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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, eine Ladesäule und ein Verfahren zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher.
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Insbesondere mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen spielt das so genannte Thermomanagement eine immer wichtigere Rolle. Dies betrifft sowohl das gezielte Kühlen von Komponenten, wie beispielsweise einer als Traktionsbatterie dienenden Hochvoltbatterie, als auch beispielsweise das effiziente Heizen von Kraftfahrzeugen, insbesondere die Beheizung des Innenraums.
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Die
DE 10 2013 225 582 A1 zeigt ein Batteriesystem mit einem Wärmespeicher, welcher ein Phasenwechselmaterial aufweist.
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Die
DE 10 2015 204 667 A1 zeigt ein Batterietemperiersystem mit einem Sorptionsmittel-Verdampfer-Element, wobei das Sorptionsmittel-Verdampfer-Element ein Sorptionsmittel zur exothermen Sorption eines Sorptives und ein Verdampfungsmaterial zum Verdampfen von Sorptiv umfasst.
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Die
WO 2011/072988 A1 zeigt ein Verfahren zum Temperieren eines Fahrgastinnenraums und einer Batterie, wobei der Fahrgastinnenraum oder die Batterie geheizt oder gekühlt werden, indem Wärme aus einem Phasenwechselmaterial in den Fahrgastinnenraum oder zur Batterie geleitet wird.
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Die
DE 10 2007 006 512 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische beziehungsweise elektrische Energie. Wasserdampf wird in einer Dampfturbine entspannt, welche dadurch mechanische Arbeit verrichtet, die zum Beispiel über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Der entspannte Wasserdampf wird in heiße konzentrierte Natronlauge geleitet. Bei diesem Vorgang wird die konzentrierte Natronlauge verdünnt. Dabei wird neben der Kondensationswärme auch die Verdünnungsenthalpie der Natronlauge frei, die dazu dient, erneut Wasser in einer Druckkammer zu verdampfen. Der verdünnten Natronlauge wird mittels eines Wärmekollektors, beispielsweise durch Sonnenlicht, Wärme zugeführt und dadurch aufkonzentriert. Die Vorrichtung kann beispielsweise als eine Art Natronlaugenmotor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Die
DE 10 2014 002 678 A1 zeigt das Speichern von Energie in Lauge durch Desorption von Wasserdampf aus niedrig konzentrierter Lauge und Absorption von Wasserdampf in konzentrierter Lauge.
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Die
EP 2 143 573 B1 beschreibt eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Regelglied zur Regulierung einer von einem Generator erzeugten Spannung, in einem Kühlkreislauf, der die Abwärme des Regelglieds abführt und einen durchströmbaren Heizkörper zur Erwärmung von einem Passagierbereich zuführbarer Luft, wobei die durch das Kühlmittel abgeführte Wärmemenge in einen Wärmespeicher speicherbar und danach freisetzbar ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher auf besonders effiziente Weise ein Kraftfahrzeug gekühlt und geheizt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug, eine Ladesäule sowie durch ein Verfahren zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Reaktionsbehälter zum Aufnehmen von Alkalilauge, insbesondere Natronlauge. Bevorzugt dient der Reaktionsbehälter zum Aufnehmen von Natronlauge, wobei auch andere Alkalilaugen, wie beispielsweise Kalilaugen, aufgenommen werden können. Das Kraftfahrzeug umfasst des Weiteren einen über eine Dosiereinrichtung mit dem Reaktionsbehälter verbundenen Wasserbehälter zum Zuführen von Wasser in den Reaktionsbehälter. Zudem weist das Kraftfahrzeug eine Steuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Dosiereinrichtung zum Starten und Beenden einer exothermen Reaktion der Alkalilauge mit dem Wasser anzusteuern. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung also dazu eingerichtet, bei Bedarf die Dosiereinrichtung entweder so zu betätigen, dass diese Wasser aus dem Wasserbehälter dem Reaktionsbehälter zuführt, oder die Dosiereinrichtung derart anzusteuern, dass eine Zufuhr von Wasser aus dem Wasserbehälter zu dem Reaktionsbehälter gestoppt wird.
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Das Kraftfahrzeug weist des Weiteren einen ersten Wärmtauscher auf, welcher den Reaktionsbehälter thermisch mit einem Fahrzeugheizkreislauf verbindet, sodass bei einer im Reaktionsbehälter stattfindenden exothermen Reaktion entstehende Wärme dem Fahrzeugheizkreislauf zuführbar ist. Wird also aus dem fahrzeugseitigen Wasserbehälter dem fahrzeugseitigen Reaktionsbehälter Wasser zugeführt, so findet eine exotherme Reaktion zwischen der im Reaktionsbehälter aufgenommenen konzentrierten Alkalilauge und dem zugeführten Wasser statt. Die dabei frei werdende beziehungsweise entstehende Wärme kann über den ersten Wärmetauscher dem Fahrzeugheizkreislauf zugeführt werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, einen Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs zu heizen.
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Schließlich verbindet der erste Wärmetauscher oder ein zweiter Wärmetauscher den Reaktionsbehälter thermisch mit einem zumindest teilweise fahrzeuginternen Kühlkreislauf einer Fahrzeugkomponente, sodass von dieser abgegebene Wärme der durch Zuführen des Wassers verdünnten Alkalilauge zuführbar ist, um diese in einem Aufbereitungsprozess zu erhitzen und ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf zu erhöhen. Mittels des ersten oder zweiten Wärmetauschers ist es also möglich, Wärme von dem zumindest teilweise fahrzeugintern ausgebildeten Kühlkreislauf abzuführen, welcher zur Kühlung der besagten Fahrzeugkomponente dient. Grundsätzlich kann es sich bei der Fahrzeugkomponente um beliebige Fahrzeugkomponenten handeln, welche im Betrieb gekühlt werden müssen. Falls es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug oder um ein reines Elektrofahrzeug handelt, kann es sich bei der Fahrzeugkomponente beispielsweise um eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs handeln. Insbesondere beim Laden derartiger Traktionsbatterien ist es oftmals erforderlich, diese zu kühlen, um ein Optimum zwischen Ladezeit und Standzeit der Traktionsbatterie zu erzielen. Auch kann es im Betrieb des Kraftfahrzeugs, also beim Bereitstellen von Energie mittels der Traktionsbatterie, erforderlich werden, die Traktionsbatterie zu kühlen, sodass diese besonders leistungsfähig ist und nicht aufgrund eines zu hohen Temperaturniveaus in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Die Abwärme der besagten Fahrzeugkomponente, beispielsweise der Traktionsbatterie, kann also über den ersten oder zweiten Wärmetauscher dafür genutzt werden, die zuvor verdünnte Alkalilauge wieder aufzukonzentrieren. Für den besagten Aufbereitungsprozess, bei welchem die verdünnte Alkalilauge erhitzt wird, um ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf zu erhöhen, wird also die Abwärme der besagten Fahrzeugkomponente genutzt, welche über den zumindest teilweise fahrzeugintern ausgebildeten Kühlkreislauf mit dem ersten oder zweiten Wärmetauscher verbunden ist.
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Der Reaktionsbehälter, die Dosiereinrichtung, die Steuereinrichtung, der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher bilden also ein System zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher. Dieses System, insbesondere der zumindest teilweise ausgebildete fahrzeuginterne Kühlkreislauf müssen nicht vollständig fahrzeugintern ausgebildet sein, wobei dies jedoch auch möglich ist. Mittels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist es insbesondere möglich, beim Aufladen einer Traktionsbatterie ein aktives Thermomanagement vorzunehmen, um die Lebensdauer der Traktionsbatterie zu verlängern, wobei gleichzeitig die insbesondere beim Ladevorgang der Traktionsbatterie entstehende Abwärme in der Alkalilauge gespeichert werden kann. Diese steht dem Kraftfahrzeug dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung, indem durch die im Zuge der exothermen Reaktion innerhalb des Reaktionsbehälters entstehende Wärme dem Fahrzeugheizkreislauf zugeführt werden kann.
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Beispielsweise kann im Fahrbetrieb Natronlauge mit Wasser dosiert vermischt werden. Bei der folgenden exothermen Reaktion wird Wärme frei, die über den ersten Wärmetauscher dem Fahrzeugheizkreislauf zugeführt wird. Die Natronlauge wird bei diesem Prozess verdünnt. Später kann dann beim Laden des Kraftfahrzeugs entstehende Wärme dazu genutzt werden, die verdünnte Natronlauge aufzuheizen. Hierbei entsteht Wasserdampf, der von der Natronlauge separiert wird und die Konzentration der Natronlauge nimmt infolgedessen zu. Somit ist das System wieder bereit, im nächsten Fahrbetrieb Wärme abzugeben. Festes Natriumhydroxid hat eine Standardbildungsenthalpie von -426,7 Kilojoule pro Mol (im festen Zustand), wobei gelöstes Natriumhydroxid eine Standardbildungsenthalpie von 469,6 Kilojoule pro Mol hat. Daraus resultiert eine Lösungsenthalpie von 44,5 Kilojoule pro Mol, das entspricht je Kilogramm gelöstem Feststoff 1072 Kilojoule oder 0,298 Kilowattstunden. Mittels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist es möglich, Energie innerhalb der Alkalilauge, welche im Reaktionsbehälter aufgenommen wird, über einen langen Zeitraum verlustfrei zu speichern. Mittels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist es daher möglich, auf besonders effiziente Weise das Kraftfahrzeug zu heizen und Komponenten des Kraftfahrzeugs zu kühlen.
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In dem Zusammenhang, dass es sich vorzugsweise bei der besagten Fahrzeugkomponente um eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs handelt, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Reaktionsbehälter eine Schnittstelle zum Befördern der verdünnten Alkalilauge zu einer Ladesäule aufweist, wobei der Kühlkreislauf einen fahrzeugseitigen Teil aufweist, welcher zum Durchführen des Aufbereitungsprozesses an einem ladesäuleseitigen Teil des Kühlkreislaufs anschließbar ist, der thermisch mit einem Aufbereitungsbehälter der Ladesäule gekoppelt ist.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es also vorgesehen, dass der eigentliche Aufbereitungsprozess der verdünnten Alkalilauge nicht fahrzeugintern sondern innerhalb der Ladesäule stattfindet. Dafür weist die Ladesäule den Aufbereitungsbehälter auf. Die Ladesäule weist einen Teil des Kühlkreislaufs auf, welcher mit dem anderen Teil des fahrzeugseitigen Kühlkreislaufs für die Traktionsbatterie gekoppelt werden kann. Während des Ladevorgangs der Traktionsbatterie an der Ladesäule kann also die Abwärme von der Traktionsbatterie auf einfache Weise über den ersten oder zweiten Wärmetauscher, welcher fahrzeugseitig verbaut ist, über den fahrzeuginternen Kühlkreislauf dem ladesäuleseitigen Teil des Kühlkreislaufs und somit dem Aufbereitungsbehälter der Ladesäule zugeführt werden. Über die Schnittstelle des Reaktionsbehälters kann auch insbesondere vor einem Ladevorgang der Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs die zuvor verdünnte Alkalilauge der Ladesäule zugeführt werden, sodass die verdünnte Alkalilauge in den Aufbereitungsbehälter der Ladesäule gelangen kann. Während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie kann sodann die frei werdende Wärme der Traktionsbatterie auf besonders effiziente und einfache Weise dazu genutzt werden, den besagten Aufbereitungsprozess durchzuführen, bei welchem die verdünnte Alkalilauge erhitzt und ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf wieder erhöht wird. Das fahrzeugseitige System zur Nutzung der Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher kann in dem Fall relativ einfach ausgebildet sein, da der Aufbereitungsprozess bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in der Ladesäule stattfindet.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass über die Schnittstelle des Reaktionsbehälters im Aufbereitungsbehälter aufbereitete Alkalilauge dem Reaktionsbehälter zuführbar ist. Beispielsweise kann die Ladesäule über einen geeigneten Medienstecker verfügen, über welchen sowohl die verdünnte Alkalilauge der Ladesäule zuführbar ist und die aufbereitete, also aufkonzentrierte, Alkalilauge wiederum dem Reaktionsbehälter der Kraftfahrzeugs zuführbar ist. Sobald das Kraftfahrzeug also an die Ladesäule angeschlossen wird, kann einerseits die verdünnte Alkalilauge der Ladesäule für den Aufbereitungsprozess zugeführt und andererseits die mittels der Ladesäule im Aufbereitungsbehälter aufbereitete, also aufkonzentrierte, Alkalilauge wiederum über die Schnittstelle des Reaktionsbehälters diesem zugeführt werden. Nach dem Ladevorgang des Kraftfahrzeugs steht also wieder genügend konzentrierte Alkalilauge im Reaktionsbehälter der Kraftfahrzeugs zur Verfügung, um diese Wiederum bei Bedarf mit Wasser zu vermischen und so die externe Reaktion hervorzurufen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Wasserbehälter des Kraftfahrzeugs eine Schnittstelle aufweist, über welche Wasser von einem Wasserbehälter der Ladesäule zuführbar ist. Dies kann beispielsweise über den zuvor genannten Medienstecker erfolgen oder auch über anderweitige Schnittstellen vorgesehen sein. So kann der Wasserbehälter des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise wieder mit Wasser aufgefüllt werden, wenn das Kraftfahrzeug an der Ladesäule angeschlossen worden ist.
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Eine alternative vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkreislauf ausschließlich fahrzeugintern ausgebildet und dadurch der Aufbereitungsprozess rein fahrzeugintern durchführbar ist. Mit anderen Worten ist es bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung also vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug ein geschlossenes System aufweist, mittels welchem sowohl die exotherme Reaktion der Alkalilauge als auch der Aufbereitungsprozess zur Rückgewinnung der konzentrierten Alkalilauge durchführbar ist. Dadurch, dass der Kühlkreislauf ausschließlich fahrzeugintern ausgebildet ist, kann beispielsweise wiederum bei einem Ladevorgang frei werdende Wärme der Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs dafür genutzt werden, den Aufbereitungsprozess durchzuführen. In diesem Fall findet der Aufbereitungsprozess jedoch rein fahrzeugintern statt. Während des Ladevorgangs kann die freiwerdende Wärme also über den ausschließlich fahrzeugintern ausgebildeten Kühlkreislauf dem Reaktionsbehälter zugeführt werden, sodass der Aufbereitungsprozess als solcher innerhalb des Reaktionsbehälters stattfinden kann. Die darin enthaltene verdünnte Alkalilauge wird durch die Wärmezufuhr erhitzt und ihre Konzentration wird unter Abscheidung von Wasserdampf erhöht. Der Vorteil bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist, dass auch der Aufbereitungsprozess der Alkalilauge fahrzeugintern erfolgt, sodass das Kraftfahrzeug unabhängig von der Ausgestaltung von bestimmten Ladesäulen ist, um die Alkalilauge nach der exothermen Reaktion im Reaktionsbehälter wieder aufzukonzentrieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Reaktionsbehälter über eine Rückführung mit dem Wasserbehälter verbunden ist, sodass der während des Aufbereitungsprozesses entstehende Wasserdampf dem Wasserbehälter zuführbar ist. Dadurch wird der Kreislauf innerhalb des Kraftfahrzeugs geschlossen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rückführung mehrere Siederohre aufweist, welche in den Reaktionsbehälter hineinragen, wobei der Wasserbehälter über ein Dampfrohr mit dem Reaktionsbehälter verbunden ist, sodass der während der exothermen Reaktion entstehende Wasserdampf dem Reaktionsbehälter und dadurch die damit verbundene Kondensationswärme zuführbar ist. Es wird also nicht nur die Verdünnungswärme genutzt, welche beim Vermischen von Wasser mit der Alkalilauge entsteht. Zusätzlich wird die Kondensationswärme genutzt, die beim Kondensieren von Wasserdampf in der warmen Alkalilauge entsteht. Dadurch kann die bei der exothermen Reaktion im Reaktionsbehälter stattfindende Wärme besonders effektiv und effizient genutzt werden, um dem Fahrzeugheizkreislauf Wärme zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Ladesäule für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Aufbereitungsbehälter zum Aufnehmen von Alkalilauge, insbesondere Natronlauge. Des Weiteren umfasst die Ladesäule einen ladesäuleseitigen Teil eines Kühlkreislaufs, welcher thermisch mit dem Aufbereitungsbehälter gekoppelt ist und zum Durchführen eines Aufbereitungsprozesses an einen fahrzeugseitigen Teil eines Kühlkreislaufs einer Traktionsbatterie anschließbar ist, sodass von der Traktionsbatterie während eines Ladevorgangs an der Ladesäule abgegebene Wärme dem Aufbereitungsbehälter zuführbar ist, um die in dem Aufbereitungsbehälter aufgenommene Alkalilauge zu erhitzen und ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf zu erhöhen. Diese Ladesäule ist insbesondere dann besonders sinnvoll zur Nutzung von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher in Kraftfahrzeugen einsetzbar, wenn das Kraftfahrzeug nicht das vorstehend bereits erwähnte geschlossene System zur Nutzung der Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher aufweist. Mit anderen Worten ist die Ladesäule dazu ausgelegt und eingerichtet, die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beim Nutzen der Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher so unterstützen, welche nicht dazu in der Lage sind, fahrzeugintern den Aufbereitungsprozess durchzuführen. Mittels der erfindungsgemäßen Ladesäule ist es auf einfache Weise möglich, die beim Laden von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen frei werdende Wärme von Traktionsbatterien dafür zu nutzen, zuvor verdünnte Alkalilauge dem bereits vorstehend erwähnten Aufbereitungsprozess zu unterziehen, um ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf wieder zu erhöhen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladesäule sieht vor, dass der Aufbereitungsbehälter über eine Rückführung mit einem Wasserbehälter verbunden ist, sodass der während des Aufbereitungsprozesses entstehende Wasserdampf dem Wasserbehälter der Ladesäule zuführbar ist. Dadurch geht während des Aufbereitungsprozesses kein Wasser verloren und kann beispielsweise wiederum dafür genutzt werden, einen fahrzeugseitigen Wassertank mit Wasser zu befüllen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher wird entweder das Kraftfahrzeug oder eine vorteilhafte Ausführung des Kraftfahrzeugs eingesetzt, welches den Aufbereitungsprozess nicht fahrzeugintern durchführen kann, und zwar in Kombination mit der erfindungsgemäßen Ladesäule oder einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladesäule. Alternativ wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausschließlich das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug oder eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs verwendet, welches das besagte geschlossene System aufweist, das sowohl die exotherme Reaktion der Alkalilauge mit dem Wasser fahrzeugintern als auch den Aufbereitungsprozess der verdünnten Alkalilauge fahrzeugintern durchführen kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beziehungsweise der Ladesäule sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt anzusehen, wobei das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Ladesäule insbesondere Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher, welches an einer Ladesäule angeschlossen ist;
- 2 eine schematische Darstellung eines fahrzeuginternen Systems zum Nutzen der Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher; und in
- 3 eine zweite Ausführungsform des Kraftfahrzeugs zum Nutzen von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher, welches an einer Ladesäule angeschlossen ist, die über Mittel zur Aufbereitung von Alkalilauge verfügt.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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Eine erste Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 1 zur Nutzung von Alkalilauge als Energielieferant und Wärmespeicher ist in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 ist über einem schematisch angedeuteten Ladestecker 2 mit einer Ladesäule 3 verbunden. Über die Ladesäule 3 beziehungsweise über den Ladestecker 2 kann eine Traktionsbatterie 4 des Kraftfahrzeugs 1 aufgeladen werden. Bei dem Kraftfahrzeug 1 kann es sich wohl um eine Hybridfahrzeug als auch um ein reines Elektrofahrzeug handeln.
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Das Kraftfahrzeug 1 umfasst einen Reaktionsbehälter 5 zum Aufnahmen von Alkalilauge, insbesondere von Natronlauge. Für die nachfolgenden Ausführungen soll davon ausgegangen werden, dass sich in dem Reaktionsbehälter 5 immer Natronlauge befindet, wobei auch andere Alkalilaugen genutzt werden können, um die nachfolgend noch beschriebenen Verfahrensschritte umzusetzen.
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Ein Wasserbehälter 6 des Kraftfahrzeugs 1 ist über eine Dosiereinrichtung 7 mit dem Reaktionsbehälter 5 verbunden, sodass in dem Wasserbehälter 6 aufgenommenes Wasser dem Reaktionsbehälter 5 zugeführt werden kann. Zur Steuerung der Dosiereinrichtung 7 dient eine hier nicht näher dargestellte fahrzeugseitige Steuereinrichtung. Dieser Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Dosiereinrichtung 7 zum Starten und Beenden einer exothermen Reaktion der in dem Reaktionsbehälter 5 aufgenommenen Natronlauge mit Wasser anzusteuern.
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Ein erster Wärmetauscher 8 verbindet den Reaktionsbehälter 5 thermisch mit einem Fahrzeugheizkreislauf 9. Bei einer im Reaktionsbehälter 5 stattfindenden exothermen Reaktion der Natronlauge aufgrund der Zugabe von Wasser wird die dabei entstehende Wärme über den ersten Wärmetauscher 8 dem Fahrzeugheizkreislauf 9 zugeführt.
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Soll beispielsweise der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs 1 aufgeheizt werden, so kann die Dosiereinrichtung 7 entsprechend betätigt werden, sodass das Wasser aus dem Wasserbehälter 6 dem Reaktionsbehälter 5 zugeführt wird. Infolgedessen reagiert die im Reaktionsbehälter aufgenommene Natronlauge mit dem Wasser, wodurch Wärme freigesetzt wird, die über den ersten Wärmetauscher 8 zum Fahrzeugheizkreislauf 9 gelangt. Auf diese Weise kann der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs 1 auf besonders einfache Weise beheizt werden, und zwar ohne dass Energie von der Traktionsbatterie 4 dafür bereitgestellt werden muss, was sich ansonsten negativ auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 auswirken würde.
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Die hier gezeigte erste Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 ist dazu ausgelegt, die aufgrund der Zugabe von Wasser verdünnte Natronlauge selbst aufzubereiten. Dafür weist das Kraftfahrzeug 1 einen zweiten Wärmetauscher 10 auf, der den Reaktionsbehälter 5 thermisch mit einem fahrzeuginternen Kühlkreislauf 11 verbindet. Der fahrzeuginterne Kühlkreislauf 11 dient dazu, überschüssige Wärme von der Traktionsbatterie 4 abzuführen. Insbesondere während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie 4 kann über den Kühlkreislauf 11 überschüssige Wärme von der Traktionsbatterie 4 abgeführt werden. Über den zweiten Wärmetauscher 10 kann dadurch die beim Ladevorgang der Traktionsbatterie 4 frei werdende Wärme dem Reaktionsbehälter 5 zugeführt werden. Bevor es in den Wärmetauscher 10 geht, kann noch ein Verdichter im Kühlkreislauf 11 vorgeschaltet sein, um durch einen Verdichtungsvorgang ein im Kühlkreislauf 11 ohnehin schon warmes Fluid noch weiter zu erwärmen. Somit kann dann über den Wärmetauscher 10 noch mehr Wärme dem Reaktionsbehälter zugeführt werden.
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Innerhalb des Reaktionsbehälters 5 kann dadurch ein Aufbereitungsprozess stattfinden, bei welchem die zuvor verdünnte Natronlauge erhitzt und ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf erhöht wird.
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Der Reaktionsbehälter 5 ist über eine Rückführung 12 mit dem fahrzeugseitigen Wasserbehälter 6 verbunden, sodass der während des Aufbereitungsprozesses entstehende Wasserdampf dem Wasserbehälter 6 zuführbar ist. Während des Ladevorgangs der Traktionsbatterie 4 kann dieser also durch ein entsprechendes Thermomanagement gekühlt werden, bei welchem überschüssige Wärme während des Ladevorgangs von der Traktionsbatterie 4 über den vollständig fahrzeugintern ausgebildeten Kühlkreislauf 11 dem zweiten Wärmetauscher 10 zugeführt wird, welcher die Wärme dafür nutzt, die im Reaktionsbehälter 5 nunmehr verdünnt vorliegende Natronlauge zu erhitzen und aufzubereiten, sodass nach der Aufbereitung wieder konzentrierte Natronlauge innerhalb des Reaktionsbehälters 5 vorliegt.
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An der Rückführung 12 kann ein hier nicht dargestelltes Dosierventil vorgesehen sein. Darüber kann die Rückführung des Wasserdampfs gesteuert werden. Zudem kann in der Rückführung auch ein hier nicht dargestellter Kondensator vorgesehen sein. Dadurch kann der Wasserdampf im Zuge der Rückführung kondensieren und so gelangt zumindest im Wesentlichen nur Wasser in den Wasserbehälter. Die am Kondensator dem Wasserdampf entzogene Wärme kann beispielsweise dann wiederum dazu genutzt werden, das Kraftfahrzeug 1 zu heizen.
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In 2 ist das vollständig fahrzeugintern ausgebildete System 13 zur Nutzung der Natronlauge als Energielieferant und Wärmespeicher schematisch dargestellt. Der erste Wärmetauscher 8, welcher die im Reaktionsbehälter 5 entstehende Wärme dem Fahrzeugheizkreislauf 9 zuführt, und der zweite Wärmetauscher 10, welcher die in der Traktionsbatterie 4 entstehende Wärme über den fahrzeuginternen Kühlkreislauf 11 dem Reaktionsbehälter 5 zuführt, sind in der vorliegende Darstellung nochmals zu erkennen. Bei dem vorliegend gezeigten fahrzeuginternen System 13 ist der Wassertank 6 direkt über dem Reaktionsbehälter 5 angeordnet. Durch Öffnen und Schließen der bereits erwähnten Dosiereinrichtung 7, bei welcher es sich zum Beispiel um ein einfaches Ventil handeln kann, kann das in dem Wasserbehälter 6 aufgenommene Wasser 14 über das Rohr 15 in den Reaktionsbehälter 5 geleitet werden, in welchem die konzentrierte Natronlauge 16 sich befindet. Über jeweilige Tankstutzen 17, 18 ist es möglich, den Reaktionsbehälter 5 mit Natronlauge 16 beziehungsweise den Wasserbehälter 6 mit Wasser zu befüllen.
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Mehrere Siederohre 19 ragen in den Reaktionsbehälter 5 hinein, wobei sich die oberen Enden der Siederohre 19 bis zum Wasserbehälter 6 erstrecken.
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Zudem ist der Wasserbehälter 6 über ein Dampfrohr 20 mit dem Reaktionsbehälter 5 verbunden, sodass während der exothermen Reaktion zwischen der Natronlauge 16 und dem zugeführten Wasser 14 entstehender Wasserdampf dem Reaktionsbehälter 5 und dadurch die damit verbundene Kondensationswärme zuführbar ist. Der Wasserdampf 21, welcher durch die Siederohre 19 entsteht, ist schematisch angedeutet.
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Mittels des in 2 gezeigten Systems 13 ist es also möglich, vollständig fahrzeugintern die in dem Reaktionsbehälter 5 frei werdende Reaktionswärme zu nutzen und den bereits erwähnten Aufbereitungsprozess ebenfalls fahrzeugintern durchzuführen, um die nach Zugabe des Wassers 14 verdünnte Natronlauge 16 wieder aufzukonzentrieren. Der fahrzeuginterne Kühlkreislauf 11 bildet dabei also eine Art Heizkreislauf für den Aufbereitungsprozess der verdünnten Natronlauge 16. Bislang wurde zwar nur die Traktionsbatterie 4 erwähnt, welche an den Kühlkreislauf 11 angeschlossen ist. Jedoch ist es auch möglich, andere Wärmequellen des Kraftfahrzeugs 1 zu nutzen, um den Aufbereitungsprozess der Natronlauge 16 durchzuführen. Bei dem Kraftfahrzeug 1 muss es sich also nicht zwangsläufig um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln.
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Eine zweite Dosiereinrichtung 22 dient dabei dazu, den Wasserdampf 21 dem Reaktionsbehälter 5 zuzuführen. Die bereits erwähnte und hier ebenfalls nicht dargestellte Steuereinrichtung, kann die beiden Dosiereinrichtungen 7, 22 so steuern, dass die exotherme Reaktion im Reaktionsbehälter 5 bestmöglich abläuft. Es wird also zum einen gesteuert, wann und wie viel Wasser 14 vom Wasserbehälter 6 dem Reaktionsbehälter 5 zugeführt wird. Und zum anderen wird über das Dampfrohr 20 durch entsprechende Betätigung der Dosiereinrichtung 22 Wasserdampf am ersten Wärmetauscher 8 durch- bzw. vorbeigeleitet und dann dem Reaktionsbehälter 5 zugeführt.
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Es ist auch möglich, beispielsweise nur den Wärmetauscher 10 vorzusehen und den Wärmetauscher 8 mitsamt dem Fahrzeugheizkreislauf 9 einzusparen. Bei der im Reaktionsbehälter 5 stattfindenden exothermem Reaktion kann mittels des Wärmetauschers 10 Wärme aufgenommen und dafür verwendet werden, das Kraftfahrzeug 1 aufzuheizen. In diesem Fall kann der Kühlkreislauf 11 also auch zum Heizen des Kraftfahrzeugs 1 oder einzelner Fahrzeugkomponenten, z.B. auch der Traktionsbatterie 4 oder auch anderer Komponenten, genutzt werden. Im Zuge des Aufbereitungsprozesses kann dann wiederum über den Wärmetauscher 10 dem Reaktionsbehälter 5 und somit der darin enthaltenen Natronlauge 16 Wärme zugeführt werden, um die Konzentration der Natronlauge zu erhöhen. Die Dosiereinrichtung 7 kann während des Aufbereitungsprozesses zum Beispiel auch nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden. Dadurch kann die Menge an Wasserdampf, die im Zuge der Aufbereitung entsteht, über das Rohr 15 dosiert in den Wasserbehälter 6 zurückgeführt werden.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 gezeigt, welches ebenfalls die Natronlauge als Energielieferant und Wärmespeicher nutzen kann. Diese Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 umfasst wiederum den Reaktionsbehälter 5 zum Aufnehmen der Natronlauge oder auch anderer Alkalilaugen, den Wasserbehälter 6, welcher über die Dosiereinrichtung 7 mit dem Reaktionsbehälter 5 verbunden ist, und den ersten Wärmetauscher 8, sodass im Reaktionsbehälter 5 frei werdende Wärme dem Fahrzeugheizkreislauf 9 zugeführt werden kann. Auch weist das Kraftfahrzeug 1 wiederum die Traktionsbatterie 4 auf, welche gemäß der vorliegenden Darstellung gerade mittels des eingesteckten Ladesteckers 2 der Ladesäule 3 aufgeladen wird.
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Die hier gezeigte zweite Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 dadurch, dass das Kraftfahrzeug 1 einen fahrzeugseitigen Teil 23 und einen ladesäuleseitigen Teil 24 aufweist, welche gemeinsam den hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher bezeichneten Kühlkreislauf 11 für die Traktionsbatterie 4 bilden. Der zweite Wärmestauscher 10 ist vorliegend nicht dargestellt. Dieser ist thermisch mit dem fahrzeugseitigen Teil 23 des Kühlkreislaufs 11 gekoppelt.
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Der Reaktionsbehälter 5 umfasst eine hier nur schematisch angedeutete Schnittstelle 25, über welche die nach der exothermen Reaktion verdünnte Natronlauge in einen Aufbereitungsbehälter 26 der Ladesäule 3 befördert werden kann. Der fahrzeugseitige Wasserbehälter 6 ist über eine entsprechende, hier nur schematisch angedeutete Schnittstelle 27 mit einem Wasserbehälter 28 der Ladesäule 3 verbunden. Bei der hier gezeigten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 ist es nur fahrzeugintern möglich, die exotherme Reaktion der Natronlauge durchzuführen, wobei jedoch der Aufbereitungsprozess der verdünnten Natronlauge nicht fahrzeugintern, sondern in der Ladesäule 3 stattfindet.
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Während des Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs 1, genauer der Traktionsbatterie 4, an der Ladesäule 3, werden die beiden Teile 23, 24 des Kühlkreislaufs der Traktionsbatterie 4 miteinander verbunden. Beim Laden der Traktionsbatterie 4 entstehende Wärme kann so dem ladesäuleseitigen Aufbereitungsbehälter 26 zugeführt werden. Der Aufbereitungsprozess der verdünnten Natronlauge findet im Aufbereitungsbehälter 26 statt, in dem die darin aufgenommene verdünnte Natronlauge erhitzt und ihre Konzentration unter Abscheidung von Wasserdampf erhöht wird. Der Aufbereitungsbehälter 26 der Ladesäule 3 ist über eine Rückführung 29 mit dem Wasserbehälter 28 der Ladesäule 3 verbunden. Der während des Aufbereitungsprozesses entstehende Wasserdampf kann also dem ladesäuleseitigen Wasserbehälter 28 zugeführt werden.
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Nachdem der Aufbereitungsprozess mittels der Ladesäule 3 abgeschlossen worden ist, vorzugsweise auch nachdem der Ladevorgang der Traktionsbatterie 4 abgeschlossen worden ist, kann über die Schnittstelle 25 die aufbereitete und somit aufkonzentrierte Natronlauge wiederum dem Reaktionsbehälter 5 des Kraftfahrzeugs 1 und das im Zuge des Aufbereitungsprozesses gewonnene Wasser aus dem Wasserbehälter 28 der Ladesäule 3 über die Schnittstelle 27 dem fahrzeugseitigen Wasserbehälter 6 zugeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225582 A1 [0003]
- DE 102015204667 A1 [0004]
- WO 2011/072988 A1 [0005]
- DE 102007006512 A1 [0006]
- DE 102014002678 A1 [0007]
- EP 2143573 B1 [0008]
