DE102018203332B3

DE102018203332B3 - Verfahren zur Wassergewinnung innerhalb eines Fortbewegungsmittels, System und Automobil

Info

Publication number: DE102018203332B3
Application number: DE102018203332.3A
Authority: DE
Inventors: Gunther Jegert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2038-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassergewinnung, insbesondere für eine Versorgung einer Wassereinspritzung einer Verbrennungskraftmaschine, innerhalb eines Fortbewegungsmittels umfassend die Schritte:• Adsorbieren (1000) von Wasser aus einer Umgebungsluft an einem porösen Material innerhalb einer Sorptionsvorrichtung;• Desorbieren (2000) des aus der Umgebungsluft adsorbierten Wassers aus dem porösen Material unter Verwendung einer Abwärme eines Bauteils des Fortbewegungsmittels; und• Kondensieren (3000) des desorbierten Wassers in einer mit der Sorptionsvorrichtung verbundenen Kondensationsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassergewinnung, insbesondere für eine Versorgung einer Wassereinspritzung einer Verbrennungskraftmaschine, innerhalb eines Fortbewegungsmittels, ein System und ein Automobil.
Bei Verbrennungskraftmaschinen kann es im hohen Drehzahl- und Lastbereich zweckmäßig sein, durch Wassereinspritzung, zusätzlich zum eigentlichen Kraftstoff, eine Kühlwirkung zu erzielen (vgl. EP 278 983 9 A2 ). Insbesondere bei Otto-Motoren für Personenfortbewegungsmittel lassen sich hierdurch die Fahreigenschaften vorteilhaft beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass eine klopfende Verbrennung derart unterdrückt werden kann. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad bei der Verbrennung, und damit die Leistung der Verbrennungskraftmaschine, gesteigert werden. Gleichzeitig können der Kraftstoffverbrauch und die Emission von Schadstoffen deutlich reduziert werden, was insbesondere angesichts der EU-Verordnungen zu den Emissionen im praktischen Fahrbetrieb (real driving emissions - RDE) von großem Interesse ist.
Wassereinspritzsysteme müssen fortwährend mit sehr reinem Wasser versorgt werden und verfügen daher regelmäßig über einen Wasser-Vorratsbehälter (vgl. DE 10 2015 208 509 A1 und DE 10 2014 204 509 A1 ). Der Wasserverbrauch ist insbesondere für Personenfortbewegungsmittel ein kritischer Aspekt. Es wird angestrebt, Nachfüllungen des Wasser-Vorratsbehälters lediglich als Teil des regulären Fahrzeugservices vorzunehmen. Entsprechend groß muss der Wasser-Vorratsbehälter dimensioniert sein. Ein externes Betanken durch den Anwender ist hierbei zu vermeiden, damit dieser das Wasser nicht per Hand nachfüllen muss und da bei unfachmännischer Handhabung ein Risiko des Eindringens von Verunreinigungen in den Wasser-Vorratsbehälter besteht. Im Allgemeinen sollte der Wartungsaufwand des Fortbewegungsmittels für den Anwender möglichst gering gehalten werden.
Der Wasserverbrauch des Wassereinspritzsystems hängt jedoch stark davon ab, wie die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. Es kann daher zu einem vorzeitigen Aufbrauch des Wassers des Wasser-Vorratsbehälters kommen, was eine Abschaltung des Wassereinspritzsystems zufolge hat. Dies wiederum bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine bis zur Wiederbefüllung des Wasser-Vorratsbehälters durch Betankung durch den Anwender oder Wiederbefüllung im Rahmen der Fahrzeugwartung am Ende eines Service-Intervalls nur mit verminderter Leistung respektive unter erhöhtem Kraftstoffverbrauch sowie unter erhöhten Schadstoffemissionen betrieben werden kann.
In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ist teils eine Wiederbefüllung des Wasservorratsbehälters mit in der Klimaanlage anfallendem Kondenswasser möglich. Jedoch kann auch die Menge des Kondensats, insbesondere bei anhaltend niedriger Luftfeuchtigkeit während des Betriebs, unzureichend sein. Zudem ist der Betrieb einer Klimaanlage zu diesem Zwecke energieintensiv.
DE 10 2016 206 043 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, umfassend einen mit der Umgebung verbundenen Luftkanal, in welchen Umgebungsluft einströmbar ist, ein Absorptionselement, welches im Luftkanal angeordnet ist und Wasser und/oder Wasserdampf aus der zugeführten Umgebungsluft absorbieren kann, ein erstes Absperrelement, welches im Luftkanal in Strömungsrichtung durch den Luftkanal vor dem Absorptionselement angeordnet und eingerichtet ist, den Luftkanal freizugeben und zu verschließen, einen Wärmeübertrager, welcher eingerichtet ist, Wärme eines Abgases einer Brennkraftmaschine auf das Absorptionselement zu übertragen, ohne dass das Abgas in direktem Kontakt mit dem Absorptionselement kommt, und einen Kondensator, welcher im Luftkanal in Strömungsrichtung durch den Luftkanal nach dem Absorptionselement angeordnet ist, um Wasser aus dem Luftstrom des Luftkanals zu kondensieren.
DE 10 2010 055 677 A1 offenbart ein Wärmeaustauscher-Modul mit Wärmemanagement, enthaltend ein Titano-Alumo-Phosphat als Adsorber, das eine hohe hydrothermale Stabilität aufweist und bereits bei geringer Wärmeeinwirkung das absorbierte Wasser wieder desorbiert. Durch gezielte Temperatureinwirkung wird das adsorbierte Wasser auskondensiert, wodurch Wärmeenergie frei wird. Mittels geringer Wärmeeinwirkung kann das kondensierte Wasser wieder als kalter Dampf am Absorber adsorbiert werden, wodurch Wärmeenergie frei wird. Das Wärmetauscher-Modul kann aufgrund der bei der Adsorption freiwerdenden Adsorptionsenergie zur Erwärmung von Gegenständen, Geräten oder Räumen eingesetzt werden, da diese abgeführt und weitergenutzt wird. Neben Erwärmung ist auch Kühlung von Räumen, Gegenständen und Geräten möglich, da durch ein Absinken der Temperatur im Wärmetauscher-Modul die Umgebung des Wärmetauscher-Moduls gekühlt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Möglichkeit anzugeben, wodurch das Wassereinspritzsystem unabhängig von den Umgebungsbedingungen mit Wasser versorgt werden kann, und zusätzlich den Raumbedarf und das Gewicht eines Wasser-Vorratsbehälters zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgenannte Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Aspekte gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wassergewinnung, insbesondere für eine Versorgung einer Wassereinspritzung einer Verbrennungskraftmaschine, innerhalb eines Fortbewegungsmittels.
Als Fortbewegungsmittel im Sinne der Erfindung kommen z.B. Automobile, insbesondere PKW und/oder LKW und/oder Flugzeuge und/oder Schiffe und/oder Motorräder, infrage.
„Wassergewinnung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass Wasser als solches für Bauteile eines Fortbewegungsmittels, für welche Wasser verwendet werden kann, gezielt bereitgestellt wird. Derartige Bauteile können insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine und/oder einen Wasser-Vorratsbehälter für eine Verbrennungskraftmaschine und/oder einen Wasser-Vorratsbehälter für Scheibenreinigungswasser umfassen.
In einem ersten Schritt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Adsorbieren von Wasser aus einer Umgebungsluft an einem porösen Material innerhalb einer Sorptionsvorrichtung. Als Wasser aus der Umgebungsluft kommt insbesondere eine natürliche Luftfeuchtigkeit infrage. Die hier verwendeten porösen Materialien können insbesondere Mesoporen und/oder Mikroporen und/oder Makroporen umfassen. Mikroporen sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung per Definition Poren mit einem Porendurchmesser von kleiner 2 nm, während Mesoporen Poren mit einem Porendurchmesser zwischen 2 nm und 50 nm und Makroporen Poren mit einem Porendurchmesser von größer 50 nm sind. Beispielsweise kommen als poröses Material derartige Materialien infrage, welche eine hohe Adsorptionskapazität bezüglich Wasser haben. Mit anderen Worten kann das poröse Material große Wassermengen je Gramm aufnehmen. Dies können insbesondere poröse Materialien sein, welche eine spezifische BET-Oberfläche von mindestens 500 m²/g aufweisen. Hierfür sind beispielsweise metallorganische Gerüstverbindungen („MOFs“) denkbar. Hierbei kommt MOF-801 infrage. Derartige metallorganische Gerüstverbindungen haben beispielsweise Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Oberflächen von 770 bis 1070 m²/g. Hierfür werden in der Folge die Begriffe „spezifische Oberfläche“ bzw. „spezifische BET-Oberfläche“ bzw. „BET-Oberfläche“ synonym verwendet.
Durch derartige poröse Materialien ist es insbesondere möglich, Wasser bei einer relativen Luftfeuchtigkeit im Bereich von unter 20% zu adsorbieren (vgl. Kim et al., Science Vol. 356, Issue 6336, pp. 430-434 (2017)). Hierbei können sogar Mengen bis zu 3 Liter Wasser pro Tag und pro Kilogramm des adsorbierenden Materials gewonnen werden. Dementsprechend sind derartige Materialien im Rahmen des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft für eine effiziente Wassergewinnung. Ferner kann mit derartigen Materialien bei sehr niedrigen Adsorptionstemperaturen von beispielsweise kleiner als 35 °C Wasser in den genannten Mengen adsorbiert werden. Als Adsorptionstemperatur wird vorliegend die im porösen Material herrschende Temperatur während des Adsorptionsvorganges bezeichnet. Innerhalb dieses Vorganges wird näherungsweise die Temperatur innerhalb des porösen Materials zu jeder Zeit mit der Temperatur der Sorptionsvorrichtung gleichgestellt. Die Adsorptionstemperatur kann mit bekannten technischen Mitteln innerhalb der Sorptionsvorrichtung realisiert werden. Während des Adsorptionsvorganges lagert sich Wasser aus der Umgebungsluft, auch wenn die relative Luftfeuchtigkeit sehr gering ist, in den Poren des porösen Materials ein. Hierbei wird „relative Luftfeuchtigkeit“ als Verhältnis des momentanen Dampfdrucks des Wassers und dem Sättigungsdruck des Wassers bei der entsprechenden Lufttemperatur über einer reinen und ebenen Wasseroberfläche definiert.
Ferner befindet sich das Material innerhalb einer Sorptionsvorrichtung. Die Sorptionsvorrichtung kann z.B. als Kammer, welche innerhalb des Fortbewegungsmittels angeordnet sein kann, verstanden werden. Die Sorptionsvorrichtung kann beispielsweise aus Metall und/oder einer Metalllegierung, insbesondere Stahl, und/oder aus einem Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Kunststoff, gefertigt sein. Die Sorptionsvorrichtung kann z.B. eine parallelepipedische und/oder eine zylindrische und/oder eine ellipsoide Geometrie aufweisen. Hierbei umfasst die Sorptionsvorrichtung insbesondere einen Einlass, durch welchen die Umgebungsluft in die Sorptionsvorrichtung gelangen kann. Auf diese Weise kann das Wasser an dem porösen Material, welches sich innerhalb dieser Sorptionsvorrichtung befindet, adsorbiert werden. Ferner kann insbesondere der Einlass der Sorptionsvorrichtung fluiddicht verschließbar sein, um in den folgenden Schritten der Desorption einen Wasserverlust an die Umgebung möglichst gering zu halten. Ferner weist die Sorptionsvorrichtung insbesondere einen Auslass auf, durch welchen das Wasser, welches im Folgeschritt desorbiert wird, ausgetragen werden kann. Sowohl Einlass als auch Auslass sind hermetisch, also fluiddicht, verschließbar.
In einem zweiten Schritt wird das Wasser, welches an dem porösen Material adsorbiert ist, desorbiert. Hierbei wird das Wasser insbesondere durch Wärme, welche der Sorptionsvorrichtung bzw. dem porösen Material zugeführt wird, aus dem porösen Material desorbiert, d.h., verdampft. Die Desorption erfolgt beispielsweise durch die Verwendung einer Abwärme eines Bauteils des Fortbewegungsmittels, insbesondere einer Traktionsmaschine eines Energiespeichers und/oder einer Verbrennungskraftmaschine, oder, bei Bedarf, durch eine Heizvorrichtung. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise einen Motor, insbesondere einen Otto-Motor, umfassen. Die Abwärme kann der Sorptionsvorrichtung bzw. dem porösen Material über bekannte technische Maßnahmen zur Wärmeübertragung bzw. zum Wärmetausch zugeführt werden. Zum einen ist es denkbar, dass die Sorptionsvorrichtung in der Nähe der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, zum anderen kann auch über ein Wärmetransportmedium, wie z.B. Wasser und/oder Wasser-Glykol-Gemische und/oder weitere Flüssigkeitsgemische zum Wärmetransport und/oder Gase, innerhalb eines Wärmetauschers die Abwärme zur Sorptionsvorrichtung bzw. zum porösen Material transportiert werden. Dabei kann ein Wärmetauscher eine Rohrleitung, welche das Wärmetransportmedium führt, umfassen. Der Wärmetauscher kann beispielsweise innerhalb und/oder außerhalb der Sorptionsvorrichtung angeordnet sein. Bevorzugt steht der Wärmetauscher in direktem Kontakt mit dem porösen Material.
Als Desorptionstemperaturen kommen insbesondere 50 °C bis 70 °C, u.a. 65 °C, infrage, wenn ein MOF-Material verwendet wird. Hierdurch kann eine Desorption bereits bei einer geringen Temperatur erfolgen. Unter Desorptionstemperatur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jene Temperatur verstanden, bei der Wasser aus dem porösen Material desorbiert wird, wobei das poröse Material im Wesentlichen die Desorptionstemperatur aufweist. Hierbei wird die Temperatur der Sorptionsvorrichtung näherungsweise mit der Temperatur des porösen Materials gleichgesetzt. Dies ist insbesondere deswegen sinnvoll, damit möglichst keine Kondensation innerhalb der Sorptionsvorrichtung während der Desorption stattfindet.
In einem weiteren Schritt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Kondensieren des desorbierten Wassers in einer mit der Sorptionsvorrichtung verbundenen Kondensationsvorrichtung. Insbesondere kann die Kondensationsvorrichtung über den Auslass mit der Sorptionsvorrichtung verbunden sein. Beispielsweise kann die Kondensationsvorrichtung ein Rohr umfassen, längs dem die Temperatur gegenüber der Sorptionsvorrichtung, welche die Desorptionstemperatur aufweist, abfällt, wodurch es möglich ist, Wasser in dieser Kondensationsvorrichtung, z.B. eine Rohrleitung, abzuscheiden. Insbesondere können Einlass und Auslass der Sorptionsvorrichtung während des Prozesses des Desorbierens geschlossen sein, wobei nach einer vordefinierten Desorptionszeit der Auslass geöffnet wird, um das desorbierte Wasser, welches sich in der Gasphase befindet, aus der Sorptionsvorrichtung in die Kondensationsvorrichtung zu überführen. Somit kann das Wasser kondensiert und zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden. Insbesondere kann das kondensierte Wasser einem Wasser-Vorratsbehälter der Einspritzanlage des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erwähnten technischen Ausführungsmöglichkeiten können über eine Auswerteeinheit, insbesondere eine CPU und/oder einen Mikrocontroller, des Fortbewegungsmittels gesteuert werden. Hierbei können diverse Adsorptions-/Desorptionszyklen durch die Auswerteeinheit veranlasst werden. Überdies können derartige Zyklen auch über eine manuelle Eingabe und/oder eine vordefinierte Referenz durch den Anwender und/oder durch die Werkstatt erfolgen.
Erfindungsgemäß umfasst das poröse Material eine Stapelform und/oder eine Lamellenform und/oder eine Kammform und/oder eine Säulenform und/oder eine Kreisringstruktur.
Durch die kontinuierliche erfindungsgemäße Wassergewinnung kann der Raumbedarf und das Gewicht des Wasser-Vorratsbehälters stark reduziert werden. Zudem ist eine effiziente Wassergewinnung möglich. Durch das oben geschilderte erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, kontinuierlich Wasser aus der Atmosphäre, bzw. der Umgebungsluft, zu gewinnen, um dieses für die Verwendung im Fortbewegungsmittel bereitzustellen. Dies führt zu einem Wegfall des Erfordernisses großer Wasser-Vorratsbehälter, welche in Abwesenheit einer solchen Vorrichtung derart dimensioniert sein müssen, dass das Wasser bis zum nächsten Service-Intervall, bei dem es wieder aufgefüllt wird, ausreicht. Überdies kann durch das oben geschilderte Verfahren besonders reines Wasser gewonnen werden, das nach Adsorption und Desorption durch das poröse Material im Wesentlichen frei von Verunreinigungen ist. Die porösen Materialien haben daher auch eine Funktion zur Reinigung des Wassers bzw. zur Abtrennung von Verunreinigungen aus der Umgebungsluft. Darüber hinaus ist die Verwendung von Abwärme aus Bauteilen des Fortbewegungsmittels besonders vorteilhaft, da hierdurch ein reduzierter energetischer Aufwand betrieben werden muss, da ohnehin anfallende Abwärmequellen des Fortbewegungsmittels, insbesondere die Verbrennungskraftmaschine, genutzt werden können. Weiterhin sind Nutzung der Reibungswärme der Bremsanlage und/oder des Heizungszyklus des Fortbewegungsmittels zur Aufbringung der Desorptionswärme, bzw. der Desorptionstemperatur, denkbar. Somit werden vielfältige Möglichkeiten durch das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet, Wasser zur Verwendung in einem Fortbewegungsmittel zu gewinnen. Die Adsorption kann beispielsweise im Ansprechen auf die Standzeiten des Fortbewegungsmittels initiiert werden. Dies kann z.B. ein Parken und/oder ein Wartevorgang, beispielsweise wenn die Verbrennungskraftmaschine nicht aktiv ist, umfassen. Beispielsweise kann die Adsorption nach einer vordefinierten Zeit, z.B. 3 bis 4 Stunden, beendet werden. Ferner kann eine Adsorption im Ansprechen auf eine Außentemperatur von kleiner als 35 °C initiiert werden. Auf der anderen Seite kann die Desorption im Ansprechen auf den Betrieb des Fortbewegungsmittels, z.B. während der Fahrt, initiiert werden, wobei nahezu eine autarke Wasserversorgung möglich ist. Hierbei kann also insbesondere eine lückenlose Versorgung der Wassereinspritzung unabhängig von äußeren Randbedingungen erreicht werden. Ferner sind die porösen Materialien äußerst wartungsarm, was verringerte Instandhaltungskosten der Wassereinspritzungsversorgung des Fortbewegungsmittels zufolge hat.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inhalt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das poröse Material Zeolithe. Unter Verwendung dieses Materials kann ein günstiges und mechanisch hochstabiles poröses Material mit einer hohen spezifischen Oberfläche bereitgestellt werden. Als Zeolithe kommen insbesondere Zeolith USY und/oder Zeolith A und/oder Zeolith Y und/oder Zeolith X und/oder Zeolith 13X und/oder Zeolith ZSM-5 infrage. Darüber hinaus kommen Alumosilikate, wie z.B. MCM-41, infrage. Weiterhin kommen insbesondere metallorganische Gerüstverbindungen als poröses Material infrage. Diese haben, wie bereits eingangs erwähnt, eine hohe Adsorptionskapazität. Als weitere poröse Materialien kommen insbesondere
MOF-801-P und/oder MOF-801-SC und/oder MOF-802 und/oder UiO-66 und/oder MOF-808 und/oder MOF-841 und/oder DUT-67 und/oder PIZOF-2 und/oder MOF-804 und/oder MOF-805 und/oder MOF-806 und/oder Mg-MOF-74 und/oder Co-MOF-74 und/oder Ni-MOF-74 und/oder CAU-6 und/oder CAU-C und/oder Basolite A100 und/oder Basolite A300 und/oder Basolite C300 infrage.
Ferner kommen für das poröse Material auch Aktivkohle und/oder Kieselgel und/oder KohlenstoffNanoröhren und/oder poröses Glas infrage. Insbesondere kann das poröse Material Mikroporen und/oder Mesoporen und/oder Makroporen umfassen (s. obige Definition). Insbesondere kann durch die Porosität die Adsorptionskapazität eingestellt werden. Wenn beispielsweise im Wesentlichen Mikroporen und/oder Mesoporen verwendet werden, resultiert eine höhere Adsorptionskapazität, da hiermit eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche verbunden ist. Dies reduziert wiederum den benötigten Bauraum für die Sorptionsvorrichtung.
Ferner kann das poröse Material eine spezifische BET-Oberfläche von 500 m²/g bis 7000 m²/g aufweisen. Hierbei kann auch durch die spezifische Oberfläche die Adsorptionskapazität festgelegt werden. Je höher die spezifische Oberfläche ist, desto mehr Wasser kann adsorbiert werden. Bevorzugt umfasst die spezifische Oberfläche 650 m²/g bis 5000 m²/g, besonders bevorzugt 1000 m²/g bis 2000 m²/g. Hierbei sind, bezugnehmend auf die Tabelle 1 aus Fukuwara et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4369-4381), jene Materialien besonders bevorzugt, die 0,1 bis 0,6 Liter pro kg Wasser bei 10% relativer Luftfeuchtigkeit adsorbieren können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Desorptionstemperatur 50 °C bis 500 °C. Bevorzugt kann die Desorptionstemperatur 65 °C bis 300 °C betragen. Im Falle der Verwendung von metallorganischen Gerüstverbindungen als poröses Material, beträgt die Desorptionstemperatur bevorzugt 50 °C bis 80 °C. Im Falle der genannten metallorganischen Verbindungen, insbesondere MOF-801 und/oder MOF-802 und/oder UiO-66 und/oder MOF-199 und/oder VPI-5, beträgt die Desorptionstemperatur beispielsweise 65 °C. Insbesondere ist bei diesen Materialien lediglich eine Desorptionstemperatur in diesem Temperaturbereich vonnöten, um Wasser im Wesentlichen vollständig aus dem porösen MOF-Material zu desorbieren.
Das desorbierte Wasser kann für den weiteren Schritt des Kondensierens bereitgestellt werden. Entsprechend vorteilhaft ist lediglich eine geringe Desorptionstemperatur vonnöten, um das Wasser zu desorbieren. Im Wesentlichen reicht hierbei die Abwärme aus dem Bauteil des Fortbewegungsmittels, insbesondere aus der Verbrennungskraftmaschine, aus, um eine möglichst vollständige Desorption des Wassers zu gewährleisten. Zusätzlich kann die Desorptionstemperatur im Falle anderer Materialien 65 °C bis 300 °C betragen. Im Falle der Verwendung von Zeolithen kann die Desorptionstemperatur insbesondere 300 °C betragen. Der Temperaturbereich der Desorptionstemperatur kann ferner bei Zeolithen 100 °C bis 500 °C betragen. Hierbei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, zusätzlich zur Abwärme des Bauteils, eine zusätzliche Heizvorrichtung (z.B. ein Peltier-Element) zur Einstellung der Desorptionstemperatur zu verwenden. Zusätzlich oder alternativ beträgt die Adsorptionstemperatur -20 °C bis 40 °C, bevorzugt 15 °C bis 25 °C. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Adsorption innerhalb dieser Temperaturbereiche stattfindet. Derartige Temperaturbereiche sind insbesondere vorteilhaft, da hierbei zu jeder Zeit Wasser aus der Umgebungsluft unabhängig von der relativen Luftfeuchtigkeit adsorbiert werden kann. Unabhängig von der Jahreszeit kann insbesondere während einer Nichtnutzung des Fortbewegungsmittels Wasser adsorbiert werden. Hierbei bestehen beispielsweise Korrelationen zwischen der optimalen Adsorptionstemperatur und dem porösen Material. Beispielsweise sind sämtliche hier offenbarte poröse Materialien idealerweise bei Temperaturen kleiner 35 °C zur Adsorption einsetzbar. Bei höheren Temperaturen als 35 °C kann sich das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht ungünstig in Richtung einer Desorption verschieben, so dass weniger Wasser adsorbiert werden kann. Ein besonders bevorzugter Adsorptionstemperaturbereich liegt bei 25 °C bis 35 °C.
Ferner kann es vorteilhaft sein, die Adsorptionstemperatur mittels einer Kühlvorrichtung des Fortbewegungsmittels einzustellen. Hierbei kann zur Einstellung der Temperatur zusätzlich ein Wärmetausch mit der Klimaanlage und/oder der Lüftungsanlage des Fortbewegungsmittels und/oder dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine stattfinden, falls die Temperatur zu hoch ist. Letzteres kann nämlich eine ungünstige Lage des Adsorptions-Desorptions-Gleichgewichtes verursachen. Dies steht insbesondere in Korrelation zum verwendeten Material. Beispielsweise kann ein zeolithisches Material bei höheren Temperaturen adsorbieren, als ein MOF-Material. Zur Verwendung von Kühlvorrichtungen des Fortbewegungsmittels stehen unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise kann die Sorptionsvorrichtung durch eine zusätzliche Luftzufuhr abgekühlt werden. Dies ist insbesondere möglich, indem die Kühlungsluft der Lüftung des Fortbewegungsmittels durch eine entsprechende Zufuhr verwendet wird. Beispielsweise kann auch eine derartige Zufuhr von Kühlungsluft unterbunden werden, wenn die Adsorptionstemperatur im optimalen Temperaturbereich, beispielsweise im Bereich von 25°C liegt. Ähnlich kann ein Kühlkreislauf der Klimaanlage und/oder der Verbrennungskraftmaschine optional an der Sorptionsvorrichtung entlang geleitet und/oder durch diese hindurch geführt werden, falls eine Temperaturverringerung notwendig ist. Dabei kann z.B. das poröse Material in direktem Kontakt mit einer Rohrleitung des Kühlkreislaufes stehen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kühlen durch ein Peltier-Element stattfinden. Beispielsweise kann die Sorptionsvorrichtung auch in räumlicher Nähe zur Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein. Hierbei ist es lediglich notwendig, dass die Positionierung der Sorptionsvorrichtung derart gewählt wird, dass der Einlass einen ausreichenden Umgebungslufteintrag in das Innere der Sorptionsvorrichtung ermöglicht. Beispielsweise kann daher die Anordnung in der Nähe des Kühlergrills des Fortbewegungsmittels erfolgen. Weiterhin ist eine Positionierung in der Nähe einer Verbrennungskraftmaschine im Motorraum vorteilhaft, um die Abwärme effizienter zur Temperaturerhöhung zu nutzen. Des Weiteren kann zum Beschleunigen der Adsorptions-/Desorptionszyklen beispielsweise der Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine sowohl zum Kühlen auf das Adsorptionstemperaturniveau als auch zum Heizen auf das Desorptionstemperaturniveau genutzt werden. Hierzu kann die Sorptionsvorrichtung über ein steuerbares Mehrwege-Ventil mit dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine verbunden werden. Hierbei kann das Mehrwege-Ventil, insbesondere seine Stellung, von einer Steuereinheit derart gesteuert werden, dass das durch den Kühlkreislauf strömende Kühlmedium im Falle des Kühlens während des Adsorptionsschritts vom Kühler bezogen wird und im Falle des Heizens während des Desorptionsschritts nach Durchtritt durch die Verbrennungskraftmaschine bezogen wird.
Im Falle eines im Fahrzeugheck verbauten Wasser-Vorratsbehälters kann es vorteilhaft sein, die Sorptionsvorrichtung in der Nähe des Wasser-Vorratsbehälters anzuordnen. Beispielsweise ist dies in der Nähe des Radkastens eines der Hinterräder möglich. In diesem Falle können die Leitungswege zwischen Kondensationsvorrichtung und Wasser-Vorratsbehälter kurz gehalten werden. Ferner ist hierbei wie zuvor zu beachten, dass der Eintrag der Umgebungsluft in die Sorptionsvorrichtung ermöglicht ist. Weiterhin können im Falle des Anordnens im Motorraum Leitungen, die ein Wärmetransportmedium führen, an der Sorptionsvorrichtung vorbei und/oder entlang und/oder durch diese hindurch geführt werden, um einen Wärmeaustausch zu ermöglichen. Ferner können derartige Leitungen auch zum Heizen verwendet werden, wenn dies für die Desorption erforderlich ist. In diesem Fall kann das Wärmetransportmedium nach einem Wärmeaustausch mit der Verbrennungskraftmaschine, wodurch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine über das Wärmetransportmedium aufgenommen wird, durch die Leitungen geführt werden. Nach Durchtritt durch die Verbrennungskraftmaschine können Temperaturen des Wärmetransportmediums z.B. im Bereich um 100°C liegen. Der Wechsel zwischen Kühlen und Erhitzen kann beispielsweise über ein Mehrwegeventil bezüglich der unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten des Wärmetauschens ermöglicht werden.
In vorteilhafter Weiterbildung kann die verwendete Wärme für das Desorbieren von einer Verbrennungskraftmaschine des Fortbewegungsmittels stammen. Die Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine kann durch die oben beschriebenen Ausführungsformen realisiert werden. Ferner sind auch weitere Möglichkeiten eines Wärmetauschers denkbar. Beispielsweise kann bereits die Abwärme allein durch die räumliche Anordnung genutzt werden. Hierbei ist es z.B. denkbar, dass die Sorptionsvorrichtung nahe an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Hierbei findet der Wärmeübertrag hauptsächlich durch Wärmeströmung über die Luft bzw. durch Wärmestrahlung aus der Verbrennungskraftmaschine statt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das poröse Material diverse makroskopische Formen, nämlich eine Stapelform und/oder eine Lamellenform und/oder eine Kammform und/oder eine Säulenform und/oder eine Kreisringstruktur. Mit anderen Worten wird das poröse Material in Schichten, welche z.B. eine Streifenform aufweisen, in der Sorptionsvorrichtung angeordnet. Diese Schichten bilden insbesondere die vorgenannten Formen aus. Die Form des Materials gewährleistet hierbei, dass eine optimale Desorption und/oder Adsorption innerhalb der Sorptionsvorrichtung stattfinden kann. Hierbei ist der Vorteil der Form des porösen Materials unter anderem, dass ein Transport des Wassers aus der Umgebungsluft an das poröse Material zur Adsorption und ein Transport des Wassers nach der Desportion in die Kondensationsvorrichtung einfach möglich sind. Insbesondere kann eine vorbeschriebene geometrische Ausgestaltung über gewöhnliche Formgebungsverfahren, wie beispielsweise Granulieren und/oder Pressen und/oder Extrudieren, realisiert werden. Insbesondere ist das derart geformte Material innerhalb der Sorptionsvorrichtung befestigt. Zur Befestigung kommen insbesondere eine Verschraubung und/oder ein Verschweißen und/oder ein Eindehnen und/oder Aufschrumpfen und/oder ein Verkleben in Frage. Ferner kann das poröse Material eine Schichtdicke der Form zwischen 0,1 bis 10 mm aufweisen. Bei zu geringen Schichtdicken ist die Masse des porösen Materials, die je Volumen der Sorptionsvorrichtung baulich untergebracht werden kann, zu gering, um die gewünschten Mengen an gewonnenem Wasser je Adsoprtions-/Desorptionszyklus zu erreichen. Bei größeren Schichtdicken kann insbesondere die zur Verfügung stehende spezifische Oberfläche nicht ausreichend zur Adsorption genutzt werden. Der Transport von Wassermolekülen von der Oberfläche des porösen Materials hin zu weit innen liegenden Bereichen bei der Wasseradsorption resp. der Transport in die Gegenrichtung bei der Wasserdesorption dauert in diesem Fall zu lange, um die gewünschte Anzahl an Adsorptions-/Desorptionszyklen pro Zeit zu erreichen. Innerhalb des angegebenen Schickdickenbereiches kann eine optimale Adsorptions-Desorptionszyklenzahl pro Zeit stattfinden. Hierbei kann eine Sättigung des porösen Materials mit Wasser innerhalb von einer Zeitspanne von 1 bis 12 h erfolgen. Durch die Anordnung als Schichtmaterialien kann insbesondere ein möglichst großes Volumen des porösen Materials zur Adsorption bzw. Desorption genutzt werden, während eine ausreichend große spezifische Oberfläche zur Verfügung steht, damit Wasser an das poröse Material adsorbieren kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren eine zusätzliche Heizvorrichtung, welche zur Temperierung der Sorptionsvorrichtung bzw. des porösen Materials vorgesehen ist. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die zur Erreichung der Desorptionstemperatur benötigte Wärme nicht allein durch die Abwärme des Bauteils des Fortbewegungsmittels aufgebracht werden kann. Die Heizvorrichtung kann eine elektrische Heizung umfassen. Ferner kann durch eine zusätzliche Heizvorrichtung die Desorptionstemperatur bei Bedarf schneller eingestellt werden. Dies kann insbesondere dann wünschenswert sein, wenn der Wasser-Vorratsbehälter leer ist. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass eine größere Anzahl von Adsorptions-Desorptionszyklen stattfinden muss, damit der Wasser-Vorratsbehälter innerhalb einer kurzen Zeit wieder gefüllt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Fortbewegungsmittel einen PKW. Hierbei kann die Wassereinspritzung insbesondere aus dem Kondensat der Klimaanlage versorgt werden.
Zudem kann der Wasserdampf von außen der Oberfläche des Verdampfers der Klimaanlage zugeführt werden, wo der Wasserdampf kondensieren kann. In diesem Fall kann dieses Wasser zusammen mit dem übrigen beim Betrieb der Klimaanlage anfallenden Kondensat aufgefangen und dem Wasser-Vorratsbehälter zugeführt werden. Ein gesonderter Kondensator ist dann nicht notwendig. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das poröse Material vorzugsweise Mikroporen. Das poröse Material kann insbesondere zur weiteren Erhöhung der mechanischen Stabilität mit Trägermaterialien verbunden werden. Diese Trägermaterialien können z.B. makroporös sein. Hierbei ist lediglich wichtig, dass die Trägermaterialien den Transport der Wassermoleküle nicht behindern und der Verbund des porösen Materials mit dem Trägermaterialien dennoch eine verbesserte mechanische Stabilität aufweist. Als Trägermaterialien kommen insbesondere Aluminiumtrioxid und/oder dotierte SiC-Keramiken und/oder Titandioxide und/oder Metallschäume, wie z.B. Aluminiumschaum und/oder Kupferschaum und/oder Schäume aus Metalllegierungen, infrage. Die Herstellung kann hierbei über in-situ-Aufkristallisation des porösen Materials auf das Trägermaterial erfolgen. Insbesondere kann die Verbindung des porösen Materials und des Trägermaterials über Beschichtungsverfahren erfolgen. Hierfür kommen beispielsweise Spin-Coating und/oder Slurry-Coating und/oder Dip-Coating infrage. Insbesondere wird hierbei ein Binder verwendet. Insbesondere kommen hierzu Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit infrage, um den Wärmetransport zu verbessern. Dies ist insbesondere bei Aluminiumschäumen und/oder Kupferschäumen und/oder weiteren Schäumen aus Metalllegierungen der Fall. Als Binder kommen insbesondere kolloidales Siliziumdioxid und/oder Polymere und/oder Aluminiumoxid infrage. Das Verbundmaterial umfassend poröses Material und Trägermaterial, und optional Binder, wird in der vorliegenden Offenbarung auch als „poröses Verbundmaterial“ bezeichnet. Zur nochmaligen Erhöhung der mechanischen Stabilität des porösen Verbundmaterials kann dieses auf ein dünnes Substratmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebracht werden. Hierfür sind insbesondere Metalle wie Kupfer oder Aluminium oder Metalllegierungen geeignet.
Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie generellen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und die jeweils damit verbundenen technischen Effekte gleichsam.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, welches eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Dieses System kann insbesondere eine Sorptionsvorrichtung mit einem porösen Material und/oder einem porösen Verbundmaterial umfassen. Die Sorptionsvorrichtung ist eingerichtet, die Abwärme eines Bauteils des Fortbewegungsmittels für eine Desorption zu nutzen. Ferner ist das poröse Material eingerichtet, Wasser aus einer Umgebungsluft zu adsorbieren. Ferner kann die Sorptionsvorrichtung einen Einlass umfassen, durch welchen Umgebungsluft in diese eindringen kann. Ferner kann die Sorptionsvorrichtung einen Auslass umfassen, durch welchen diese mit einer Kondensationsvorrichtung verbunden ist. Insbesondere ist die Sorptionsvorrichtung fluiddicht durch die Ein- und Auslässe verschließbar. Im Falle einer Desorption kann die Verbindung mit der Kondensationsvorrichtung geöffnet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Automobil, welches ein System gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
6 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
7a eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
7b eine Schnittdarstellung in Querrichtung durch die siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
7c eine Schnittdarstellung in Längsrichtung durch die siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
8a eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
8b eine Schnittdarstellung in Querrichtung durch die achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
8c eine Schnittdarstellung in Längsrichtung durch die achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
9a eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
9b eine Schnittdarstellung in Querrichtung durch die neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
9c eine Schnittdarstellung in Längsrichtung durch die neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
10a eine Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
10b eine Schnittdarstellung in Querrichtung durch die zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
10c eine Schnittdarstellung in Längsrichtung durch die zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
11a einen Schnittdarstellung in Querrichtung durch eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
11b eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;
12a eine Frontansicht einer säulenförmigen Ausführungsform des porösen Materials;
12b eine Schnittdarstellung in Querrichtung einer säulenförmigen Ausführungsform des porösen Materials;
12c eine Schnittdarstellung in Querrichtung zur Darstellung in 12c;
13 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
14 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Automobils.

1 zeigt eine erste Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial in einer fluiddicht verschließbaren Sorptionsvorrichtung 2 befestigt. Das poröse Material 1 ist hier in Form von Schichten ausgestaltet. Die Sorptionsvorrichtung 2 umfasst ein Einlassventil 3 und ein Auslassventil 4. Ferner steht ein Temperatursensor 7 in thermischem Kontakt mit dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial. So kann zu jeder Zeit die Temperatur des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials genau bestimmt werden. Der Temperatursensor 7 ist beispielsweise mit einer Auswerteeinheit 29, z.B. einer CPU und/oder einem Mikrocontroller, verbunden. Diese Auswerteeinheit 29 kann auch dazu dienen, das Einlass- 3 und/oder das Auslassventil 4 zu öffnen. Ferner ist als Kondensationsvorrichtung, welche mit dem Auslassventil 4 der Sorptionsvorrichtung 2 verbunden ist, eine Leitung 5 vorgesehen. Diese Leitung 5 führt in einen Wasser-Vorratsbehälter 6. Dies kann beispielsweise ein Wasser-Vorratsbehälter 6 für eine Wassereinspritzung einer Verbrennungskraftmaschine 24 sein. Über die Auswerteeinheit 29 können das Einlassventil 3 und das Auslassventil 4 jeweils geöffnet und/oder geschlossen werden. Beispielsweise kann die Leitung 5 als ein negatives Gefälle hin zum Wasser-Vorratsbehälter 6 ausgestaltet sein. Ferner können die Einlassventile 3 und die Auslassventile 4 über eine Steuerleitung, z.B. ein Bus-System, mit der Auswerteeinheit 29 kommunizieren. Diese Auswerteeinheit 29 ist vorteilhafterweise mit einer Motorelektronik der Verbrennungskraftmaschine 24 verbunden oder in diese integriert und kann Informationen über den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 24 und des Fortbewegungsmittels 21 austauschen. Zusätzlich erhält die Auswerteeinheit 29 Daten von dem Temperatursensor 7. Entsprechend kann der Vorgang der Adsorption und/oder der Desorption koordiniert werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 29 das Einlassventil 3 im Falle der Adsorption öffnet und die Temperatur durch den Temperatursensor 7 überwacht. Im Falle einer Adsorption ist zudem das Auslassventil 4 geschlossen. Im Falle einer Desorption kann zunächst das Einlassventil 3 geschlossen werden. Ferner kann über oben definierte Maßnahmen, wie z.B. die Verwendung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 24 die Sorptionsvorrichtung 2 und somit das poröse Material 1 erhitzt werden. Hierbei wird das Wasser im Wesentlichen desorbiert. Zur Kondensation des Wassers kann hierbei das Auslassventil 4 geöffnet werden, wobei das desorbierte Wasser in die Leitung 5, welche hier als Kondensationsvorrichtung dient, geführt wird. Die Leitung 5 kann vorteilhafterweise einen Temperaturgradienten zwischen den beiden Leitungsenden, mit dem niedrigeren Temperaturniveau am dem Auslassventil 4 abgewandten Ende, aufweisen. Im Falle einer Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 24 für die Desorption können Adsorption und Desorption hierbei in unterschiedlichen Zeitintervallen stattfinden. Nach beispielsweise 1 bis 4 h des Nichtbetreibens des Fortbewegungsmittels 21 kann über eine Adsorption ausreichend Wasser durch das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial aufgenommen werden. Im Falle eines Betreibens der Verbrennungskraftmaschine 24 kann genug Abwärme zur Einstellung einer Desorptionstemperatur, beispielsweise im Falle eines MOFs von etwa 65 °C, aufgebracht werden. Derartige Adsorptions-/Desorptionszyklen sind beliebig oft wiederholbar. Beispielsweise kann zur Ermittlung der Adsorptions- bzw. Desorptionszeiten in einem Speicher 32, welcher ebenfalls mit der Auswerteeinheit 29 verbunden ist, ein Modell für den Wassergehalt des porösen Materials 1 hinterlegt sein. Für die relative Luftfeuchtigkeit wird hierbei, falls diese nicht bekannt ist, eine geeignete Annahme getroffen, wobei beispielsweise ein fixer Wert von 20 % innerhalb dieses Modells definiert wird. Dieses Modell ist beispielsweise im Rahmen der Produktentwicklung kalibrierbar. Auch im Rahmen eines Services kann dieses Modell aktualisiert werden. Beispielsweise kann als Teil des Modells im Speicher 32 der Auswerteeinheit 29 ein unterer und ein oberer Schwellwert für die Temperatur des porösen Materials 1 hinterlegt sein. Der untere Schwellwert kann beispielsweise 25°C bis 35°C betragen, wobei der obere Schwellwert abhängig vom gewählten porösen Material 1 ist. Dieser liegt beispielsweise bei 65°C für metallorganische Netzwerke wie MOF-801 und 300 °C beispielsweise für Zeolithe. Hierbei wird angenommen, dass bei geöffnetem Einlassventil 3 und geschlossenem Auslassventil 4 unterhalb des unteren Schwellwertes Wasser durch das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial adsorbiert wird. Die Adsorptions- und Desorptionsraten in Abhängigkeit des Wassergehaltes des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials können beispielsweise als Teil des Modellkalibrierungsprozesses empirisch ermittelt werden und in das Modell integriert werden. Hierbei kommt es auf das jeweilige Material an. Ist dem Modell zufolge ein Großteil des Wassers von dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial beispielsweise desorbiert, kann das Auslassventil 4 geschlossen werden. Zugleich kann das Einlassventil 3 geöffnet werden, so dass das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial erneut Wasser aus der Umgebung bzw. der Atmosphäre adsorbieren kann.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel 20 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist ein Kondensator 8 zusätzlich zur Leitung 5 angeordnet. Ferner ist dieser Kondensator 8 mit einer Verbindungsleitung 9 mit dem Wasser-Vorratsbehälter 6 verbunden. Die Leitung 5, der Kondensator 8 und die Verbindungsleitung 9 bilden hierbei die Kondensationsvorrichtung. Eine derartige Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Wasserdampf nach der Desorption innerhalb der Leitung 5 nicht ausreichend schnell abkühlt. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Umgebungsluft eine zu hohe Temperatur aufweist und somit eine Leitung 5 für eine Kondensation nicht ausreichend ist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform 30 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist in Ergänzung zur zweiten Ausführungsform 20 des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich eine Pumpe 18 vorgesehen, welche mit der ersten Verbindungsleitung 9 und mit einer zweiten Verbindungsleitung 11 verbunden und zwischen dem Kondensator 8 und dem Wasser-Vorratsbehälter 6 angeordnet ist. Hierbei ist die Pumpe 18 insbesondere vorteilhaft, um den Transport des desorbierten Wassers aus der Sorptionsvorrichtung 2 in den Wasser-Vorratsbehälter 6 zu beschleunigen.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform 40 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist, in Ergänzung zur dritten Ausführungsform 30 aus 3, zusätzlich eine Heizung 12 in der Sorptionsvorrichtung 2 in Verbindung mit dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial angeordnet. Diese Heizung 12 kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn hohe Desorptionstemperaturen, wie im Falle von Zeolithen, nötig sind.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform 50 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei wird die Sorptionsvorrichtung 2 und/oder das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial durch Kühlleitungen 13 durchdrungen. Diese können beispielsweise vorgesehen sein, um Wärmetransportmedien zu führen, die in den standardmäßig bestehenden Kühlkreislauf einer Verbrennungsmaschine 24 integriert sind. Hierbei können durch die Kühlleitungen 13 insbesondere dann Wärmetransportmedien zur Kühlung geführt werden, wenn eine Abkühlung des porösen Materials 2 auf eine Adsorptionstemperatur notwendig ist. Beispielsweise kann bei einer zu hohen Temperatur des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials innerhalb der Sorptionsvorrichtung 2 von 100°C auf die geeignete Adsorptionstemperatur von z.B. 25 °C gekühlt werden.
6 zeigt eine sechste Ausführungsform 60 des erfindungsgemäßen Systems. Anders als bei der fünften Ausführungsform 50 sind hier zur Kühlung Peltierelemente 14 innerhalb der Sorptionsvorrichtung 2 angeordnet. Vorzugsweise stehen diese Peltierelemente 14 in thermischem Kontakt mit dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial. Zusätzlich können die Peltierelemente 14 auch zum Heizen des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials auf ein Temperaturniveau verwendet werden.
7a zeigt eine Draufsicht auf eine Sorptionsvorrichtung 2 gemäß einer siebten Ausführungsform 70 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei wird die Sorptionsvorrichtung 2 durch Kühlleitungen 13 durchdrungen, welche in Kontakt mit dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial stehen. Hierbei ist das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial in einer Stapelform angeordnet. Durch diese Geometrie des porösen Materials ist ein optimaler Adsorptions-Desorptionszyklus möglich. Bei einem geöffneten Einlassventil 3 und geschlossenem Auslassventil 4 kann eine optimierte Wasseradsorption erfolgen. Bei einem abgesperrten Einlassventil 3 und einem geöffneten Auslassventil 4 ist eine optimierte Desorption und im Weiteren eine Kondensation des Wassers möglich. Ferner bezeichnet d_A die Schichtdicke des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials. Diese Schichtdicke d_A kann im Bereich von 0,1 bis 10 mm liegen. Hierbei ist es vorteilhaft, dass durch die besondere Schichtgeometrie des porösen Materials eine Sättigung mit zu adsorbierenden Wassermolekülen innerhalb einer Zeitspanne von kleiner 1 bis 12 h möglich ist. Ferner ist das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial mit einem Substratmaterial 23, z.B. einem Metall verbunden, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. d_M bezeichnet die Dicke des Substratmaterials 23, welches auch als ein das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial „tragendes Substrat“ verstanden werden kann. Die Schichtdicke dieses Materials d_M liegt idealerweise in einem Bereich von 0,1 bis 3 mm.
7b zeigt eine Schnittdarstellung in Querrichtung A durch die Ausführungsform 70. Hierbei wird die Anordnung des Substratmaterials 23 zur Stabilisierung des porösen Materials 1 verdeutlicht.
7c zeigt eine Illustration einer Schnittdarstellung der siebten Ausführungsform 70 in Querrichtung B.
8a zeigt eine Ausführungsform einer Sorptionsvorrichtung 2 gemäß einer achten Ausführungsform 80 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei wird eine Lamellenform des Substratmaterials 23 und des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials gezeigt, wobei die Lamellenform dazu dient, die Stabilität des Verbundmaterials, also der Kombination des Substratmaterials 23 und des porösen Materials 1 und/oder des porösen Verbundmaterials, weiter zu erhöhen.
Darüber hinaus wird in 8b eine Schnittdarstellung der achten Ausführungsform 80 in Querrichtung A gezeigt, wobei die Diffusionswege für das Wasser durch die Lamellenstruktur vergrößert sind.
8c zeigt einen Schnittdarstellung in Längsrichtung B bezüglich der achten Ausführungsform 80.
9a zeigt eine Draufsicht gemäß einer neunten Ausführungsform 90 einer Sorptionsvorrichtung 2 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei wird, anders als bei der achten Ausführungsform 80, eine Kammform gezeigt. Dies ist eine weitere Option, die Adsorptionsgeometrie hinsichtlich der Transportvorgänge des Wassers und der Adsorptionskapazität zu erhöhen.
Darüber hinaus zeigt 9b einen Schnitt in Querrichtung A.
Die Kammstruktur wird insbesondere durch den Schnitt in Längsrichtung B in 9c deutlich.
10a zeigt eine Draufsicht auf eine Sorptionsvorrichtung 2 einer zehnten Ausführungsform 100 des erfindungsgemäßen Systems.
10b zeigt eine Schnittdarstellung in Querrichtung A der zehnten Ausführungsform 100.
10c zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung B der zehnten Ausführungsform. Hierbei werden das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial und das Substratmaterial 23 in Form eines Gitters, wie insbesondere hierzu sehen ist, ausgestaltet. Hierbei können sowohl die Diffusionswege als auch die Adsorptionswege als auch die Stabilität erhöht werden.
11a zeigt eine Draufsicht auf eine Säulenstruktur gemäß einer elften Ausführungsform 110 des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei wird das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial innerhalb der Sorptionsvorrichtung 2 in Form von Säulen ausgestaltet. Das Substratmaterial 23 ist als Stabilisator als eigene Säule innerhalb dieser ausgestaltet. Das poröse Material 1 und/oder das poröse Verbundmaterial ummantelt sozusagen das Substratmaterial 23.
Eine Schnittdarstellung in Querrichtung A, welche die Säulen aus Substratmaterial 23 und porösem Material 1 und/oder porösem Verbundmaterial innerhalb der Sorptionsvorrichtung 2 zeigt, wird in 11b gezeigt.
12a zeigt Draufsicht auf eine Mehrfach-Kreisringstruktur gemäß einer zwölften Ausführungsform 120, welche sich durch den Verbund aus dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial und dem Substratmaterial 23 ergibt.
Hierbei ist diese Kreisringstruktur gemäß 12b innerhalb der Sorptionsvorrichtung 2 angeordnet. Ferner zeigt 12c eine Schnittdarstellung der Struktur aus 12b in Querrichtung B, wobei die Ringe untereinander zur Stabilisierung verbunden sind.
13 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren betrifft eine Wassergewinnung für eine Versorgung 28 der Wassereinspritzung einer Verbrennungskraftmaschine 24 eines Fortbewegungsmittels 21. Hierbei wird in einem ersten Schritt 1000 Wasser aus einer Umgebungsluft an einem porösen Material 1 und/oder einem porösen Verbundmaterial, insbesondere MOF-801, innerhalb einer Sorptionsvorrichtung 2 adsorbiert. Die Adsorption findet vorzugsweise bei 25 °C statt.
In einem zweiten Schritt 2000 erfolgt ein Desorbieren des aus der Umgebungsluft adsorbierten Wassers von dem porösen Material 1 und/oder dem porösen Verbundmaterial unter Verwendung einer Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 24 des Fortbewegungsmittels 21. Hierbei findet die Desorption vorzugsweise bei 65 °C statt. In einem dritten Schritt erfolgt ein Kondensieren 3000 des desorbierten Wassers mit der Sorptionsvorrichtung 2 verbundenen Leitung 5. Hierbei wird das Wasser über das Öffnen eines Auslassventils 4 der Sorptionsvorrichtung 2 in die Leitung 5 geführt, wo es kondensiert. In einem vierten Schritt 4000 wird das kondensierte Wasser in einem Wasser-Vorratsbehälter 6 des Fortbewegungsmittels 21 geführt.
14 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Automobils 21. Dieses Automobil 21 enthält in der Nähe des Motors 24 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10. Ferner ist die Versorgung der Wassereinspritzung 28, welche z.B. eine Einspritzpumpe und ein oder mehrere Einspritzventile umfasst, mit dem Motor 24 verbunden. Aus dem Wasser-Vorratsbehälter 6 kann für die Versorgung der Wassereinspritzung 28 Wasser bereitgestellt werden. Ferner ist die Sorptionsvorrichtung 2 mit einer Wärmetransportleitung 27 verbunden, welche ein wärmeleitfähiges Medium, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, führt, welches die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine aufnimmt. Die Wärmetransportleitung 27 verläuft außen an der Sorptionsvorrichtung 2 entlang, um diese mithilfe des wärmeleitfähigen Mediums auf eine geeignete Temperatur zu bringen. So kann die Abwärme des Motors 24 genutzt werden. Ferner ist eine Auswerteeinheit 29 gezeigt, welche mit einem Speicher 32 und sämtlichen weiteren Komponenten verbunden ist. Die Auswerteeinheit 29 übernimmt die wie oben definierte Aufgabe der Regulierung des Wärmetransports und/oder der Adsorptions- und Desorptionszyklen.
Sämtliche Materialien der vorliegenden Offenbarung, welche Substratmaterialien und/oder poröse Materialien 1 und/oder poröse Verbundmaterialien, wie z.B. MOFs und/oder Zeolithe und oder Verbundmaterialien enthalten, können mit den Verfahren nach Kim et al., Science Vol. 356, Issue 6336, pp. 430-434 (2017) und/oder Fukuwara et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4369-4381 und/oder Schwab, Kompositmaterialien auf Basis von aluminiumhaltigen Trägern und faujasitischen Zeolithen durch in-situ Aufkristallisation, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Diss., 2014 und/oder Barg et al., Journal of Porous Materials, February 2011, Volume 18, Issue 1, 8998 und/oder Bonaccorsi et al., J. Chem. Eng. Jpn. 40, 13 (2007) 1307-1312 und/oder Narayanan et al. Appl Energy 149 (2015) 104-116 Verfahren hergestellt und charakterisiert werden.
Im Übrigen können für die Synthese und/oder Präparation der hier angegebenen porösen Materialen konventionelle, dem Fachmann bekannte Synthese- und/oder Präparationstechniken herangezogen werden. Darüber hinaus eignen sich sämtliche kommerziell erhältliche poröse Materialien 1 und/oder poröse Verbundmaterialien und/oder Substratmaterialien 23 und oder Verbundmaterialien.
Die Porengrößen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden nach Fukuwara et al., J. Am. Chem. Soc, 2014, 136 (11), pp. 4369-4381 mithilfe der Software PLATON im Verbindung mit Spek, A. L., Acta Crystallogr., 2009, D65, 148 (vgl. auch 1Spek, A. L. (2005). PLATON. A Multipurpose Crystallographic Tool. Utrecht, University, NL, available via http://www.cryst.chem.uu.nl/platon (for Unix) and http://www.chem.gla.ac.uk/~louis/software/platon/ (for MS Windows)) ermittelt. Ferner kann auch die Methode zur Bestimmung der Porengröße nach Küppers et al., J. Appl. Cryst. (2006), 38, 338-346 verwendet werden.
Ferner wird für die Bestimmung der BET-Oberfläche der hier diskutierten Materialien ebenfalls die Messmethode aus Fukuwara et al., J. Am. Chem. Soc, 2014, 136 (11), pp. 4369-4381 verwendet.
Bezugszeichenliste

1: poröses Material
2: Sorptionsvorrichtung
3: Einlassventil
4: Auslassventil
5: Leitung
6: Wasser-Vorratsbehälter
7: Temperatursensor
8: Kondensator
9: erste Verbindungsleitung
10: erste Ausführungsform
11: zweite Verbindungsleitung
12: Heizung
13: Kühlleitungen
14: Peltierelemente
18: Pumpe
20: zweite Ausführungsform
21: Fortbewegungsmittel
23: Substratmaterial
24: Verbrennungskraftmaschine
27: Wärmetransportleitung
28: Versorgung der Wassereinspritzung
29: Auswerteeinheit
30: dritte Ausführungsform
32: Speicher
40: vierte Ausführungsform
50: fünfte Ausführungsform
60: sechste Ausführungsform
70: siebte Ausführungsform
80: achte Ausführungsform
90: neunte Ausführungsform
100: zehnte Ausführungsform
110: elfte Ausführungsform
120: zwölfte Ausführungsform
1000: bis 4000 Verfahrensschritte
A: Längsrichtung
B: Querrichtung
d_A: Schichtdicke des porösen Materials
d_M: Schichtdicke des Substratmaterials

Claims

Verfahren zur Wassergewinnunginnerhalb eines Fortbewegungsmittels (21) umfassend die Schritte: • Adsorbieren (1000) von Wasser aus einer Umgebungsluft an einem porösen Material (1) innerhalb einer Sorptionsvorrichtung (2); • Desorbieren (2000) des aus der Umgebungsluft adsorbierten Wassers aus dem porösen Material (1) unter Verwendung einer Abwärme eines Bauteils (24) des Fortbewegungsmittels (21); und • Kondensieren (3000) des desorbierten Wassers in einer mit der Sorptionsvorrichtung (2) verbundenen Kondensationsvorrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (1) eine Stapelform und/oder eine Lamellenform und/oder eine Kammform und/oder eine Säulenform und/oder eine Kreisringstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das poröse Material (1) Zeolithe und/oder metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) und/oder Aktivkohle und/oder Kieselgel und/oder Kohlenstoffnanoröhren und/oder poröses Glas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das poröse Material (1) eine spezifische BET-Oberfläche von 500 m²/g bis 7 000 m²/g aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Desorptionstemperatur 50 °C bis 500 °C beträgt und/oder eine Adsorptionstemperatur -20 °C bis 40 °C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Adsorptionstemperatur mittels einer Kühlvorrichtung (13) des Fortbewegungsmittels (21) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verwendete Abwärme für das Desorbieren von einer Verbrennungskraftmaschine (24) des Fortbewegungsmittels (21) stammt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend die Verwendung einer zusätzlichen Heizvorrichtung (12) für den Schritt des Desorbierens (2000).
System (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120), welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen umfassend das poröse Material (1) innerhalb der Sorptionsvorrichtung (2) und die mit der Sorptionsvorrichtung (2) verbundene Kondensationsvorrichtung (5), wobei das poröse Material (1) eingerichtet ist, Wasser aus der Umgebungsluft zu adsorbieren, das aus der Umgebungsluft adsorbierte Wasser unter Verwendung der Abwärme des Bauteils (24) des Fortbewegungsmittels (21) zu desorbieren und die Kondensationsvorrichtung (5) eingerichtet ist, das von dem porösen Material (1) desorbierte Wasser zu kondensieren.
Automobil (21) umfassend ein System (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) nach Anspruch 8.