergie an ein Elektrolysemodul 4 abgeführt. Das Elektrolysemodul 4 dient dazu, unter Aufwendung der elektrischen Energie E Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) umzuwandeln. Die durch Spaltung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff gewonnene chemische Energie C wird in Form von Wasserstoff dem Verdichter 6 zugeführt, der den Wasserstoff in einem optionalen fünften Schritt e) verdichtet und diesen in einen Gastank 5 des Fahrzeuges zur Zwischenspeicherung pumpt.
Alternativ kann die in Form von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnene chemische Energie C direkt dem Motor 1, beispielsweise einem Verbrennungsmotor oder der Brennstoffzelle 10 des Fahrzeuges als Brenngas zugeführt werden. Der dem Motor 1 zugeführte Wasserstoffanteil, bzw. Sauerstoffanteil reduziert dabei den Verbrauch, d. h. die Menge des zu verbrennenden Treibstoffes und dadurch die CO₂-Emissionen des beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgestalteten Motors 1. Die aus der Elektrolyse stammende chemische Energie C kann aber auch der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden, die die chemische Energie C unter Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstsoff zu Wasser in elektrische Energie D umwandelt. Die elektrische Energie D kann dann beispielsweise dem Bordnetz 15 des Fahrzeuges zugeführt werden.
Das für die Elektroyse notwendige Wasser kann aus einem Wassertank 7 stammen oder kann alternativ über eine Abgasaufbereitung 12 aus den Abgasen 11 des Motors 1 oder aus der Reaktion des Wassestoffs mit dem Sauerstoff zu Wasser aus der Brennstoffzelle 10 stammen. Um jedoch immer ausreichend Wasser dem Elektrolysemodul 4 zur Verfügung stellen zu können, ist es von Vorteil, den Wassertank 7 als Zwischenspeicher zwischen der Abgasaufbereitung 12 und/oder der Brennstoffzelle 10 und dem Elektrolysemodul 4 anzuordnen. Andererseits kann auf den Wasserspeicher 7 verzichtet werden, wenn sichergestellt werden kann, dass immer ausreichend Wasser aus der Abgasaufbereitung 12, das heißt aus den Abgasen 11 des Motors 1 oder der Brennstoffzelle 10 dem Elektrolysemodul 4 zur Umsetzung der elektrischen Energie E in chemische Energie C zur Verfügung steht.
Neben der Aufbereitung der Abgase 11 durch die Abgasaufbereitung 12 zu Wasser, kann auch alternativ Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) aus den Abgasen 11 optional einem Reaktormodul 14 zugeführt werden, in dem das Kohlenmonoxid beziehungsweise das Kohlendioxid in einer Methanisierungsreaktion mit dem unter Spaltung von Wasser in dem Elektrolysmodul 4 gewonnenen Wasserstoff zu Methan (CH4) und Wasser reagiert. Das bei der Methanisierungsreaktion in dem Reaktormodul 14 erhaltende Methan kann wie zuvor auch für den Wasserstoff beschrieben als chemische Energie C über den Verdichter 6 verdichtet dem Gastank 5 des Fahrzeuges zugeführt werden oder als Anodengas der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden. Das bei der Methanisierungsaktion gewonnene Wasser kann alternativ dem Elektrolysemodul 4 zur Elektrolyse, das heißt zur Umwandlung der elektrischen Energie E in chemische Energie C dienen. Abgasinhaltsstoffe und Substanzen, die nicht über die Abgasaufbereitung 12 aufbereitet und in das System zurückgeführt werden, werden über einen Auspuff 13 aus dem System geleitet.
Das über den Verdichter 6 in den Gastank 5 eingeführte Wasserstoffgas, beziehungsweise das Methan, wird dem Motor 1 in Form von chemischer Energie C zur Verfügung gestellt, das heißt, als Brenngasanteil in dem Motor 1 verbrannt oder als Reaktionsgas der Brennstoffzelle 10 zur Verfügung gestellt.
Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren 100 neben der verbesserten Energiebilanz auch eine bessere Schadstoffbilanz, nämlich eine Verringerung der CO₂-Emission des Motors 1, da das Verbrennungsgas, beispielsweise das Erd- oder Autogas, zusätzlich reduziert werden kann. Und zusätzlich lässt sich das in den Abgasen 11 enthaltene Kohlenmonoxid und insbesondere das Kohlendioxid in einem Reaktormodul 14 mit dem in dem Elektrolysemodul 4 aus elektrischer Energie E in chemische Energie C umgewandelten Wasserstoffgas zu Methan und zu Wasser nochmals reduzieren.
Damit die positive Energiebilanz nicht durch den Antrieb des Verdichters 6 durch Aufwendung zusätzlicher elektrischer Energie zu Nichte gemacht wird, ist dieser bevorzugt in Form eines Turboladers ausgestaltet, der mittels der Abgase 11, das heißt mit mechanischer Energie M angetrieben wird. Optional kann auch die Rekuperationsenergie, nämlich die aus der mechanischen Energie M mittels des Generators 2 umgewandelte elektrische Energie E zum Antreiben des Verdichters 6 dienen.
Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, kann der bei der Elektrolyse aus Wasser gewonnene Sauerstoff aus dem System abgeführt werden. Allerdings ist es energetisch günstiger, wie bereits beschrieben, den Sauerstoff entweder als Brenngas dem Verbrennungsmotor, das heißt dem Motor 1 zuzuführen oder diesen mit dem Wasserstoff der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, um unter Bildung von Wasser elektrische Energie D zu gewinnen, die dann beispielhaft dem Bordnetz 15 des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt werden kann.
Grundsätzlich ist das als Blockdiagramm in der 1 dargestellte Verfahren 100 sowohl für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, das heißt vorzugsweise für gasbetriebene Fahrzeuge, die bereits einen Gastank 5 aufweisen, als auch für Fahrzeuge mit Elektromotoren, die ihre Energie aus einer Brennstoffzelle 10 gewinnen, wie auch für Hybridfahrzeuge, die nämlich einen Verbrennungsmotor, und mindestens einen Elektromotor aufweisen, anwendbar.

Claims

Verfahren (100) zur Umwandlung und/oder zum Speichern von aus mechanischer Energie M gewonnener elektrischer Energie E in einem Fahrzeug mit einem Motor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die beim Bremsen und/oder im Schubbetrieb des Fahrzeuges gewonnene mechanische Energie M a) in einem ersten Schritt mit Hilfe eines Generators (2) in elektrische Energie E umgewandelt wird, die b) in einem zweiten Schritt in einem Zwischenenergiespeicher (3) gespeichert wird und die gespeicherte elektrische Energie E c) in einem dritten Schritt an ein Elektrolysemodul (4) abgeführt wird, welches die elektrische Energie E d) in einem vierten Schritt zumindest durch Spaltung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in chemische Energie C umwandelt, und diese e) in einem fünften Schritt in einen Gastank (5) des Fahrzeuges zur Zwischenspeicherung geführt wird und/oder dem Motor (1) und/oder einer Brennstoffzelle (10) des Fahrzeuges zugeführt wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H₂) vor der Zwischenspeicherung in dem Gastank (5) mittels eines Verdichters (6) verdichtet wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Leistungsdichte des Zwischenenergiespeichers (3) für die elektrische Energie E die Spannung des Bordnetzes (15) des Fahrzeuges erhöht wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H₂) mit dem in den Abgasen vorhandenen Kohlendioxid (CO₂) und/oder Kohlenmonoxid (CO) in einem Reaktormodul (14) zu Methan (CH₄) und Wasser (H₂O) reagiert, wobei das Methan (CH₄) in den Gastank (5) des Fahrzeuges geführt und/oder dem Motor (1) zugeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Umwandlung der elektrischen Energie E in die chemische Energie C notwendige Wasser (H₂O) aus einem Wassertank (7) und/oder dem Reaktormodul (14) und/oder der Brennstoffzelle (10) stammt und/oder aus dem Abgas (11) des Motors (1) gewonnen wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Form von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aus der elektrischen Energie E umgewandelte chemische Energie C der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, die unter Reaktion des Wasserstoffs (H₂) mit Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) die chemische Energie C in elektrische Energie D umwandelt.
Verfahren (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Reaktion von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) erhaltene Wasser (H₂O) in den Wassertank (7) geführt und/oder an das Elektrolysemodul (4) abgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6) elektrisch und/oder über die Abgase (11) des Motors (1) angetrieben wird.
Mobiles System zur Umwandlung von mechanischer Energie über elektrische Energie E in chemische Energie C, welches insbesondere unter Durchführung des in den Ansprüchen 1 bis 8 beanspruchten Verfahrens (100) aus mechanischer Energie M gewonnene elektrische Energie E in chemische Energie C umwandelt, und welches mit einem Motorsystem und/oder einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, verbunden ist, umfassend einen Wassertank (7), ein zumindest mit dem Wassertank (7) verbundenes Elektrolysemodul (4), dem aus einem Zwischenenergiespeicher (3) des Motorsystems und/oder des Brennstoffzellensystems elektrische Energie E zugeführt wird, und einen Verdichter (6), der zumindest mit einem Gastank (5) des Motorsystems und/oder des Brennstoffzellensystems verbunden ist, um zumindest den in dem Elektrolysemodul (4) aus dem Wasser (H₂O) umgesetzten Wasserstoff (H₂) vor Einleitung in den Gastank (5) zu verdichten.