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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkrafteinrichtung.
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Es besteht ein grundsätzlicher Bedarf, Gasgemische, die brennbare Stoffe, insbesondere brennbare Gase, aufweisen, und die insbesondere ansonsten in die Umwelt austreten, zu verwerten. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Gasgemische Methan enthalten, da dieses brennbare Gas eine besonders hohe Klimarelevanz aufweist. Werden solche Gasgemische lediglich abgefackelt, entsteht hierbei keinerlei Mehrwert. Bevorzugt wird daher eine thermische und/oder motorische Verwertung. Ist allerdings die Konzentration der brennbaren Gase in solchen Gasgemischen gering, oder weisen die enthaltenen brennbaren Gase bereits von sich aus eine niedrige Zündwilligkeit auf, ist insbesondere die gasmotorische Verwertung problematisch. Es kann dann im Motor insbesondere zu verschleppten Verbrennungen kommen, wodurch beispielsweise Standzeiten von Zylinderköpfen und/oder Abgasturboladern verringert sind. Je nach Gehalt an brennbaren Gasen ist eine gasmotorische Verwertung eines solchen Gasgemischs gar nicht möglich. Diese Problematik ergibt sich insbesondere in Zusammenhang mit Gasgemischen aus Lagerstätten fossiler Primärenergieträger.
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Besonders problematisch ist dies beispielsweise im Bereich der Kohleförderung, wo sowohl bei der Erschließung von Kohlevorkommen, als auch während des Betriebs einer Zeche, und noch bei stillgelegter Mine Methan freigesetzt wird, das in der Kohle gebunden oder physikalisch angelagert ist. Diese Methanfreisetzung kann über Jahrzehnte hinweg andauern, auch wenn die Mine bereits stillgelegt ist. Während eine gasmotorische Verbrennung des methanhaltigen Minengases insbesondere während des Betriebs der Zeche und auch noch eine gewisse Zeit nach deren Stilllegung möglich ist, verschlechtert sich jedoch im weiteren Verlauf der Zeit die Zündwilligkeit des Minengases, da die Methankonzentration abnimmt. Dabei kommt unweigerlich ein Punkt, an welchem die gasmotorische Verbrennung des Minengases nicht mehr möglich ist. Das Minengas muss dann in die Umwelt abgelassen oder anderweitig, beispielsweise durch Flaring, umgesetzt werden.
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Aus
AT 511 338 A4 geht eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein stationärer Gasmotor, hervor, umfassend einen Brennraum, dem über eine Brennraumleitung ein Treibstoff aus einer ersten Treibstoffquelle zuführbar ist, eine Vorkammer, der über eine Spülgasleitung eine Spülgas zuführbar ist, wobei ein Spülgasmischer vorgesehen ist, in dem ein über eine Treibstoffleitung zuführbarer Treibstoff aus der ersten Treibstoffquelle oder aus einer zweiten Treibstoffquelle und ein über eine Synthesegasleitung zuführbares Synthesegas mischbar sind und wobei ein Mischerausgang in die Spülgasleitung mündet, wobei das Synthesegas durch einen Reformer erzeugbar ist, dem über eine Reformerzuleitung ein Brennstoff aus einer Brennstoffquelle zuführbar ist und dessen Reformerausgang in die Synthesegasleitung mündet, wobei eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Synthesegases vorgesehen ist.
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Aus
AT 12 727 U1 geht ein Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases einer Biogasaufbereitungsanlage hervor, wobei der Biogasaufbereitungsanlage ein Biogas zur Reinigung und Aufbereitung zugeführt wird und die Biogasaufbereitungsanlage ein Produktgas und Abgas abgibt, wobei der Methangehalt des Abgases in einem Methankonzentrator erhöht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkrafteinrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei es insbesondere möglich sein soll, auch anderweitig nicht gasmotorisch verwertbare Gasgemische einer gasmotorischen Verwertung zuzuführen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkrafteinrichtung geschaffen wird, bei welchem einer Reaktionskammer ein erstes, weniger zündwilliges Gasgemisch zugeführt wird. Das erste Gasgemisch wird in der Reaktionskammer zu einem zweiten, zündwilligeren Gasgemisch umgesetzt. Dabei ist das zweite Gasgemisch zündwilliger als das erste Gasgemisch; entsprechend ist das erste Gasgemisch weniger zündwillig als das zweite Gasgemisch. Durch die Umsetzung in der Reaktionskammer wird also die Zündwilligkeit des ersten Gasgemischs erhöht, indem dieses zu dem zweiten Gasgemisch umgesetzt wird.
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Das zweite Gasgemisch wird einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführt und in dem Brennraum - vorzugsweise unter Abgabe mechanischer Leistung - zu Abgas umgesetzt.
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Im Rahmen des Verfahrens ist nun vorgesehen, dass ein Teilstrom des Abgases aus dem Brennraum in die Reaktionskammer zurückgeführt wird, wobei der Teilstrom des Abgases in der Reaktionskammer an der Umsetzung zu dem zweiten Gasgemisch teilnimmt. Als das erste Gasgemisch wird ein Minengas verwendet.
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Mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens ist es möglich, auch wenig zündwillige oder sogar nicht zündwillige, insbesondere gasmotorisch ansonsten nicht verwertbare Gasgemische einer gasmotorischen Verwertung zuzuführen, indem ein solches Gasgemisch in der Reaktionskammer zu einem zündwilligeren Gasgemisch umgesetzt wird, wobei die Brennkraftmaschine mit dem zündwilligeren, zweiten Gasgemisch betrieben wird. Dabei wirkt sich die Rückführung eines Teilstroms des Abgases aus dem Brennraum in die Reaktionskammer besonders förderlich bei der Umsetzung zu dem zweiten Gasgemisch aus. Es kann dadurch zum einen der Anteil brennbarer Gase in dem zweiten Gasgemisch zusätzlich gesteigert werden, sodass dessen in dem Brennraum umsetzbarer energetischer Gehalt und dessen Zündwilligkeit weiter steigen, und es können zum anderen Emissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden, indem unverbrannte Anteile des Abgases zurückgeführt und einer Umsetzung in der Reaktionskammer und/oder einer Verbrennung in dem Brennraum zugeführt werden. Aufgrund dieses Effekts kann für den Betrieb der Brennkraftmaschine sogar eine weniger vollständige Verbrennung in dem Brennraum in Kauf genommen werden, wodurch ein Freiheitsgrad besteht, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu steigern.
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Unter der Zündwilligkeit eines Gasgemischs wird hier insbesondere eine Größe verstanden, die Auskunft gibt über einen Zündverzug des Gasgemischs bei dessen Verwendung als Brennstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine. Dabei ist ein zündwilligeres Gasgemisch insbesondere leichter und/oder schneller entflammbar als ein weniger zündwilliges Gasgemisch.
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Vorzugsweise weist das zweite Gasgemisch einen höheren Wasserstoff-Anteil auf als das erste Gasgemisch. Wasserstoff ist ein äußerst zündwilliges Gas, sodass ein Gasgemisch umso zündwilliger ist, je höher dessen Wasserstoffanteil ist. Insbesondere wird der Wasserstoffanteil des Gasgemischs bei der Umsetzung in der Reaktionskammer erhöht.
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Dem Brennraum der Brennkraftmaschine wird außer dem zweiten Gasgemisch auch Verbrennungsluft zugeführt. Dies kann separat von der Zufuhr des zweiten Gasgemischs oder gemeinsam mit diesem geschehen.
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Insbesondere wird ein erster Teilstrom des Abgases aus dem Brennraum in die Reaktionskammer zurückgeführt, während ein zweiter Teilstrom des Abgases - gegebenenfalls nach einer Abgasnachbehandlung - in die Umwelt der Brennkrafteinrichtung entlassen wird. Es ist auch möglich, dass ein Unter-Teilstrom des zweiten Teilstroms im Rahmen einer Abgasrückführung zurück in den Brennraum der Brennkraftmaschine geführt wird.
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Unter einem „Gas“ wird hier und im Folgenden insbesondere ein gasförmiger Reinstoff verstanden, das heißt ein chemischer Stoff, der unter Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Unter einem brennbaren Gas oder einem Brenngas wird entsprechend ein gasförmiger, brennbarer Stoff verstanden. Ein Gasgemisch ist demgegenüber ein Gemisch aus mindestens zwei Gasen. Ein brennbares Gasgemisch weist wenigstens ein brennbares Gas auf. Von einem brennbaren Gasgemisch kann demnach auch dann gesprochen werden, wenn - beispielsweise im Fall des ersten Gasgemischs - dieses so zündunwillig ist, dass es nicht gasmotorisch verwertbar ist, insbesondere weil der Anteil brennbarer Gase hierfür zu gering ist. Da das erste Gasgemisch gleichwohl wenigstens ein brennbares Gas aufweist, handelt es sich trotzdem um ein brennbares Gasgemisch im Sinne der obigen Definition.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Gasgemisch einen Brenngasanteil, insbesondere einen Methananteil, von weniger als 50 %, vorzugsweise von weniger als 30 %, vorzugsweise von weniger als 25 %, vorzugsweise von weniger als 20 %, vorzugsweise von weniger als 15 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, vorzugsweise von weniger als 2 %, vorzugsweise von weniger als 1 %, aufweist. Selbst Gasgemische mit einem derart geringen Brenngasanteil können im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens noch verwertet werden.
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Alle Prozentangaben, auch im Folgenden, beziehen sich auf Volumenanteile, sind also Angaben in Volumen-%.
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Unter einem Brenngasanteil wird hier insbesondere der Gehalt eines Gasgemischs an wenigstens einem Brenngas verstanden. Insbesondere wird unter dem Brenngasanteil der Anteil der Summe aller von dem Gasgemisch enthaltenen Brenngase an dem Gasgemisch insgesamt verstanden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als das erste Gasgemisch ein Minengas als ein Gasgemisch aus einer Lagerstätte eines fossilen Primärenergieträgers verwendet wird. Unter einem Gasgemisch aus einer Lagerstätte eines fossilen Primärenergieträgers wird dabei insbesondere ein Gasgemisch verstanden, welches in einer solchen Lagerstätte vorhanden ist oder entsteht, und das bei der Förderung des fossilen Primärenergieträgers, insbesondere als Begleitgas, mitgefördert wird, frei wird oder austritt. Unter einem Minengas wird insbesondere ein Gasgemisch verstanden, welches in oder aus einer Mine oder Zeche, insbesondere einer Kohlemine oder Kohlezeche, freigesetzt wird. Bei dem Minengas handelt es sich bevorzugt um Minengas einer Kohlemine oder Kohlezeche, insbesondere Steinkohlemine oder Steinkohlezeche. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile, da die Verwertbarkeit dieses in der Regel kostenlosen brennbaren Gasgemischs über die gesamte Lebensdauer der Mine oder Zeche - einschließlich der Zeit nach deren Stilllegung - erhöht wird. Somit werden Treibhausgasemissionen reduziert, und eine Versorgung von zum Betrieb selbst einer stillgelegten Mine notwendigen Einrichtungen und/oder eine Stromversorgung durch das Minengas kann zeitlich erweitert werden. Insbesondere können gasmotorisch gerade noch verwertbare oder bereits nicht mehr verwertbare Minengase mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens in ein gasmotorisch verwertbares Gasgemisch umgewandelt werden, sodass insbesondere eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist. Somit können auch verschleppte Verbrennungen und damit ein erhöhter Motorverschleiß und/oder Motorschäden vermieden werden. Analoge Vorteile ergeben sich in nicht zur Erfindung gehörender Weise auch für andere Gasgemische aus Lagerstätten fossiler Primärenergieträger.
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Treibhausgasemissionen werden verringert, insbesondere da das von dem Minengas umfasste Methan nicht in die Umwelt entlassen, sondern vielmehr verwertet wird. Nach der Stilllegung einer Mine oder Zeche kann es - je nach geologischer Situation - erforderlich sein, über viele Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte eine Wasserhaltung der Mine oder Zeche zu gewährleisten:
- Durch die Perforation des Kohleflözes könnten ansonsten benachbarte Gebiete unter Wasser gesetzt werden. Hierzu werden typischerweise elektrisch betriebene Wasserpumpen benötigt. Die elektrische Energie wird bevorzugt im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens mittels der Brennkraftmaschine erzeugt, die einen Generator antreibt. Somit kann die Gesamtwirtschaftlichkeit einer solchen Mine oder Zeche erhöht werden, insbesondere da das Minengas kostenlos zur Verfügung steht und ohnehin vorhanden ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als das erste Gasgemisch ein Gemisch von Minengas mit Ventilationsluft einer Mine, insbesondere einer Kohlemine, insbesondere Steinkohlemine, verwendet wird. Solche Minen oder Zechen müssen nicht nur während ihres Betriebs, sondern typischerweise noch lange nach ihrer Stilllegung mit Ventilationsluft beaufschlagt werden, um eine Anreicherung brennbarer Gase und insbesondere die Ausbildung explosionsfähiger Gemische in der Mine zu vermeiden. Ansonsten drohen angesichts der Größe dieser Anlagen katastrophale Verpuffungen oder Explosionen. Die aus der Mine oder Zeche austretende Ventilationsluft ist selbst methanhaltig, allerdings in deutlich geringerem Umfang als das Minengas. Gleichwohl ist ein Entlassen der Ventilationsluft in die Umwelt aus Klimaschutzgründen problematisch. Es ist möglich, dass die Ventilationsluft einen Methangehalt von 1 % aufweist, wobei das Minengas beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Methananteil von ungefähr 25 % aufweisen kann.
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Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird bevorzugt neben dem Minengas auch die Ventilationsluft gasmotorisch verwertet, indem sie zusammen mit dem Minengas in der Reaktionskammer zu einem zündwilligeren Gasgemisch umgesetzt wird, welches dann in der Brennkraftmaschine zum Betrieb derselben verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als erstes Gasgemisch ein Gemisch von Minengas mit Ventilationsluft in einem Verhältnis von mindestens 1:3 bis höchstens 1:7, vorzugsweise von mindestens 1:4 bis höchstens 1: 6, vorzugsweise von 1:5 - mit dem höheren Anteil an Ventilationsluft - verwendet wird. Selbst derart schwach zündwillige Gasgemische mit beispielsweise einem Methananteil von höchstens 5 %, können im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens noch gasmotorisch verwertet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Reaktionskammer wenigstens eine Reaktion durchgeführt wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer katalytischen Kohlenwasserstoff-Umwandlung, insbesondere einer katalytischen Methan-Umwandlung; einer Dampfreformierung; einer partiellen Oxidation, insbesondere von Methan; und einer Wassergas-Shift-Reaktion. Jede dieser Reaktionen ist in besonderer Weise geeignet, die Zündwilligkeit eines brenngashaltigen, insbesondere Kohlenwasserstoff-haltigen, Gasgemischs zu erhöhen, insbesondere durch Bildung von Wasserstoff.
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Unter einer Dampfreformierung von Methan wird insbesondere eine Reaktion nach der folgenden Reaktionsgleichung verstanden:
CH4(g) + H2O(g) ⇌ CO(g) + 3 H2(g) . (1)
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Unter einer partiellen Oxidation von Methan wird insbesondere eine Reaktion nach der folgenden Reaktionsgleichung verstanden:
2 CH4(g) + O2(g) ⇌ 2 CO(g) + 4 H2(g) . (2)
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Unter einer Wassergas-Shift-Reaktion wird insbesondere eine Reaktion gemäß der folgenden Reaktionsgleichung verstanden:
CO(g) + H2O(g) ⇌ CO2(g) + H2(g) . (3)
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des hier vorgeschlagenen Verfahrens werden in der Reaktionskammer bevorzugt wenigstens zwei der oben genannten Reaktionen durchgeführt, vorzugsweise genau zwei Reaktionen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden in der Reaktionskammer wenigstens drei der oben genannten Reaktionen durchgeführt, vorzugsweise genau drei.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des hier vorgeschlagenen Verfahrens werden in der Reaktionskammer genau drei der zuvor genannten Reaktionen durchgeführt, nämlich die Dampfreformierung, insbesondere gemäß Reaktionsgleichung (1), die partielle Oxidation, insbesondere gemäß Reaktionsgleich (2), und die Wassergas-Shift-Reaktion, insbesondere gemäß Reaktionsgleichung (3).
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Insbesondere in Zusammenhang mit der Verwertung eines Minengases, oder eines Gasgemischs aus Minengas und Ventilationsluft einer Mine, ergeben sich besondere Vorteile: So umfasst das Minengas insbesondere Methan und Wasserdampf, sowie in geringen Mengen Sauerstoff, außerdem einen großen Stickstoff-Anteil. Da das Minengas als solches bereits sowohl Methan als auch Wasserdampf aufweist, kann es mittels Dampfreformierung zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff - gemäß Reaktionsgleichung (1) - umgesetzt werden, wobei zum einen Wasserstoff besonders zündwillig ist, und zum anderen sowohl Kohlenmonoxid als auch Wasserstoff als Brennstoff in dem Brennraum der Brennkraftmaschine verwertet werden können.
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Durch die Rückführung des ersten Teilstroms des Abgases aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine in die Reaktionskammer wird dort der Sauerstoffanteil auf der Eduktseite erhöht, insbesondere wenn - in bevorzugter Weise - in dem Brennraum eine magere Verbrennungsreaktion mit Sauerstoffüberschuss durchgeführt wird, sodass das Abgas sauerstoffhaltig ist. Somit kann mittels des in die Reaktionskammer zurückgeführten Abgases die partielle Oxidation zusätzlich zur Dampfreformierung unterhalten werden, sodass eine erhöhte Menge an Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt werden kann. Weiterhin kann mittels der partiellen Oxidation zumindest teilweise die für die Dampfreformierung benötigte Reaktionswärme aufgebracht werden.
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Das mit dem Abgas - bei unvollständiger Verbrennung in dem Brennraum - in der Reaktionskammer eingebrachte Kohlenmonoxid kann im Rahmen der Wassergas-Shift-Reaktion, insbesondere nach Reaktionsgleichung (3) umgesetzt werden zu Kohlendioxid und Wasserstoff, wodurch die Menge an Wasserstoff weiter erhöht wird. Zugleich kann diese Gleichgewichtsreaktion aber auch umgekehrt verlaufen, sodass aus von dem Abgas umfasstem Kohlendioxid wiederum als Brennstoff nutzbares Kohlenmonoxid erzeugt werden kann.
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Insgesamt wird so aus dem ersten Gasgemisch und dem Abgas ein hochwertiges zweites Gasgemisch erzeugt, welches als brennbare Stoffe insbesondere Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält.
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Darüber hinaus ergeben sich Vorteile mit Blick auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine: Ein herkömmlicher Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, wird typischerweise auf möglichst geringe CO-Emissionen eingestellt, wofür Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden. Da im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens in dem Brennraum gebildetes Kohlenmonoxid in der Brennkammer verwertet und außerdem dem Brennraum auch erneut als Brennstoff zugeführt werden kann, besteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Bildung von Kohlenmonoxid während der Verbrennung in dem Brennraum muss nämlich nicht mehr oder zumindest nicht mehr in gleichem Maß unterdrückt oder vermieden werden wie bei einem herkömmlichen Betrieb. Bevorzugt kann der Betrieb der Brennkraftmaschine vielmehr mit Blick auf den Wirkungsgrad optimiert werden.
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Eine unvollständige Verbrennung in dem Brennraum der Brennkraftmaschine schadet dabei nicht, da Kohlenmonoxid und unverbranntes Methan im Abgas zurück in die Reaktionskammer geführt werden, wo diese in Kohlendioxid und eine vermehrte Menge an Wasserstoff umgewandelt werden.
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Die Rückführung des Abgases in die Reaktionskammer hat darüber hinaus den Vorteil, dass eine Menge an in der Reaktionskammer zur Durchführung der Umwandlung des ersten Gasgemischs in das zweite Gasgemisch vorhandenem Katalysatormaterial reduziert werden kann, weil allein durch das mittels des Abgases zusätzlich zugeführte Kohlenmonoxid - und auch den zusätzlich zugeführten Sauerstoff - mehr Wasserstoff entsteht, als ohne diese Rückführung von Abgas.
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Insbesondere kann also durch die Rückführung von Abgas aus dem Brennraum in die Reaktionskammer die Wasserstoffausbeute erhöht werden.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren werden in vorteilhafter Weise die Emissionen der Brennkraftmaschine bezüglich Kohlenmonoxid und Stickoxiden reduziert.
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Im Rahmen der Umsetzung in der Reaktionskammer erhöht sich zum einen der volumetrische Anteil der brennbaren Moleküle, zum anderen wird die Entzündbarkeit durch den Wasserstoff dramatisch erhöht. Die Partialdrücke der Brenngase werden erhöht, die der Inertgase verringert. Somit wird die Verwertbarkeit des in der Regel kostenlosen ersten Gasgemischs, insbesondere im Fall von Minengas und/oder Ventilationsluft, über die Lebensdauer einer Mine oder Zeche erhöht, Treibhausgasemissionen werden reduziert, und die Stromversorgung durch Minengas kann zeitlich erweitert werden. Durch die Abgasrückführung in den katalytischen Prozess der Reaktionskammer kann auch deren Baugröße gemindert werden.
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Aufgrund des sauberen Abgases kann ein Abgaskatalysator zur Nachbehandlung des Abgases des Brennraums gegebenenfalls ganz entfallen, oder der Aufwand für die Abgasnachbehandlung kann reduziert werden.
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Die ansonsten unerwünschte Feuchte des Minengases wirkt sich im vorliegenden Fall vorteilhaft aus, da Wasserdampf ein Edukt sowohl für die Dampfreformierung als auch für die Wassergas-Shift-Reaktion in der Brennkammer ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Wärme für die Reaktionskammer durch thermische Verwertung des ersten Gasgemischs, von Minengas, bereitgestellt wird. Das erste Gasgemisch, das ohnehin und insbesondere kostenlos vorhanden ist, kann also in vorteilhafter Weise nicht nur der Reaktionskammer als Edukt zugeführt werden, sondern - insbesondere separat - einer thermischen Verwertung, insbesondere einer direkten Verbrennung, zugeführt werden, um Wärme zu erzeugen, die der Reaktionskammer zur Durchführung der darin ablaufenden, wenigstens einen Reaktion zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Reaktionskammer sehr effizient und kostengünstig betrieben werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Reaktionskammer Abwärme der Brennkraftmaschine zugeführt werden, insbesondere Wärme, die dem Abgas der Brennkraftmaschine und/oder einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine entzogen wird. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine vorteilhaft genutzt werden, um die Reaktionskammer zu betreiben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Brennraum der Brennkraftmaschine Ventilationsluft der Mine oder Zeche als Verbrennungsluft zugeführt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Ventilationsluft typischerweise ohnehin und ohne Zusatzkosten in sehr großen Mengen vorhanden ist. Zudem umfasst sie einen gewissen Anteil an brennbaren Gasen, insbesondere an Methan, sodass zugleich mit der Verbrennungsluft auch zusätzlicher Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird.
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Es ist auch möglich, dass dem Brennraum der Brennkraftmaschine das erste Gasgemisch zusätzlich zu der Umsetzung in der Reaktionskammer direkt zugeführt wird. Ein Teil des ersten Gasgemischs wird dann der Reaktionskammer zugeführt, wobei ein anderer Teil des ersten Gasgemischs direkt - insbesondere unter Umgehung der Reaktionskammer - dem wenigstens einen Brennraum zugeführt wird. Insbesondere kann dem wenigstens einen Brennraum ein Gemisch aus dem ersten und dem zweiten Gasgemisch zugeführt werden.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt möglich, dass dem wenigstens einen Brennraum das erste Gasgemisch zusammen mit der Verbrennungsluft, insbesondere als Gemisch mit der Verbrennungsluft, bevorzugt mit der Ventilationsluft, die als Verbrennungsluft verwendet wird, zugeführt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teil des zweiten Gasgemischs in einer Lagerstätte eines fossilen Primärenergieträgers, insbesondere einer Mine, insbesondere in der Lagerstätte, aus der das erste Gasgemisch bezogen wird, gespeichert wird. Je nach Betriebsanforderung an die Brennkraftmaschine, insbesondere abhängig von einem momentanen Bedarf an elektrischer Leistung, wird gegebenenfalls nicht das gesamte, in der Reaktionskammer erzeugte zweite Gasgemisch dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt. In diesem Fall kann das verbleibende zweite Gasgemisch, welches nicht in dem Brennraum der Brennkraftmaschine umgesetzt wird, in der Lagerstätte gespeichert werden, was problemlos insbesondere aufgrund der typischerweise sehr großen zur Verfügung stehenden Speichervolumina ohne weiteres möglich ist. Das zweite Gasgemisch kann dann zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um die Brennkraftmaschine zu betreiben, insbesondere wenn der Anteil an brennbarem Gas in dem ersten Gasgemisch weiter reduziert ist.
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Es ist aber auch möglich, die Brennkraftmaschine stets mit einem erhöhten Lastpunkt, insbesondere bei Volllast, zu betreiben, und gegebenenfalls überschüssig erzeugte elektrische Leistung, die nicht abgerufen wird, in eine elektrische Energiespeichereinrichtung einzuspeichern. Dabei ist der Wirkungsgrad für die Erzeugung elektrischer Leistung und die Speicherung elektrischer Energie quasi irrelevant, da die zu deren Bereitstellung verwendeten Brennstoffe ohnehin und kostenlos zur Verfügung stehen, wobei die Alternativen zu deren Verwertung wären, sie ungenutzt in die Umwelt zu entlasten - mit der bereits erwähnten Klimaproblematik - oder quasi nutzlos abzufackeln, ohne jeglichen Mehrwert. Demgegenüber bringt die Erzeugung elektrischer Leistung und die Speicherung elektrischer Energie in jedem Fall einen Mehrwert, selbst bei noch so geringem Wirkungsgrad. Zugleich wird durch die hier vorgeschlagene Umsetzung des ersten Gasgemisches dessen Klimarelevanz etwa um einen Faktor 25 verringert, indem im Rahmen der Verwertung des ersten Gasgemischs Methan über die Reaktionen in der Reaktionskammer und anschließend in dem Brennraum der Brennkraftmaschine schließlich zu Kohlendioxid umgesetzt wird. Mit Blick auf den Klimaeffekt ist dabei Methan um den Faktor 25 wirksamer als Kohlendioxid. Auch diese Betrachtung zeigt, dass das hier vorgeschlagene Verfahren gravierende Vorteile selbst dann aufweist, wenn im Übrigen ein nur geringer Wirkungsgrad vorhanden sein sollte, oder die erzeugte mechanische und/oder elektrische Leistung nicht oder nur in geringem Umfang verwendet wird.
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Es wird außerdem eine nicht zur Erfindung gehörende Brennkrafteinrichtung beschrieben, die eine Reaktionskammer sowie eine Brennkraftmaschine aufweist, wobei der Reaktionskammer ein erstes Gasgemisch zuführbar ist, wobei die Reaktionskammer eingerichtet ist, um das erste, weniger zündwillige Gasgemisch in ein zweites, zündwilligeres Gasgemisch umzusetzen, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens einen Brennraum aufweist, der strömungstechnisch über einen ersten Strömungspfad derart mit der Reaktionskammer verbunden ist, dass dem wenigstens einen Brennraum das zweite Gasgemisch aus der Reaktionskammer - als Brennstoff - zuführbar ist, und wobei der Brennraum wiederum über einen zweiten Strömungspfad mit der Reaktionskammer strömungstechnisch verbunden ist, wobei der Reaktionskammer über den zweiten Strömungspfad ein Teilstrom von Abgas aus dem Brennraum zuführbar ist. Die Brennkrafteinrichtung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
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In Zusammenhang mit der Brennkrafteinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise mit einer elektrischen Maschine antriebswirkverbunden, wobei die elektrische Maschine als Generator betreibbar ist, sodass durch die Brennkraftmaschine erzeugte mechanische Antriebsleistung durch die elektrische Maschine in elektrische Leistung wandelbar ist.
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Schließlich wird eine nicht zur Erfindung gehörende Verwendung der Brennkrafteinrichtung beschrieben, wobei diese zur Umsetzung eines wenig zündwilligen Gasgemischs, insbesondere eines gasmotorisch nicht verwertbaren Gasgemischs, und/oder eines Gasgemischs mit einem Brenngasanteil, insbesondere Methananteil, von weniger als 50 %, vorzugsweise von weniger als 30 %, vorzugsweise von weniger als 25 %,vorzugsweise von weniger als 20 %, vorzugsweise von weniger als 15 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, vorzugsweise von weniger als 2 %, vorzugsweise von weniger als 1 %, verwendet wird. Dabei ergeben sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile. Erfindungsgemäß wird die Brennkrafteinrichtung verwendet zur Umsetzung von einem Minengas als Gasgemisch aus einer Lagerstätte eines fossilen Primärenergieträgers, insbesondere von Minengas einer Kohlemine, insbesondere Steinkohlemine, und/oder zur Umsetzung eines Gemischs aus Minengas und Ventilationsluft einer Kohlemine, insbesondere einer Steinkohlemine.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb von Minenfahrzeugen. Ein anderes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten ist möglich. Eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Kohle, Öl und/oder Gas, ist bevorzugt.
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Die Beschreibungen des Verfahrens, der Brennkrafteinrichtung sowie der Verwendung sind jeweils komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte oder Aspekte der Verwendung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkrafteinrichtung beschrieben werden, sind vorzugsweise einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens oder Aspekte einer bevorzugten Ausführungsform der Verwendung. Merkmale der Brennkrafteinrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren oder der Verwendung beschrieben werden, sind vorzugsweise einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkrafteinrichtung. Diese zeichnet sich insbesondere durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Verfahrens und/oder durch wenigstens einen Aspekt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Verwendung bedingt ist. Das Verfahren und/oder die Verwendung zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt und/oder einen Aspekt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkrafteinrichtung bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkrafteinrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Verfahrens sowie für die hier vorgeschlagene Verwendung.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkrafteinrichtung 1, die eine Reaktionskammer 3 sowie eine Brennkraftmaschine 5 aufweist. Die Brennkraftmaschine 5 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine 5 weist vorzugsweise wenigstens einen Brennraum 7, besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen 7 auf, hier beispielhaft vier Brennräume 7. Die Brennkraftmaschine 5 kann aber auch eine andere, insbesondere kleinere oder größere Anzahl von Brennräumen 7 aufweisen, insbesondere einen Brennraum 7, oder zwei, drei, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn, zwanzig, zweiundzwanzig oder vierundzwanzig Brennräume 7.
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Der Reaktionskammer 3 ist über eine erste Zuleitung 9 ein erstes Gasgemisch 11 zuführbar. Die Reaktionskammer 3 ist eingerichtet, um das erste Gasgemisch 11 zu einem zweiten Gasgemisch 13 umzusetzen, wobei das zweite Gasgemisch 13 zündwilliger ist als das erste Gasgemisch 11.
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Die Reaktionskammer 3 ist über einen ersten Strömungspfad 15 mit dem wenigstens einen Brennraum 7 der Brennkraftmaschine 5 strömungstechnisch derart verbunden, dass dem wenigstens einem Brennraum 7 das zweite Gasgemisch 13 aus der Reaktionskammer 3 - als Brennstoff - zuführbar ist. Im Betrieb der Brennkrafteinrichtung 1 und insbesondere der Brennkraftmaschine 5 wird das zweite Gasgemisch 13 in dem wenigstens einen Brennraum 7 - vorzugsweise unter Abgabe mechanischer Leistung - zu Abgas 17 umgesetzt.
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Der wenigstens eine Brennraum 7 ist über einen zweiten Strömungspfad 19 mit der Reaktionskammer 3 strömungstechnisch derart verbunden, dass der Reaktionskammer 3 ein Teilstrom des Abgases 17 aus dem wenigstens einen Brennraum 7 über den zweiten Strömungspfad 19 zuführbar ist. Dieses in die Reaktionskammer 3 zurückgeführte Abgas 17 nimmt dort an der Umsetzung zu dem zweiten Gasgemisch 13 teil.
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Ein zweiter Teilstrom des Abgases 17 wird hier über eine Abgasleitung 21 - gegebenenfalls nach einer Abgasnachbehandlung - in eine Umwelt der Brennkrafteinrichtung 1 entlassen.
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Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 5 eine hier nicht dargestellte Abgasrückführung derart aufweist, dass ein Teil des Abgases 17 in den wenigstens einen Brennraum 7 zurückgeführt werden kann.
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Der Brennkrafteinrichtung 1 wird bevorzugt ein erstes Gasgemisch 11 zugeführt, welches einen Brenngasanteil, insbesondere einen Methananteil, von weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 %, vorzugsweise weniger als 1 %, aufweist.
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Als erstes Gasgemisch 11 wird der Reaktionskammer 3 ein Minengas als Gasgemisch aus einer Lagerstätte eines fossilen Primärenergieträgers, insbesondere Minengas einer Kohlemine, insbesondere einer Steinkohlemine, oder ein Gemisch von solchem Minengas mit Ventilationsluft der Mine, insbesondere in einem Verhältnis von mindestens 1:3 bis höchstens 1:7, vorzugsweise von mindestens 1:4 bis höchstens 1:6, vorzugsweise von 1:5, zugeführt.
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In der Reaktionskammer 3 wird wenigstens eine Reaktion durchgeführt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer katalytischen Kohlenwasserstoffumwandlung, insbesondere einer katalytischen Methanumwandlung; einer Dampfreformierung, insbesondere von Methan, einer partiellen Oxidation, insbesondere von Methan; und einer Wassergas-Shift-Reaktion. Bevorzugt werden in der Reaktionskammer 3 mindestens zwei dieser Reaktionen durchgeführt, besonders bevorzugt mindestens drei, ganz besonders bevorzugt genau drei, insbesondere eine Dampfreformierung von Methan, eine partielle Oxidation von Methan, und die Wassergas-Shift-Reaktion.
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Wärme für die Reaktionskammer wird bevorzugt durch thermische Verwertung des ersten Gasgemischs, insbesondere des Minengases, bereitgestellt.
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Dem wenigstens einem Brennraum 7 wird bevorzugt Ventilationsluft der Mine, insbesondere Kohlemine, insbesondere Steinkohlemine, als Verbrennungsluft zugeführt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass insbesondere zu Zeiten, bei denen nicht die volle Leistung der Brennkraftmaschine 5 angefordert wird, das zweite Gasgemisch 13 zumindest teilweise in der Lagerstätte des fossilen Primärenergieträgers, insbesondere Mine, insbesondere Kohlemine, insbesondere Steinkohlemine, gespeichert wird.
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Die Brennkrafteinrichtung 1 wird insbesondere verwendet, um ein wenig zündwilliges Gasgemisch, hier das erste Gasgemisch 11, umzusetzen, insbesondere gasmotorisch zu verwerten.
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Insgesamt wird so eine Möglichkeit bereitgestellt, in großen Mengen ohnehin und kostenlos zur Verfügung stehende Gasgemische, die teilweise insbesondere unter Klimaschutzgesichtspunkten problematisch sind, nutzbringend zu verwerten, wobei diese selbst nach Stilllegung insbesondere von Kohleminen, insbesondere Steinkohleminen, noch über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte zur Verfügung stehen. Insoweit leistet das hier vorgeschlagene Verfahren einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, zum Klimaschutz und zur Zukunftssicherheit.
