DE102019008558A1

DE102019008558A1 - Tank eines Hybdridantriebes für Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102019008558A1
Application number: DE102019008558.2A
Authority: DE
Inventors: Berthold Eitzenberger
Original assignee: PFW Aerospace GmbH
Current assignee: PFW Aerospace GmbH
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: DE102019008558B4; WO2021116248A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybridtreibstoffsystem (10) für ein Luftfahrzeug mit einem ersten Teilsystem (12) für einen ersten Treibstoff und mit einem zweiten Teilsystem (14) für einen weiteren, zweiten Treibstoff, welches einen Kreislauf (52) eines Trägermediums, einem flüssigen organischen Wasserstoffträger, für den weiteren, zweiten Treibstoff umfasst und das Trägermedium im Kreislauf (52) durch ein Förderaggregat (48) umgewälzt wird. Der Kreislauf (52) für das Trägermedium, den flüssigen organischen Wasserstoffträger oder einem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten, für den weiteren, zweiten Treibstoffs ist leervolumenfrei ausgeführt und enthält mindestens einen Zusatztank (50) der Labyrintheinbauten (76) umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tank, insbesondere einen Labyrinthtank, der im Rahmen eines Hybridantriebes oder eines rein elektrischen Antriebes für Luftfahrzeuge eingesetzt wird. Der Labyrinthtank dient zur Speicherung von an ein Trägermedium gebundenen Wasserstoff oder zur Speicherung eines mit Elektronen angereicherten Elektrolyten. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Tanks, insbesondere des Labyrinthtanks im Rahmen eines Hybridantriebskonzeptes für Luftfahrzeuge.
Stand der Technik
Das gängige Antriebssystem für Luftfahrzeuge, insbesondere Passagiermaschinen, sind heute Strahlturbinentriebwerke, die mit Kerosin betrieben werden. Versuchsweise wird als Kraftstoff für derartige Antriebssysteme Wasserstoff oder Biotreibstoff eingesetzt. Diese Energieträger werden in doppelwandig ausgeführten Treibstoffsystemen mitgeführt, die nach dem Betrieb größtenteils entleert sind und Leervolumina darstellen. Wasserstoff als alternativer Energieträger für Strahlturbinentriebwerke von Flugzeugen ist problematisch, da Wasserstoff hochexplosiv und schwierig zu lagern ist, da es sich um einen flüchtigen Stoff handelt. Andererseits bietet Wasserstoff jedoch erhebliche Vorteile dahingehend, dass eine saubere Verbrennung erzielt werden kann, ohne CO₂-Freisatz; andererseits kann aus Wasserstoff elektrischer Strom erzeugt werden, was beispielsweise unter Einsatz einer Brennstoffzelle ermöglicht werden kann.
Eine Möglichkeit, flüchtigen Wasserstoff (Hydrogen) sicher zu lagern, besteht darin, diesen an einem LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), d. h. einem Trägermedium anzubinden. Dadurch ist der Wasserstoff chemisch gebunden und kann beispielsweise an einer erwärmten Katalysatoroberfläche dehydriert werden, immer dann, wenn er benötigt wird. In stationären Anlagen beispielsweise wird LOHC bereits als dauerhafter Energiespeicher für Wasserstoff genutzt, jedoch werden hierbei stets zwei getrennte Tanks für das hydrierte und das dehydrierte Trägermedium (LOHC) eingesetzt. Diese beiden voneinander getrennten Tanks sind je nach Betriebszustand der Anlage im Wechsel entleert oder befüllt. Somit muss das doppelte Tankvolumen für das LOHC-Trägermedium bereitgestellt und vorgehalten werden. Dies bedeutet, dass bei bisherigen Systemen demzufolge stets ein Leervolumen vorzuhalten ist, das einerseits Stauraum beansprucht, welcher daher nicht für Nutzlast zur Verfügung steht und zudem mit dem Leergewicht des zweiten Tanks die mögliche Nutzlast des Luftfahrzeugs verringert und andererseits die Baugröße ungünstig beeinflusst.
Alternative rein elektrische Triebwerke können mit dem Strom aus einer Brennstoffzelle, die mit dem Wasserstoff aus dem LOHC-Tanksystem gespeist wird, oder auch mit einer Redox-Flow-Batterie, in der aus einem mit Elektronen angereicherten flüssigen Elektrolyten in einer Reaktionskammer Strom gewonnen wird, angetrieben werden. Hiernach wird das mit Elektronen angereicherte Elektrolyt in einem separaten zweiten Tank gelagert, damit es sich nicht mit dem mit Elektronen angereicherten Elektrolyt im ersten Tank vermischen kann. Diese beiden voneinander getrennten Tanks sind je nach Betriebszustand der Anlage im Wechsel entleert oder befüllt. Somit muss das doppelte Tankvolumen für den Elektrolyten als Elektronen-Trägermedium bereitgestellt und vorgehalten werden. Dies bedeutet, dass bei bisherigen Systemen demzufolge stets ein Leervolumen vorzuhalten ist, das einerseits Stauraum beansprucht, welcher daher nicht für Nutzlast zur Verfügung steht; andererseits mit dem Leergewicht des zweiten Tanks die mögliche Nutzlast des Luftfahrzeugs verringert und andererseits die Baugröße ungünstig beeinflusst wird.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hybridantrieb oder einem rein elektrischen Antrieb für ein Luftfahrzeug das Leervolumen im Tanksystem einerseits zu vermeiden und andererseits so viel Gewicht und Platzbedarf wie möglich am Luftfahrzeug einzusparen. Der Labyrinthtank ermöglicht alle beschriebenen Vorteile für LOHC-Energieträger oder für Elektrolyt-Energieträger gleichermaßen, auch wenn sich ein hybrides Antriebssystem von einem rein elektrischen Antriebssystem unterscheidet, da Wasserstoff in einer konventionellen Gasturbine als Ersatz für fossilen Treibstoff auch direkt verbrannt werden kann und so nur ein Triebwerkstyp für ein hybrides Antriebssystem mit LOHC benötigt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Hybridtreibstoffsystem für ein Luftfahrzeug vorgeschlagen mit einem ersten Teilsystem für einen ersten Treibstoff und einem zweiten Teilsystem für einen weiteren, zweiten Treibstoff, das einen Kreislauf für ein Trägermedium, beispielsweise einen flüssigen, organischen Wasserstoffträger, für den weiteren zweiten Treibstoff umfasst und das Trägermedium im Kreislauf durch mindestens ein Förderaggregat umgewälzt wird. Der Kreislauf für das Trägermedium, bei dem es sich insbesondere um einen flüssigen organischen Wasserstoffträger handelt, für den weiteren, zweiten Treibstoff, ist leervolumenfrei ausgeführt und enthält einen Tank, der Strömungslabyrinthe umfasst.
Durch das Vorsehen der Strömungslabyrinthe innerhalb des Tanks kann eine Verwirbelung in den einzelnen Strömungskanälen des Tanks minimiert werden. Es lässt sich so eine beruhigte Strömung des Trägermediums mit geringer Vermischung durch minimalen Kontaktquerschnitt von hydriertem und dehydriertem Trägermedium (LOHC) erzielen. Insbesondere kann im Kreislauf für das Trägermedium des weiteren, zweiten Treibstoffs das Vorhalten eines Leervolumens vermieden werden, was hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Stauraums vorteilhaft ist und andererseits einen erheblichen Einfluss auf das Gewicht eines Luftfahrzeugs hat.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystem wird als erster Treibstoff Kerosin oder Biotreibstoff eingesetzt, der vorteilhaft in den Flügeltanks gespeichert wird und wenn verbraucht, beim Landestoß die Flügelstruktur nicht mehr belastet, wobei es sich bei dem zusätzlich eingesetzten weiteren, zweiten Treibstoff um Wasserstoff (H₂) handelt. Dieser wird vorteilhaft in Rumpftanks gespeichert.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gedankens umfasst der Kreislauf für den weiteren, zweiten Treibstoff eine Dehydriereinheit, in welcher der weitere, zweite Treibstoff vom Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, getrennt wird. Durch die Kopplung des weiteren, zweiten Treibstoffs, insbesondere H₂, an das Trägermedium, ist dieser chemisch gebunden und damit nicht brennbar und nicht explosiv gelagert. Innerhalb der Dehydriereinheit kann der weitere, zweite Treibstoff, bei dem es sich insbesondere um H₂ handelt, in vorteilhafter Weise erst dann von dem Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, getrennt werden, wenn dieser benötigt wird. So kann der weitere, zweite Treibstoff beispielsweise in die mindestens eine Antriebsturbine eines Luftfahrzeugs in deren Brennkammer eingespritzt werden, sobald eine Reiseflughöhe erreicht ist und eine Steigflugphase abgeschlossen ist. Des Weiteren kann der in der Dehydriereinheit vom flüssigen organischen Wasserstoffträger getrennte weitere, zweite Treibstoff, insbesondere H₂, einer Brennstoffzelle zugeführt werden, die zusammen mit der Zufuhr von Außenluft den weiteren, zweiten Treibstoff mit der zugeführten Außenluft in elektrische Energie umwandelt.
Innerhalb der Dehydriereinheit, die entsprechend kleiner ausgelegt werden kann, da auf Reiseflughöhe nur 30% der Energie im Vergleich zu Start und Steigflug benötigt wird, wird der weitere, zweite Treibstoff vom Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, beim Vorbeiströmen an mindestens einer erwärmten Katalysatoroberfläche innerhalb der Dehydriereinheit getrennt. Durch eine entsprechende Strömungsführung innerhalb der Dehydriereinheit kann diese Trennung ohne weitere Einbauten vorgenommen werden.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem so beschaffen, dass der Tank für den weiteren, zweiten Treibstoff mehrere einen Strömungsweg des flüssigen organischen Wasserstoffträgers verlängernde Labyrintheinbauten oder Labyrinthkassetten enthält. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass innerhalb des Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs eine Strömungsberuhigung erzielt wird. Ein Vermischen von hydriertem und dehydriertem flüssigem organischem Wasserstoffträger im geschlossenen Kreislauf ohne Leervolumen wird vermieden. Der geringe Querschnitt der Labyrinthkassetten bietet dem flüssigen organischen Wasserstoffträger nur wenig Raum zur Vermischung und die beruhigte und damit laminare Strömung ohne Strömungswirbel bietet wenig Strömungsenergie für eine Vermischung im Bereich des Übergangs, der durch das Labyrinth wandert, während der flüssige organische Wasserstoffträger Richtung Katalysator gepumpt wird.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem lässt sich dahingehend ausführen, dass der Tank zur Aufnahme des weiteren, zweiten Treibstoffes als Tank mit einem ersten Teilkreislauf und mit einem zweiten Teilkreislauf für das Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, für den weiteren, zweiten Treibstoffs ausgelegt wird, die jeweils voneinander getrennt sind. Durch diese Sicherheitsmaßnahme kann die in Luftfahrzeugen geforderte Redundanz bei Ausfall eines Teilkreissystems innerhalb des den weiteren, zweiten Treibstoff bevorratenden Tanks erfüllt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystems sind die Labyrintheinbauten wandförmig ausgeführt und innerhalb des Tanks für den weiteren, zweiten Treibstoff derart angeordnet, dass diese Strömungskanäle bilden, an deren Enden jeweils Überströmventile angeordnet sind. Sind die Labyrintheinbauten eben eingebaut, so kann eine beträchtliche Strömungsberuhigung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, mit chemisch gebundenem H₂ erzielt werden. Die an den Enden der Strömungskanäle ausgebildeten Ventile sind so ausgebildet, dass diese, ohne dass eine Betätigung der Ventile erforderlich wäre, durchströmt werden.
In vorteilhafter Weise sind die an den Enden der Strömungskanäle jeweils angeordneten Überströmventile so ausgebildet, dass diese lediglich in eine Richtung, d. h. unidirektional durchströmt werden und auf diese Weise die Strömung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, innerhalb des Tanks für den weiteren, zweiten Treibstoff aufrechterhalten. Im Wesentlichen haben diese Strömungsventile, die einbautenfrei ausgebildet sind, eine pfeilförmige Geometrie und werden von der Strömung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, von einer Eintrittsseite hin auf eine Austrittsseite durchströmt. Durch die besondere Geometrie der Überströmventile werden Strömungsfallen ausgebildet, so dass eine Rückströmung, d. h. eine Änderung der Strömungsrichtung der das Überströmventil passierenden Strömung, nicht möglich ist. Diese dynamisch wirkenden Strömungsventile werden zur Verhinderung einer ungewollten Rückströmung und damit ungewollten Vermischung von hydriertem und dehydriertem flüssigem organischem Wasserstoffträger im geschlossenen Kreislauf angewendet.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem sieht vor, dass der Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs als Additional Center Tank (ACT-Tank) ausgeführt ist, d. h. als Zusatztank, der nachträglich eingebaut im Frachtraum wie ein Frachtcontainer mitgeführt wird. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem umfasst mindestens einen Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs derart, dass der mindestens eine Tank im Frachtraum eines Luftfahrzeugs, insbesondere unterhalb eines Bodens einer Passagierkabine, untergebracht werden kann. Dies bietet in vorteilhafter Weise eine Zugänglichkeit zu dem mindestens einen im Frachtraum befindlichen Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs. Insbesondere ist als Vorteil zu nennen, dass bei einer Kopplung von mehreren Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs diese durch eine Öffnung beispielsweise im Boden der Passagierkabine zugänglich sind.
Die im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystems eingesetzten Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs umfassen einen Einlass sowie einen Auslass, wobei am Einlass ein Erstbefüllungsventil angeordnet sein kann.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystem sind mindestens zwei Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs unterhalb des Bodens, beispielsweise einer Passagierkabine angeordnet und strömungstechnisch über eine Kopplung miteinander verbunden. Je nach Streckenlänge kann die Anzahl der Zusatztanks variieren.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystem ist der in dem Kreislauf für den weiteren, zweiten Treibstoff vorgesehenen Dehydriereinheit eine Brennstoffzelle nachgeschaltet. Der von dem flüssigen organischen Wasserstoffträger innerhalb der Dehydriereinheit getrennte weitere, zweite Treibstoff kann der Brennstoffzelle zugeführt werden, die darüber hinaus von Außenluft durchströmt ist. Aus dem zugeführten weiteren, zweiten Treibstoff und der Außenluft wird in der Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt, beispielsweise für einen Aufenthalt an einem Flughafen ohne externe Elektrizitätsversorgung. Die Verwendung einer Brennstoffzelle zur Standversorgung vermeidet übliche Turbinengeneratoren, die auf Flughäfen zunehmend Beschränkungen zu Abgas- und Geräusch-Emissionen unterliegen, und reduziert zusätzlich das Fluggewicht.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystem ist während einer Startphase des Luftfahrzeuges das erste Teilsystem des Hybridtreibstoffsystems mit dem mindestens einen Antrieb des Luftfahrzeuges verbunden, während der mindestens eine Antrieb des Luftfahrzeugs nach Erreichen der Reiseflughöhe und während der Sink- bzw. Landungsphase mit dem zweiten Teilsystem für den Betrieb mit dem weiteren, zweiten Treibstoff verbunden ist.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Hybridtreibstoffsystems zur Treibstoffversorgung mindestens eines Antriebs eines Passagierluftfahrzeugs oder eines Frachtluftfahrzeugs. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Hybridtreibstoffsystems zur Treibstoffversorgung mindestens eines Antriebs eines Passagierluftfahrzeugs oder eines Frachtluftfahrzeugs mit einem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, einen weiteren, zweiten Treibstoff, insbesondere gasförmiges H₂, chemisch gebunden und damit sicher und nur bei Bedarf abrufbar zu lagern. Dazu dient mindestens ein Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs, welcher an einem Trägermedium, vorzugsweise einem flüssigen organischen Wasserstoffträger, chemisch gebunden ist. Der den weiteren, zweiten Treibstoff bevorratende Zusatztank ist einwandig ausgeführt, was zur Gewichtsersparnis nicht unerheblich beiträgt. Des Weiteren ist der mindestens eine, den weiteren, zweiten Treibstoff aufnehmende Zusatztank mit einem ersten Teilkreislauf und einem zweiten Teilkreislauf versehen. Dadurch kann den Sicherheitsanforderungen bei Luftfahrtanwendungen in vollem Umfang Rechnung getragen werden, da eines der Teilkreissysteme redundant vorgehalten werden kann und bei Ausfall eines Teilkreislaufes auf den anderen Teilkreislauf umgeschaltet werden kann. Eine doppelwandige Ausführung der Zusatztanks sowie der Leitungen zur Drainage bei Undichtigkeiten ist nicht notwendig, da der flüssige organische Wasserstoffträger nicht brennbar und nicht explosiv ist.
Die im Kreislauf für den weiteren, zweiten Treibstoff vorhandene Dehydriereinheit kann so ausgelegt werden, dass diese den weiteren, zweiten Treibstoff während einer Reiseflugphase des Luftfahrzeugs bzw. für Sinkphasen oder für die Landephase bereitstellt. Während der Startphase, wo ein hoher Leistungsbedarf besteht, wird der mindestens eine Antrieb des Luftfahrzeuges über das erste Teilsystem, welches den ersten Treibstoff bevorratet, versorgt, bis die Reiseflughöhe erreicht ist. In der sich anschließenden Reiseflugphase wird beispielsweise nur 30% der während der Startphase erforderlichen Leistung benötigt. Für die Deckung dieses geringeren Bedarfs, beispielsweise 30% bis 40% des Leistungsbedarfes verglichen mit der Startphase des oder der Antriebe des Luftfahrzeuges, ist die Dehydriereinheit mit dem Vorteil von geringerem Platzbedarf und Gewicht auszulegen.
Die innerhalb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystems vorgesehene Brennstoffzelle kann ebenfalls durch den weiteren, zweiten Treibstoff, der vom Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, innerhalb der Dehydriereinheit chemisch getrennt wird, versorgt werden. Durch die Brennstoffzelle kann die elektrische Versorgung zur Steuerung des Luftfahrzeuges im Notfall übernommen werden, sollten die Antriebe ausfallen. Des Weiteren zeichnet sich der weitere, zweite Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, dadurch aus, dass dieser eine hohe Umweltverträglichkeit aufweist, da dieser innerhalb der Antriebe CO₂-frei umgewandelt wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung bezieht sich darauf, dass der Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystems an einer APU (Auxiliary Power Unit) vorgenommen werden kann. Eine dort platzierte, klein dimensionierte Dehydriereinheit zusammen mit einer Brennstoffzelle ermöglicht die Elektrizitätsversorgung eines Luftfahrzeuges an Flughäfen, die keine externe elektrische Versorgung für Luftfahrzeuge bereitstellen. In diesem Falle könnte über die Brennstoffzelle, die über den von der Dehydriereinheit stammenden weiteren, zweiten Treibstoff versorgt wird, zusammen mit der Brennstoffzelle zugeführter Außenluft eine autark erfolgende Elektrizitätsversorgung des Luftfahrzeuges vorgenommen werden. Verbleibt die APU mit der Brennstoffzelle im Luftfahrzeug, kann sie mit dem ersten Treibstoff Kerosin oder Biotreibstoff oder mit dem zweiten Treibstoff Wasserstoff zur Abgasreduzierung betrieben werden.
Ohne ein Leervolumen im Hybridtreibstoffsystem halbiert sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung das Strukturgewicht der Zusatztanks zur Aufnahme eines maximalen Volumens des flüssigen organischen Wasserstoffträgers auf kleinstem Bauraum.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem bietet die Möglichkeit, in den Antrieben, d. h. den Strahltriebwerken, fossile flüssige Brennstoffe oder alternativ H₂ für den Antrieb des Luftfahrzeugs und/oder auch am Boden mit der APU oder der Brennstoffzelle für den Standbetrieb zur Energieversorgung zu nutzen - je nach Anforderungen an den Umweltschutz und der technischen Versorgung an verschiedenen Flughäfen verschiedener Länder.
Figurenliste
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Hybridtreibstoffsystems für Luftfahrzeuge,
2 eine perspektivische Ansicht eines Tanks zur Bevorratung eines weiteren, zweiten Treibstoffs,
3 eine Seitenansicht des in 2 perspektivisch dargestellten Tanks,
4 einen Längsschnitt durch den Tank gemäß der perspektivischen Ansicht in 1,
5 eine vergrößerte Darstellung der im Tank gemäß 1 vorgesehenen Labyrintheinbauten,
6 eine perspektivische Ansicht einer im Wesentlichen den Tankboden bildenden Labyrinthkassette,
7 einen Strömungsweg des Trägermediums durch Strömungskanäle des ersten Teilkreislaufes des Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs
8 eine Darstellung der Strömungskanäle und Überströmventile an der Rückseite des den weiteren, zweiten Treibstoff bevorratenden Tanks,
9 eine perspektivische vergrößerte Darstellung eines Überströmventils
10 die Strömungsrichtungen in Bezug auf das Überströmventil gemäß 9,
11 eine schematische Darstellung eines Erstbefüllungventils,
12 Positionierung der in 11 dargestellten Erstbefüllungsventile am Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs und
13 miteinander gekoppelte Tanks.

Ausführungsvarianten
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hybridtreibstoffsystems 10 für Luftfahrzeuge.
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Hybridtreibstoffsystem 10 zu entnehmen, welches ein erstes Teilsystem 12 und ein zweites Teilsystem 14 aufweist. Innerhalb des ersten Teilsystems 12 des Hybridtreibstoffsystems 10 wird als erster Treibstoff Kerosin eingesetzt, während im zweiten Teilsystem 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 gemäß 1 als weiterer, zweiter Treibstoff gasförmiger Wasserstoff (H₂) eingesetzt wird.
Das erste Teilsystem 12 für den ersten Treibstoff umfasst einen Tank 16, der über einen Befüllanschluss 18 und Zwischenschaltung eines Ventils 20 befüllt wird. Der Tank 16 befindet sich beispielsweise in den Flügeln eines Luftfahrzeugs. Die Förderung des ersten Treibstoffes aus dem ersten Teilsystem 12 zu mindestens einer Antriebsturbine 24 des Luftfahrzeugs erfolgt über mindestens eine Pumpe 22. Der erste Treibstoff wird einem Brennraum 26 der Antriebsturbine 24 zugeführt. Die Antriebsturbine 24 saugt über den Verdichterteil 32 Außenluft 28 an, verdichtet diese und führt die verdichtete Außenluft 28 dem Brennraum 26 zu, in den der erste Treibstoff eingespritzt wird. Expandierendes Gas tritt stromab des Brennraumes 26 aus der Antriebsturbine 24 als Abgasstrom 30 aus. Der Verdichterteil 32 und der Turbinenteil 34 befinden sich auf einer die Antriebsturbine 24 durchziehende Welle 36. Von der Antriebsturbine 24 wird ein Wärmestrom 38 abgezweigt. Der Wärmestrom 38 wird beispielsweise einer Klimaanlage zugeführt, die der Beheizung einer Passagierkabine des Luftfahrzeugs dient. Des Weiteren dient der Wärmestrom 38, der aus der Antriebsturbine 24 abgezogen wird, der Temperierung einer Dehydriereinheit 44, die Teil des Hybridtreibstoffsystems 10 für den weiteren, zweiten Treibstoff darstellt.
Das erste Teilsystem 12 des Hybridtreibstoffsystems 10 versorgt die mindestens eine Antriebsturbine 24 des Luftfahrzeugs, wenn 100 Prozent Leistungsbedarf erforderlich ist, mit dem ersten Treibstoff, beispielsweise Kerosin.
Sobald das Luftfahrzeug, sei es ein Passagierflugzeug oder ein Frachtflugzeug, seine Reisehöhe erreicht hat, erfolgt eine Umschaltung der Treibstoffversorgung der mindestens einen Antriebsturbine 24 auf das zweite Teilsystem 14 für den weiteren, zweiten Treibstoff des Hybridtreibstoffsystems 10.
Das zweite Teilsystem 14 für den weiteren, zweiten Treibstoff umfasst einen Zusatztank 50, welcher Teil eines Kreislaufs 52 für ein Trägermedium ist. Bei dem Trägermedium handelt es sich insbesondere um einen flüssigen organischen Wasserstoffträger. An das Trägermedium, den flüssigen organischen Wasserstoffträger, ist der weitere, zweite Treibstoff, insbesondere H₂, chemisch gebunden. Der weitere, zweite Treibstoff wird im Zusatztank 50 bevorratet. Der Kreislauf 52 für das Trägermedium, den flüssigen organischen Wasserstoffträger, umfasst neben dem Zusatztank 50 für das Trägermedium ein Ventil 54, über welches eine Entleerung 56 beziehungsweise eine Befüllung 58 des Kreislaufes 52 vorgenommen werden kann. Teil des Kreislaufes 52 des zweiten Teilsystems 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 ist darüber hinaus die bereits erwähnte Dehydriereinheit 44. Diese ist vom Wärmestrom 38 der mindestens einen Antriebsturbine 24 des Luftfahrzeugs beaufschlagt. Über eine Beheizung von Katalysatorflächen beispielsweise erfolgt eine Dehydrierung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, dahingehend, dass gasförmiger Wasserstoff anschließend aus der Dehydriereinheit 44 über die Pumpe 42 des zweiten Teilsystems 14 über die Zuleitung 46 für den weiteren, zweiten Treibstoff dem Brennraum 26 der mindestens einen Antriebsturbine 24 des Luftfahrzeugs zugeführt wird.
Der Wärmestrom 38, der zur Temperierung der Dehydriereinheit 44 des zweiten Teilsystems 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 dient, wird darüber hinaus zur Temperierung von Außenluft 28 eingesetzt, die eine Klimaanlage passiert und zur Erwärmung des Passagierraums eines Verkehrsflugzeugs dient.
Das zweite Teilsystem 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 umfasst darüber hinaus einen von der Pumpe 42 des zweiten Teilsystems 14 verlaufenden Abzweig, der zu einer Brennstoffzelle 40 führt. Die Brennstoffzelle 40 wird einerseits über die Pumpe 42 des zweiten Teilsystems 14 mit dem weiteren, zweiten Treibstoff versorgt und andererseits von Außenluft 28 durchströmt. Somit kann die Brennstoffzelle 40 Elektrizität erzeugen und diese wiederum versorgt Steuerungssysteme des Luftfahrzeugs.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass der in den Kreislauf 52 für das Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, eingebundene Zusatztank 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs Labyrintheinbauten 76 umfasst. Die einzelnen Labyrintheinbauten 76 können beispielsweise wandförmig ausgebildet sein und innerhalb des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs, Strömungskanäle 85 bilden, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird. Durch das Vorsehen von Labyrintheinbauten 76 innerhalb des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs wird der Strömungsweg des am Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, chemisch gebundenen weiteren, zweiten Treibstoffs verlängert und die Strömung beruhigt. Eine Überströmung zwischen den einzelnen Strömungskanälen 85, die durch die Labyrintheinbauten 76 innerhalb des Zusatztanks 50 gebildet sind, erfolgt über die in 1 schematisch angedeutete Überströmventile 80. Durch die Verlängerung des Strömungsweges über die Labyrintheinbauten 76 und über die Überströmventile 80 wird eine Minimierung der Verwirbelung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, an dem der weitere, zweite Treibstoff chemisch gebunden aufgenommen ist, erzielt, und die Strömung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, mit dem daran chemisch gebundenem weiteren, zweiten Treibstoff beruhigt.
Das in 1 schematisch dargestellte Hybridtreibstoffsystem 10 für Luftfahrzeuge wird derart betrieben, dass während der Startphase das Luftfahrzeug die Treibstoffversorgung der mindestens einen Antriebsturbine 24 über das erste Teilsystem 12 erfolgt. Dies bedeutet, dass in die jeweiligen Brennräume 26 der Antriebsturbinen 24 der erste Treibstoff, in der Regel Kerosin, eingespritzt und verbrannt wird. Das erste Teilsystem 12 zur Treibstoffversorgung der mindestens einen Antriebsturbine 24 wird während der Startphase genutzt, in der 100 Prozent Leistung erforderlich sind. Hat das Luftfahrzeug seine Reiseflughöhe erreicht, wird die Treibstoffversorgung der mindestens einen Antriebsturbine 24 über das zweite Teilsystem 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 gemäß der schematischen Darstellung in 1 sichergestellt. Nach Erreichen der Reiseflughöhe des Luftfahrzeuges werden die Antriebsturbinen 24 durch Aktivierung der Dehydriereinheit 44 mit dem weiteren, zweiten Treibstoff, bevorzugt H₂ betrieben, welcher den Brennräumen 26 der Antriebsturbinen 24 über die Zuleitung 46 zugeführt wird. Solange das Luftfahrzeug seine Reiseflughöhe beibehält, sind lediglich 30% Leistung im Vergleich zur Startleistung, die durch die Antriebsturbinen 24 aufzubringen ist, erforderlich, so dass die Dehydriereinheit 44, die Teil des Kreislaufes 52 für das Trägermedium im zweiten Teilsystem 14 ist, entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Auch für Sinkflugphasen oder die Landephase des Luftfahrzeugs ist im Vergleich zur Startphase eine wesentlich geringere Leistung, die durch die Antriebsturbine 24 erbracht werden muss, erforderlich, so dass diese auch über die Treibstoffversorgung durch das zweite Teilsystem 14 des Hybridtreibstoffsystems 10 aufgebracht und gedeckt werden kann. Solange das Luftfahrzeug sich auf seiner Reiseflughöhe bewegt oder Sinkflugphasen oder Landephasen durchläuft, wird dieses mit dem weiteren, zweiten Treibstoff betrieben, so dass während der erwähnten Flugphasen kein CO₂ erzeugt wird.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridtreibstoffsystems 10 kann dieses eine Brennstoffzelle 40 umfassen. Die Brennstoffzelle 40 wird von Außenluft 28 durchströmt, die über die von der mindestens einen Brennstoffzelle 40 erzeugten Reaktionswärme bei der Stromerzeugung erwärmt wird. Diese erzeugte Wärmeenergie kann in einem im Hybridtreibstoffsystem 10 vorgesehenen mindestens einen Wärmetauscher 112 zur Erwärmung der Außenluft 28 beispielsweise für die Versorgung der Passagierkabine genutzt werden. Das Hybridtreibstoffsystem 10 gemäß 1 umfasst neben der Dehydriereinheit 44 einen dieser nachgeschalteten Wärmetauscher 112, der mit der Restwärme des Wärmestroms 38 aus der mindestens einen Antriebsturbine 24 die dem Wärmetauscher 112 zugeführte Außenluft 28 erwärmt. Diese Wärmeenergie kann für die Versorgung beziehungsweise Erwärmung der Passagierkabine weiter vorteilhaft genutzt werden.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Zusatztank 50, in dem der weitere, zweite Treibstoff bevorratet ist.
Die perspektivische Darstellung gemäß 2 zeigt den Zusatztank 50, der eine Frontseite 72 und eine Rückseite 74 aufweist. An der Frontseite 72 befinden sich zwei Einlässe 68. Je ein Einlass 68 ist Teil eines ersten Teilkreislaufes 62 beziehungsweise eines zweiten Teilkreislaufes 64. Im Zusatztank 50 gemäß der perspektivischen Ansicht gemäß 2 sind demnach zwei voneinander getrennte Teilkreisläufe 62, 64 verwirklicht, so dass die Sicherheitsanforderungen hinsichtlich der Redundanz der Treibstoffversorgung gewährleistet sind. Der Zusatztank 50 gemäß Figur wird über Arretierungen 70 an einem nicht dargestellten Frachtraum eines Luftfahrzeugs befestigt und fixiert.
3 zeigt eine Seitenansicht des in 2 in perspektivischer Ansicht wiedergegebenen Zusatztanks 50. 3 zeigt, dass der Zusatztank 50 Seitenwände 82 aufweist, die sich zwischen der Frontseite 72 und der Rückseite 74 erstrecken. Während an der Frontseite 72 die Einlässe 68 für die beiden Teilkreisläufe 62, 64 angeordnet sind, befinden sich auf der Rückseite 74 des Zusatztanks 50 gemäß der Darstellung in 3 korrespondierend zu den Einlässen 68 zwei Auslässe 66, die nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Über die Arretierungen 70 im Bodenbereich des Zusatztanks 50 gemäß der Darstellung in 3 erfolgt eine Fixierung des Zusatztanks 50 im Frachtraum eines Verkehrsflugzeugs.
4 zeigt einen Längsschnitt durch den in 1 perspektivisch dargestellten Tank zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs.
In 4 ist eine Hälfte des Tanks zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs gemäß der perspektivischen Ansicht in 1 im Längsschnitt von seiner Rückseite 74 aus betrachtet, gezeigt.
Auf der Rückseite 74 des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffes befindet sich der Auslass 66. Labyrintheinbauten 76 sind im Längsschnitt gemäß der perspektivischen Ansicht in 4 wandförmig ausgebildet und erstrecken sich ausgehend von der Frontseite 72 parallel zueinander angeordnet zur Rückseite 74 des Zusatztanks 50. Dieser ist in seinem Bodenbereich mit einer Anzahl von Arretierungen 70 ausgebildet, die in korrespondierender Aufnahmeeinrichtung eines Frachtraumes eines Verkehrsflugzeugs eingreifen und den Zusatztank 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs im Luftfahrzeug fixieren.
5 zeigt einen rippenförmigen Schnitt durch das Innere des Zusatztanks 50 gemäß der Darstellung in 1. Aus 5 geht hervor, dass der Zusatztank 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffes durch die Labyrintheinbauten 76 in eine Anzahl voneinander getrennter Strömungskanäle 85 unterteilt ist. Das Innere des Zusatztanks 50 hat ein kassettenförmiges Aussehen, wobei sich die einzelnen, durch die beispielsweise wandförmig ausgebildeten Labyrintheinbauten 76 voneinander getrennten Strömungskanäle 85 im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Die äußere Umrandung des Zusatztanks 50 ist durch Seitenwände 82 gegeben, ferner eine Bodenfläche sowie eine Abdeckung, die allesamt einwandig ausgebildet sind, was eine besonders gewichtssparende Ausführungsmöglichkeit darstellt im Vergleich zu doppelwandig ausgeführten, bisher eingesetzten Tanks. Mit den schuhförmig ausgebildeten Arretierungen 70 kann der Zusatztank 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs an korrespondierenden Strukturelementen im Frachtladeraum eines Verkehrsflugzeugs zuverlässig fixiert werden.
Die perspektivische Ansicht gemäß 6 zeigt die Draufsicht auf eine Labyrinthkassette 78. Diese bildet den Boden des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs, wie dieser in 1 und im Längsschnitt in 4 dargestellt ist. Ausgehend von der Bodenfläche, an deren Unterseite sich die Arretierungen 70 befinden, umfasst die Labyrinthkassette 78 eine Anzahl von zueinander parallel verbauten wandförmigen Labyrintheinbauten 76. Die Labyrinthkassette 78 umfasst des Weiteren Teile der Seitenwände 82.
7 zeigt die Strömungsverhältnisse innerhalb des ersten Teilkreislaufes 62 des Zusatztanks 50 von der Frontseite 72 aus gesehen.
Die Frontseite 72 umfasst die beiden Einlässe 68, von denen jeweils einer den ersten Teilkreislauf 62 sowie den zweiten Teilkreislauf 64 zugeordnet ist, über welche das Trägermedium, der flüssige organische Wasserstoffträger, an welches der weitere zweite Treibstoff chemisch gebunden ist, zirkuliert. Ausgehend vom ersten Teilkreislauf 62 strömt das Trägermedium, der flüssige organische Wasserstoffträger, mit dem daran chemisch gebundenen weiteren, zweiten Treibstoff, vorzugsweise H₂, durch den Einlass 68 im ersten Teilkreislauf 62. Nach Durchströmen des ersten Kanales 85 durchströmt das Trägermedium einen durch wandförmige Labyrintheinbauten 76 begrenzten Strömungskanal 85 in Richtung der Rückseite 74 des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs.
8 zeigt, dass das Trägermedium, der flüssige organische Wasserstoffträger, mit chemisch gebundenem weiteren, zweiten Treibstoff über ein Überströmventil 80, das sich an der Rückseite 74 zwischen zwei Strömungskanälen 85 befindet, in einen danebenliegenden Strömungskanal 85 überströmt, von diesem zur Frontseite 72 zurückströmt usw. Aus den Darstellungen der 7 und 8 geht mithin hervor, dass der Strömung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, mit daran chemisch gebundenem weiteren, zweiten Treibstoff in Form von H₂ eine gegenläufige Strömungsrichtung 84 durch die einzelnen Strömungskanäle 85 aufgezwungen wird. Durch einzelne im Bereich der Frontseite 72 und der Rückseite 74 angeordnete Überströmventile 80 wird ein Überströmen des Trägermediums entweder in den danebenliegenden Kanal oder den darunterliegenden der Strömungskanäle 85 gemäß der Orientierung von Einströmseite 104 und Ausströmseite 106 eines jeden der Überströmventile 80 erreicht.
Ein jeder der beiden Teilkreisläufe 62, 64 ist autark, d. h. vom jeweils anderen der Teilkreisläufe 62 bzw. 64 getrennt. Ein jeder der beiden Teilkreisläufe 62, 64, die in dem Zusatztank 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs ausgebildet sind, umfasst einen Auslass 66 und einen Einlass 68. Die Strömungsrichtung 84 ergibt sich jeweils aus der Orientierung, in der das jeweilige Überströmventil 80 an der Frontseite 72 beziehungsweise der Rückseite 74 des Zusatztanks 50 jeweils am Ende der Strömungskanäle 85 montiert ist.
Aus der Darstellung gemäß 8, welche die Rückseite 74 des Zusatztanks 50 mit den beiden Teilkreisläufen 62, 64 darstellt, geht hervor, dass über die Überströmventile 80, die an der Rückseite 74 eine laterale Orientierung aufweisen, jeweils zwei parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle 85 miteinander verbunden sind, so dass sich eine seitliche Strömungsrichtung 84 einstellt.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Überströmventils 80. Das Überströmventil 80 gemäß der Darstellung in 9 kommt ohne bewegte Teile aus und bedarf daher keines elektrischen oder mechanischen oder anderweitig ausgebildeten Aktuators. Eine Einströmseite ist mit Bezugszeichen 104 gekennzeichnet, eine Ausströmseite durch Bezugszeichen 106. Die Geometrie der Strömungskanäle, die in dem beispielsweise als CFK-Bauteil ausgebildeten Überströmventil 80 verwirklicht ist, ist einer Pfeilgeometrie 86 nicht unähnlich. Durch die Pfeilgeometrie 86 werden Strömungsfallen geschaffen, die sicherstellen, dass eine Durchströmung des im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Überströmventiles 80 aus CFK-Material in eine Richtung gewährleistet und eine Rückströmung ausgeschlossen ist. Damit ist sichergestellt, dass eine kontinuierliche Durchströmung sämtlicher Strömungskanäle 85 sowohl des ersten Teilkreislaufes 62 als auch des zweiten Teilkreislaufes 64 innerhalb des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs erfolgt. Die Überströmventile 80 verhindern eine Rückströmung und damit eine ungewollte Vermischung von hydriertem und dehydriertem flüssigem organischem Wasserstoffträger im geschlossenen Kreislauf. Die hier dargestellten Überströmventile 80 sind beispielsweise als Tesla-Ventile ausgebildet und verhindern die Vermischung von geladenem und ungeladenem flüssigen organischen Wasserstoffträger. Eine Rückströmung des flüssigen organischen Wasserstoffträgers kann auch durch andere Maßnahmen wie zum Beispiel asymmetrische Düsen, bewegliche Strömungsklappen oder andere Bauteile, beziehungsweise Oberflächenstrukturen erzielt werden.
10 zeigt eine Detaildarstellung eines zwischen zwei Strömungskanälen 85 angeordneten Überströmventiles 80. Dieses wird von der Einströmseite 104 in Richtung der Ausströmseite 106 vom Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, mit chemisch daran gebundenem weiteren, zweiten Treibstoff, insbesondere H₂, durchströmt und strömt auf diese Weise unidirektional von einem Strömungskanal 85 in den parallel zu diesem verlaufenden weiteren Strömungskanal 85 über.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Erstbefüllungsventils 88 zu entnehmen. Dieses umfasst einen Ventilkörper, in dem ein im Wesentlichen vertikal verlaufender Hohlraum 92 ausgebildet ist, der eine Schwimmerkugel 90 aufweist. Der in der Darstellung gemäß 11 als Bohrung ausgebildete Hohlraum 92 weist eine Durchmesserverengung auf, gegen welche die Schwimmerkugel 90 gestellt ist, um den Zusatztank 50 zu verschließen.
Aus 12 geht hervor, dass das Erstbefüllungsventil 88 an der Oberseite beispielsweise eines Flansches 94 angeordnet ist, an dem sich die beiden Einlässe 68 für den ersten Teilkreislauf 62 sowie den zweiten Teilkreislauf 64 an der Frontseite 72 des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs befinden. Nach der Erstbefüllung des Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs wird das Gehäuse des Erstbefüllungsventiles 88 nach Entlüftung mittels einer Schraube und einer Dichtung verschlossen.
13 zeigt, dass unterhalb eines Bodens 96 einer Passagierkabine eines Verkehrsflugzeuges Zusatztanks 50 zur Bevorratung des weiteren, zweiten Treibstoffs mittels einer Kopplung 100 strömungsmäßig miteinander verbunden sind. Zur strömungsmäßigen Verbindung dienen Verbindungselemente 108, 110, welche über eine Öffnung 98 im Boden 96 der Passagierkabine des Verkehrsflugzeugs zugänglich sind. Die beiden in 13 von der Oberseite her gezeigten Zusatztanks 50 sind über ein erstes Verbindungselement 108 und ein zweites Verbindungselement 110 miteinander gekoppelt. Die beiden Verbindungselemente 108, 110 werden, ohne dass weitere Befestigungselemente erforderlich wären, gegengleich an den beiden Zusatztanks 50 befestigt. Die Verbindung erfolgt durch das Zusammenschieben der Zusatztanks 50 ohne weitere Elemente zur Fixierung oder Sicherung der Verbindung. Lageabweichungen der Zusatztanks 50 sowie der Fixierungselemente für die Zusatztanks 50 werden durch die in 13 in der Draufsicht dargestellte Verbindung bei der Installation automatisch ausgeglichen. Des Weiteren können Bewegungen der Struktur des Luftfahrzeugs und damit Verschiebungen der Zusatztanks 50 während des Flugs und damit einhergehende Verschiebungen der Position der Zusatztanks 50 zueinander ausgeglichen werden. Dadurch können die Zusatztanks 50 mit minimalem Stellplatzabstand in Bezug aufeinander installiert werden, da keine Zugänglichkeit durch einen größeren Abstand für Montageelemente benötigt wird.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hybridtreibstoffsystem 10 kann einerseits durch die integrierte Brennstoffzelle 40 eine elektrische Versorgung zur Steuerung des Luftfahrzeugs im Notfall bei Ausfall der Antriebsturbinen 24 gewährleistet werden. Der generelle Vorteil des weiteren, zweiten Treibstoffs insbesondere von H₂ liegt in der Umweltverträglichkeit und der Ökobilanz dieses Energieträgers. Dieser Aspekt wird in Zukunft stets wichtiger, um steigende Umweltauflagen für eine Betriebserlaubnis von Flugzeugen zu realisieren und dabei die gestellten Anforderungen an die Reichweite des Flugzeugs zu erfüllen. Die Brennstoffzelle 40, die Teil des zweiten Teilsystems 14 ist, ermöglicht zudem in Kombination mit einer sehr klein bauenden Dehydriereinheit 44, untergebracht im Bereich der APU, eine autarke elektrische Energieversorgung des Luftfahrzeugs, sodass einerseits Umweltauflagen von Flughäfen eingehalten werden können und andererseits eine unabhängige elektrische Versorgung des Luftfahrzeugs sichergestellt ist, wenn eine externe elektrische Versorgung für Luftfahrzeuge durch den Flughafen nicht gestellt werden sollte.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen, zum Beispiel die Verwendung eines mit Elektronen angereicherten Elektrolyten als Energieträger in einem Tanksystem mit dem Labyrinthtank.
Bezugszeichenliste

10: Hybridtreibstoffsystem
12: Erstes Teilsystem
14: Zweites Teilsystem
16: Tank für erstes Teilsystem
18: Befüllanschluss
20: Ventil erstes Teilsystem
22: Pumpe erstes Teilsystem
24: Antriebsturbine
26: Brennraum
28: Außenluft
30: Abgasstrom
32: Verdichterteil
34: Turbinenteil
36: Welle
38: Wärmestrom
40: Brennstoffzelle
42: Pumpe zweites Teilsystem
44: Dehydriereinheit
46: Zuleitung
48: Förderaggregat
50: Zusatztank Trägermedium
52: Kreislauf Trägermedium
54: Ventil Trägermedium
56: Entleerung
58: Befüllung
60 62: Erster Teilkreislauf
64: Zweiter Teilkreislauf
66: Auslass
68: Einlass
70: Arretierung
72: Frontseite
74: Rückseite
76: Labyrintheinbauten
78: Labyrinthkassette
80: Überströmventil
82: Seitenwand
84: Strömungsrichtung Trägermedium
85: Strömungskanäle
86: Pfeilgeometrie des Überströmventils 80
88: Erstbefüllungsventil
90: Schwimmerkugel
92: Hohlraum, Bohrung
94: Flansch
96: Boden Passagierkabine
98: Öffnung
100: Kopplung von Zusatztanks
102 104: Einströmseite Überströmventil 80
106: Ausströmseite Überströmventil 80
108: Erstes Verbindungselement
110: Zweites Verbindungselement
112: Wärmetauscher

Claims

Hybridtreibstoffsystem (10) für ein Luftfahrzeug mit einem ersten Teilsystem (12) für einen ersten Treibstoff und mit einem zweiten Teilsystem (14) für einen weiteren, zweiten Treibstoff, welches einen Kreislauf (52) für ein Trägermedium des weiteren, zweiten Treibstoffs umfasst und das Trägermedium im Kreislauf (52) durch mindestens ein Förderaggregat (48) umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (52) für das Trägermedium, einen flüssigen organischen Wasserstoffträger oder einem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten, des weiteren, zweiten Treibstoffs leervolumenfrei ausgeführt ist und einen Zusatztank (50) enthält, der Labyrintheinbauten (76) umfasst.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Treibstoff Kerosin oder ein vergleichbarer flüssiger fossiler Brennstoff ist und der weitere, zweite Treibstoff H₂ ist.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (52) eine Dehydriereinheit (44) enthält, in der der weitere, zweite Treibstoff vom Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger, getrennt wird.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem weiteren, zweiten Treibstoff versehene Trägermedium, der flüssige organische Wasserstoffträger, an mindestens einer erwärmten Katalysatoroberfläche in der Dehydriereinheit (44) entlangströmt.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatztank (50) einen Strömungsweg des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger oder des mit Elektronen angereicherten Elektrolyten, verlängernde Labyrintheinbauten (76) und/oder eine Labyrinthkassette (78) enthält.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatztank (50) einen ersten Teilkreislauf (62) und einen zweiten Teilkreislauf (64) für das Trägermedium, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger oder dem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten, des weiteren, zweiten Treibstoffs enthält, und die Teilkreisläufe (62, 64) voneinander getrennt sind.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrintheinbauten (76) im Wesentlichen wandförmig ausgeführt sind und innerhalb des Zusatztanks (50) Strömungskanäle (85) bilden, an deren Enden jeweils Überströmventile (80) angeordnet sind.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmventile (80) durch Strömung des Trägermediums, dem flüssigen organischen Wasserstoffträger oder dem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten, eine unidirektionale Strömungsrichtung (84) aufprägen.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatztank (50) innerhalb eines Frachtraums eines Luftfahrzeugs unterhalb eines Bodens (96) einer Passagierkabine eines Verkehrsflugzeugs untergebracht ist.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Einlass (68) des Zusatztanks (50) ein Erstbefüllungsventil (88) zugeordnet ist.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zusatztanks (50), die unterhalb des Bodens (96) der Passagierkabine angeordnet sind, strömungstechnisch miteinander über eine Kopplung (100) verbunden sind.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehydriereinheit (44) eine Brennstoffzelle (40) nachgeschaltet ist, die von Außenluft (28) durchströmt ist und welcher der weitere, zweite Treibstoff zugeführt wird.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Antriebsturbine (24) des Luftfahrzeugs während der Startphase mit dem ersten Teilsystem (12) verbunden ist und während des Aufenthalts in Reiseflughöhe und während einer Sinkflugphase beziehungsweise Landephase mit dem zweiten Teilsystem (14) für den weiteren, zweiten Treibstoff verbunden ist.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zusatztanks (50) durch eine montageelementfreie Kopplung (100) miteinander verbunden sind, mit einem ersten Verbindungselement (108) und einem zweiten Verbindungselement (110).
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (108) an einem Zusatztank (50) aufgenommen ist und das zweite Verbindungselement (110) an einem weiteren Zusatztank (50) aufgenommen ist, wobei die beiden Zusatztanks (50) innerhalb des Luftfahrzeugs aufeinander zubewegt werden, derart, dass zwischen den Zusatztanks (50) eine abgedichtete, montageelementfreie Verbindung während der Platzierung der Zusatztanks (50) im Luftfahrzeug erfolgt.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens eine Brennstoffzelle (40) umfasst, die von Außenluft (28) durchströmt ist, welche sich über die Reaktionswärme der Brennstoffzelle (40) bei der Stromerzeugung erwärmt und die Wärmeenergie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (112) zur Erwärmung der • Außenluft (28) für die Versorgung der Passagierkabine genutzt wird.
Hybridtreibstoffsystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehydriereinheit (44) ein Wärmetauscher (112) nachgeschaltet ist, der mit der Restwärme vom Wärmestrom (38) aus der Antriebsturbine (24) die dem Wärmetauscher (112) zugeführte Außenluft (28) erwärmt und die Wärmeenergie für die Versorgung der Passagierkabine genutzt wird.
Verwendung des Hybridtreibstoffsystems (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Treibstoffversorgung mindestens einer Antriebsturbine (24) eines Passagierflugzeugs oder eines Frachtflugzeugs.
Verwendung des Hybridtreibstoffsystems (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Treibstoffversorgung mindestens einer Antriebsturbine (24) eines Passagierflugzeugs, Frachtflugzeugs oder eines anderen Flugfahrzeugtyps mit einem mit Elektronen angereicherten Elektrolyten als Energieträger.