DE102020118917B4

DE102020118917B4 - Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas einer Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle eines Fahrzeugs und ein solches Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020118917B4
Application number: DE102020118917.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fischer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2040-07-18
Also published as: DE102020118917A1

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (102) oder Brennstoffzelle eines Fahrzeugs (100), mit den folgenden Schritten:- Zuführen von zumindest einem Teil des Abgases in einen Katalyseraum (110), der zumindest teilweise mit Wasser befüllt ist, wobei das Abgas unterhalb der Wasseroberfläche zugeführt wird, so dass das Wasser mit im Abgas enthaltenen CO2angereichert wird, und- Durchführen eines Katalyseprozesses durch Beaufschlagen eines im mit CO2angereichertem Wasser angeordneten Katalysators (130) mit elektrischer Spannung, so dass aus CO2und Wasser Ethanol entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Katalyseprozess das Ethanol und das Wasser voneinander getrennt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs. Zudem betrifft die Erfindung ein solches Fahrzeug.
US 2019 / 0 170 046 A1 offenbart ein Verfahren mit Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffs von Verfahrensanspruch 1 und dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch 6.
DE 10 2010 063 016 A1 offenbart ein Energierückgewinnungsverfahren, bei dem kinetische Energie (Bremsenergie) in elektrische Energie umgewandelt wird und die elektrische Energie zur Elektrolyse von Wasser verwendet wird, welches in der Membran einer zwischen Brennstoffzellenbetrieb und Elektrolysebetrieb umstellbaren Membranelektrodeneinheit eines Brennstoffzellensystems, durch Betreiben der Membranelektrodeneinheit im Elektrolysebetrieb, enthalten ist. Damit ist eine gewisse Energierückgewinnung möglich, jedoch ist der technische Aufwand recht hoch, da Wasserstoff extrem flüchtig ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein demgegenüber verbessertes Verfahren und ein entsprechendes Fahrzeug bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Das Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas (enthält Wasser und CO₂) einer Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle eines Fahrzeugs, weist folgende Schritte auf:

- Zuführen von zumindest einem Teil des Abgases in einen Katalyseraum (bspw. mittels einer Pumpe, z.B. an einem Zugang zum Katalyseraum), der zumindest teilweise mit Wasser befüllt ist, wobei das Abgas unterhalb der Wasseroberfläche zugeführt wird, so dass das Wasser mit im Abgas enthaltenen CO₂ angereichert wird, und
- Durchführen eines Katalyseprozesses durch Beaufschlagen eines im mit CO₂ angereichertem Wasser angeordneten Katalysators mit elektrischer Spannung (ggf. mittels einer bspw. zum Katalysemodul gehörenden Steuerung mit einer Leistungselektronik), so dass aus CO₂ und Wasser Ethanol entsteht.

Durch den Katalyseprozess ergibt sich eine Flüssigkeit, die anteilig Ethanol enthält, d.h. teilweise aus Ethanol besteht. Zudem beinhaltet die Flüssigkeit Wasser. Nach dem Katalyseprozess werden das Ethanol und das Wasser voneinander getrennt.
Somit wird Abgas bzw. im Abgas enthaltene Energie nicht einfach emittiert und geht verloren, sondern wird rückgewonnen, da diese in einem chemischen Umwandlungsprozess rekuperiert wird. Auf diese Weise gewonnenes Ethanol kann dem Kraftstofftank zugeführt werden. Dies erhöht die Reichweite des Fahrzeuges. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche elektrische Energie kann dem Bordnetz bzw. der Bordbatterie des Fahrzeugs entnommen werden (bspw. Pumpenergie zur Zuführung von Abgas in den Katalyseraum und/oder elektrische Energie zum Erzeugen einer für die Katalyse erforderlichen elektrischen Potentialdifferenz).
Wie angedeutet, enthält das Abgas des Verbrennungsmotors oder der Brennstoffzelle Wasser und CO₂ (Kohlenstoffdioxid). Dies sind die Stoffe, die bei Verbrennung von Ethanol oder Benzin im Verbrennungsmotor oder der Brennstoffzelle freigesetzt werden. Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle werden teilweise oder vollständig mit Ethanol als Kraftstoff betrieben (Ethanolanteil im Kraftstoffgemisch bis zu 10 Prozent, oder überwiegender Ethanolanteil im Kraftstoffgemisch (größer als 50 Prozent) oder reiner Ethanolbetrieb mit 100% Ethanol als Kraftstoff).
Vorzugsweise kann dem Katalyseraum Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO₂ zugeführt werden, wobei die Umgebungsluft oder das (hieraus gewonnene) CO₂ unterhalb der Wasseroberfläche zugeführt wird. Damit kann die Anreicherung des Wassers mit CO₂ erhöht oder beschleunigt werden, da dem Katalysemodul bzw. dem Katalyseraum CO₂ aus zwei unterschiedlichen Quellen (Abgas und Umgebungsluft) zugeführt werden kann. Am Katalysemodul bzw. am Katalyseraum kann hierfür ein (weiterer) Zugang, insbesondere mit einer (weiteren) Pumpe vorgesehen sein.
Vorzugsweise kann die Anreicherung des Wassers mit CO₂ gesteuert oder geregelt werden. Eine gesteuerte Anreicherung erlaubt eine konstruktiv einfache Ausgestaltung. Eine solche Steuerung sieht vor, dass die Wassermenge im Katalyseraum (bspw. durch Messung mittels eines Füllstandsensors im Katalyseraum) bekannt ist und die Dauer, über die das Abgas in eine definierte Wassermenge eingeleitet werden muss (bspw. durch Aktivieren der Pumpe am Zugang von der Abgasanlage in den Katalyseraum) ebenfalls bekannt ist (bspw. empirische Ermittlung in Vorversuchen). Im Steuergerät des Katalysemoduls kann eine Kennlinie hinterlegt sein, die in Abhängigkeit von der Wassermenge angibt, wie lange Abgas in den Katalyseraum eingeleitet werden muss, um die optimale Anreicherung des Wassers mit CO₂ zu erhalten. Eine geregelte Anreicherung erlaubt einen effizienten Ablauf durch Messung des CO₂-Gehalts im Wasser des Katalyseraums. Hierfür können ein pH-Wert-Sensor und ein Wasserhärtesensor vorgesehen sein, so dass sich der CO₂-Gehalt anhand eines Kennfeldes (enthaltend pH-Wert, Härtegrad und CO₂-Gehalt) ermittelt werden kann (pH-Wert, Härtegrad und CO₂-Gehalt stehen in direkter Relation zueinander - dies ist im Kennfeld abgebildet). Somit ist erkennbar, wann die CO₂-Anreicherung optimal ist. Die Pumpe kann dann abgeschaltet und der Katalyseprozess gestartet werden.
Vorzugsweise kann der Katalyseprozess gesteuert oder geregelt werden. Ein gesteuerter Katalyseprozess erlaubt eine konstruktiv einfache Ausgestaltung. Eine solche Steuerung sieht vor, dass die Wassermenge im Katalyseraum (bspw. durch Messung mittels eines Füllstandsensors im Katalyseraum) bekannt ist und die Dauer der Katalyse (bspw. Einschaltdauer einer auf den oder die Katalysatoren wirkende Spannungsquelle, bspw. einer Leistungselektronik des Steuergeräts) ebenfalls bekannt ist (bspw. empirische Ermittlung der Einschaltdauer abhängig von der CO₂-angereicherten Wassermenge in Vorversuchen). Im Steuergerät des Katalysemoduls kann eine Kennlinie hinterlegt sein, die die Einschaltdauer in Abhängigkeit von der CO₂angereicherten Wassermenge festlegt. Ein geregelter Katalyseprozess erlaubt einen effizienten Katalyseprozess durch Ethanolgehaltsmessung. Im Katalyseraum kann ein Sensor zur Ethanolgehaltsmessung vorgesehen sein, der den Ethanolgehalt im Wasser misst. Dieses Messverfahren kann durch Alkoholometrie umgesetzt werden, wobei z.B. über ein Aräometer der Dichteunterschied von Ethanol und Wasser genutzt werden kann. Der Katalyseprozess kann abgeschlossen werden, wenn der gewünschte oder erreichbare Ethanolgehalt gemessen wird. Die Katalyse kann dann beendet werden (bspw. durch Ausschalten der auf den oder die Katalysatoren wirkende Spannungsquelle, bspw. einer Leistungselektronik des Steuergeräts). Die das Ethanol enthaltende Flüssigkeit bzw. das Ethanol kann aus dem Katalyseraum gepumpt werden.
Vorzugsweise kann der Katalyseraum, insbesondere bei Anreicherung des Wassers mit CO₂, mit Überdruck beaufschlagt werden und/oder dass das Abgas und/oder das (ggf. mit CO₂ zumindest schon teilweise angereicherte) Wasser gekühlt werden. Damit kann die Aufnahmefähigkeit von Wasser für CO₂ optimiert werden, so dass der CO₂-Anteil erhöht werden kann. Zur Beaufschlagung mit Überdruck kann die Pumpe, welche Abgas in den Katalyseraum fördert, dazu eingerichtet sein, im Katalyseraum einen Überdruck zu generieren bzw. aufrechtzuerhalten. Die Entlüftung, die überschüssiges Abgas aus dem Katalyseraum in die Umgebung abgibt, kann ein Druckbegrenzungsventil aufweisen, welches eingerichtet ist, um Überdruck im Katalyseraum einzustellen. Zur Kühlung von Abgas und/oder Wasser im Katalyseraum können Flüssigkeits- und/oder Luftkühler vorgesehen sein oder es kann die Kühlleistung der Klimaanlage eingesetzt werden. Es kann eine hohe Umsetzungsrate in Ethanol erreicht werden.
Vorzugsweise können nach dem Katalyseprozess das Ethanol und das Wasser (und ggf. weitere Flüssigkeitsbestandteile) voneinander getrennt werden. Somit kann auch dann, wenn keine hinreichend hohe Umsetzungsrate von Wasser und CO₂ in Ethanol erreicht wird, reines Ethanol bereitgestellt werden, das bspw. dem Kraftstofftank des Fahrzeugs zugeführt werden kann. Eine solche Trennung kann vor einer Zuleitung zum Kraftstofftank erfolgen, bspw. mittels einer Trenneinrichtung (Einbindung der Trenneinrichtung in eine Strömungsverbindung zwischen dem Katalyseraum und dem Kraftstofftank). Eine solche Trennung kann ggf. in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt werden. Zur Trennung können ein Destillationsverfahren, ein oder mehrere Salze oder Pervaporation genutzt werden.
Vorzugsweise kann die Kraftstoffgewinnung (Zuführen von Abgas in den Katalyseraum zur CO₂-Anreicherung und der Katalyseprozess) diskontinuierlich oder kontinuierlich ablaufen. Ein diskontinuierlicher Ablauf lässt sich technisch mit konstruktiv einfacheren Mitteln umsetzen. Mit einem kontinuierlichen Ablauf ist eine fortwährende Gewinnung von Ethanol möglich.
Vorzugsweise kann die Kraftstoffgewinnung (Zuführen von Abgas in den Katalyseraum zur CO2-Anreicherung und der Katalyseprozess) in einem (gesonderten und bspw. zur Abgasanlage separaten) Katalysemodul oder in der Abgasanlage des Fahrzeugs erfolgen. Eine Realisierung in einem separaten Katalysemodul trägt aus konstruktiven und thermischen Gründen zu einer einfacheren Umsetzung der Kraftstoffgewinnung bei. Mit einer Kraftstoffgewinnung in der Abgasanlage des Fahrzeugs kann der Bauraum geringgehalten werden. Es kann der Abgasgegendruck der Abgasanlage (ggf. als Maximaldruck) genutzt werden, um dort direkt und kontinuierlich Ethanol herzustellen oder mit anderen Worten einen Teil des Abgases direkt und kontinuierlich chemisch zu rekuperieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst.
Das Fahrzeug ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche geeignet.
Das Fahrzeug weist eine Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle und eine Abgasanlage zur Abführung von Abgas der Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle an die Umgebung auf. Das Fahrzeug weist ein Katalysemodul mit einem Katalyseraum zur Anreicherung von Wasser mit CO₂ und zur Herstellung von Ethanol aus Wasser und CO₂ auf. Das Katalysemodul weist einen Zugang auf, der (ggf. mittels einer Zuführleitung) mit der Abgasanlage strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum Abgas zugeführt werden kann. Das Katalysemodul weist zudem einen Ausgang auf, der (ggf. mittels einer Abführleitung) mit dem Kraftstofftank strömungsverbunden ist, so dass Ethanol aus dem Katalyseraum dem Kraftstofftank zugeführt werden kann.
Hinsichtlich der hiermit erzielbaren Vorteile wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezüglichen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
Die Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise dazu eingerichtet, um mit Kraftstoff mit einem Ethanolanteil im Kraftstoffgemisch von bis zu 10 Prozent oder überwiegend ethanolhaltigem Kraftstoff betrieben zu werden. Insbesondere ist die Verbrennungskraftmaschine dazu eingerichtet, um mit reinem Ethanol betrieben zu werden (Ethanolanteil im Kraftstoff von 100 Prozent).
Vorzugsweise kann das Katalysemodul einen weiteren Zugang aufweisen, der mit der Umgebung des Fahrzeugs strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO₂ zugeführt werden kann. Damit kann die Anreicherung des Wassers mit CO₂ erhöht oder beschleunigt werden.
Vorzugsweise kann das Katalysemodul eine Steuerung aufweisen, die Komponenten des Katalysemoduls steuert und/oder regelt. Somit kann eine Steuerung, Regelung und/oder Überwachung des Katalysemoduls erfolgen. Die Steuerung kann Eingänge zum Anschluss von Sensoren aufweisen. Die Steuerung kann Ausgänge zum Anschluss von Ventilen, Pumpen und/oder Katalysatoren aufweisen. Die Steuerung kann eine Leistungselektronik aufweisen, die zur Energieversorgung von an den Ausgängen angeschlossenen Komponenten mit einem, mehreren oder allen Ausgängen der Steuerung elektrisch verbunden ist. Zudem kann die Steuerung zur Auswertung von Sensorsignalen und zur Ausgabe von Steuerungs- und/oder Regelungssignalen eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweisen, bspw. einen Mikrocontroller oder einen Mikrorechner.
Vorzugsweise kann das Katalysemodul an dem Zugang, der (ggf. mittels einer Zuführleitung) mit der Abgasanlage strömungsverbunden ist, eine Pumpe bzw. Absaugpumpe aufweisen. Mittels der Pumpe kann Abgas abgesaugt und dem Katalyseraum zugeführt werden. Der Zugang ist insbesondere derart ausgebildet, dass dieser unterhalb eines Wasserfüllstandniveaus (d.h. unterhalb der Wasseroberfläche) in den Katalyseraum mündet. Somit kann eine Zuführung von Abgas in den Katalyseraum unterhalb der Wasseroberfläche erfolgen.
Vorzugsweise kann das Katalysemodul an dem weiteren Zugang, der mit der Umgebung des Fahrzeugs strömungsverbunden ist, eine weitere Pumpe bzw. Absaugpumpe aufweisen. Mittels der weiteren Pumpe kann Umgebungsluft oder CO₂ aus der Umgebungsluft abgesaugt und dem Katalyseraum zugeführt werden. Der weitere Zugang ist insbesondere derart ausgebildet, dass dieser unterhalb eines Wasserfüllstandniveaus (d.h. unterhalb der Wasseroberfläche) in den Katalyseraum mündet. Somit kann eine Zuführung von Umgebungsluft oder CO₂ aus der Umgebungsluft in den Katalyseraum unterhalb der Wasseroberfläche erfolgen.
Vorzugsweise kann das Katalysemodul einen oder mehrere Katalysatoren aufweisen. Damit lässt sich eine Katalyse von mit CO₂ angereichertem Wasser zu Ethanol durchführen. Der oder die Katalysatoren sind unterhalb eines Wasserfüllstandniveaus im Katalyseraum angeordnet. Der oder die Katalysatoren können als Nano-Partikel-Katalysator ausgebildet sein. Der oder die Katalysatoren können aus Kupfer und Kohlenstoff ausgebildet sein. Im Konkreten können der oder die Katalysatoren Nanopartikel aus Kupfer und Kohlenstoff aufweisen. Dabei können Nanopartikel aus Kupfer auf der Oberfläche von nanometerkleinen Spitzen aus Kohlenstoff angeordnet sein. Der oder die Katalysatoren können als eine oder mehrere Platten, Gitter, Schnecken, in Tropfenform oder mit einer Formgebung wie ein 3-Wege-Katalysator eines PKWs aufgebaut sein. Durch diese Maßnahmen kann mehr Katalysatoroberfläche in dem kompakten Bauraum des Katalyseraums erhalten werden oder die Katalysatoroberfläche kann möglichst strömungsgünstig umflossen werden, um die Effizienz zu erhöhen.
Vorzugsweise kann das Katalysemodul zur Überwachung des Füllstandes im Katalyseraum einen Füllstandssensor aufweisen. Dadurch können der Flüssigkeitsfüllstand im Katalyseraum erfasst und das im Katalyseraum enthaltene Flüssigkeitsvolumen ermittelt werden. Der Füllstandssensor kann drahtlos oder drahtgebunden mit der oben bereits beschriebenen Steuerung verbunden sein, so dass das Sensorsignal des Füllstandsensors in die Steuerung eingegeben wird. Dies begünstigt neben einem gesteuerten auch einen geregelten Prozessablauf (Zuführen von Abgas in den Katalyseraum zur CO₂-Anreicherung und der Katalyseprozess).
Vorzugsweise kann das Katalysemodul am oder im Katalyseraum einen pH-Wert-Sensor, einen Wasserhärtesensor und/oder einen Sensor zur Ethanolgehaltsmessung aufweisen. Durch den pH-Wert-Sensor und den Wasserhärtesensor kann der CO₂-Gehalt im Wasser im Katalyseraum ermittelt werden, da der pH-Wert, der Härtegrad und der CO₂-Gehalt von Wasser in direkter Relation zueinanderstehen. Bspw. kann der CO₂-Gehalt aus den anderen beiden Werten in einem Kennfeld bestimmt werden. Durch den Sensor zur Ethanolgehaltsmessung kann der Ethanolgehalt im (mit CO₂ angereicherten) Wasser im Katalyseraum ermittelt und der Katalyseprozess beendet werden, wenn der gewünschte oder erreichbare Ethanolgehalt gemessen wird. Der Sensor zur Ethanolgehaltsmessung kann auf dem Prinzip der Alkoholometrie basieren, wobei z.B. über ein Aräometer der Dichteunterschied von Ethanol und Wasser genutzt werden kann.
Vorzugsweise kann am Katalyseraum eine Entlüftung vorgesehen sein. Damit kann überflüssiges Abgas, welches nicht im Wasser des Katalyseraums gelöst werden kann, abgegeben werden, bspw. in einen Teil der Abgasanlage (Abgasrohr). Optional kann an der Entlüftung ein Überdruckventil vorgesehen sein. Durch das Überdruckventil kann im Katalyseraum Überdruck eingestellt werden. Dies trägt zu einem höheren CO₂-Anteil und einer höheren Umsetzungsrate von CO₂ im Wasser bei.
Vorzugsweise kann zur Kühlung von Abgas und/oder Wasser im Katalyseraum eine Kühleinrichtung oder eine Strömungsverbindung zu einer Klimaanlage des Fahrzeugs vorgesehen sein. Kann das Abgas und/oder das Wasser im Katalyseraum heruntergekühlt werden. Dies trägt zu einem höheren CO₂-Anteil und einer höheren Umsetzungsrate von CO₂ im Wasser bei. Die Kühleinrichtung kann als Flüssigkeitskühler oder als Luftkühler ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann ein Wasserreservoir zur Befüllung und/oder Regulierung des Füllstandes im Katalyseraum des Katalysemodul vorgesehen sein. Hiermit lässt sich der Füllstand von Wasser im Katalyseraum einstellen. Das Wasserreservoir kann über eine Wasserzufuhrleitung mit dem Katalysatorraum verbunden sein, wobei an oder in der Wasserzufuhrleitung ein Schaltventil angeordnet ist. Das Schaltventil ist elektrisch und/oder elektronisch mit der Steuerung des Katalysemoduls verbunden und kann durch die Steuerung geregelt werden. Dadurch kann dem Katalyseraum bei Bedarf Wasser zugeführt werden.
Erfindungsgemäß ist bei dem Fahrzeug nach dem nebengeordneten Anspruch eine Trenneinrichtung zur Trennung von Ethanol und Wasser vorgesehen, wobei die Trenneinrichtung in eine Strömungsverbindung zwischen dem Katalyseraum und dem Kraftstofftank eingebunden ist. Somit kann auch dann, wenn keine hinreichend hohe Umsetzungsrate von Wasser und CO₂ in Ethanol erreicht wird, reines Ethanol bereitgestellt werden, das dem Kraftstofftank des Fahrzeugs zugeführt werden kann. Die Trenneinrichtung kann entlang der Schwerkraftrichtung oberhalb des Wasserreservoirs angeordnet sein, so dass abgetrenntes Wasser auf einfache Weise dem Wasserreservoir zugeführt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

1 schematisch ein Fahrzeug mit dessen Komponenten und
2 schematisch ein Katalysemodul des Fahrzeugs aus 1.

In 1 ist schematisch ein Fahrzeug 100 mit dessen Komponenten dargestellt.
Das Fahrzeug 100 weist eine Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle 102, eine Abgasanlage 104 zur Abführung von Abgas der Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle 102 (nachfolgend der Einfachheit halber nur als „Verbrennungskraftmaschine 102“ bezeichnet) an die Umgebung, einen Kraftstofftank 106 und ein Katalysemodul 108 mit einem Katalyseraum 110 zur Anreicherung von Wasser mit CO₂ und zur Herstellung von Ethanol aus Wasser und CO₂ auf. Die Verbrennungskraftmaschine 102 ist derart eingerichtet, dass diese mit einem Kraftstoff betrieben werden kann, der einen Ethanolanteil im Kraftstoffgemisch bis zu 10 Prozent aufweist oder zum überwiegenden Anteil oder vollständig aus Ethanol (E100) besteht.
Das Katalysemodul 108 weist einen Zugang 112 auf, der mittels einer Zuführleitung 114 mit der Abgasanlage 104 strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum 110 Abgas zugeführt werden kann. Das Katalysemodul 108 weist einen Ausgang 116 auf, der mittels einer Abführleitung 118 mit dem Kraftstofftank 106 strömungsverbunden ist, so dass Ethanol aus dem Katalyseraum 110 dem Kraftstofftank 106 zugeführt werden kann. Mittels einer Kraftstoffleitung 119 kann Kraftstoff vom Kraftstofftank 106 zur Verbrennungskraftmaschine 102 geführt werden.
Das Katalysemodul 108 weist einen weiteren Zugang 120 auf, der mit der Umgebung des Fahrzeugs 100 strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum 110 Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO₂ zugeführt werden kann.
In 2 ist schematisch das Katalysemodul 108 des Fahrzeugs 100 dargestellt. Das Katalysemodul 108 weist eine Steuerung 122 mit einer Leistungselektronik auf, um die Komponenten des Katalysemoduls 108 zu steuern und/oder zu regeln. Am Zugang 112 bzw. an der Zuführleitung 114 von der Abgasanlage 104 in den Katalyseraum 110 ist eine Pumpe bzw. Absaugpumpe 124 vorgesehen, um Abgas in den Katalyseraum 110 zu fördern. Am weiteren Zugang 120 von der Umgebung des Fahrzeugs 100 in den Katalyseraum 110 ist eine weitere Pumpe bzw. Absaugpumpe 126 vorgesehen, um Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO₂ in den Katalyseraum 110 zu fördern. Eine dritte Pumpe bzw. Absaugpumpe 128 ist am Ausgang 116 bzw. in der Abführleitung 118 vorgesehen.
Das Katalysemodul 108 weist im Beispiel einen Katalysator 130 auf. Das Katalysemodul 108 weist zur Überwachung des Füllstandes von Wasser im Katalyseraum 110 einen Füllstandssensor 132 auf. Das Katalysemodul 108 weist am oder im Katalyseraum 110 einen pH-Wert-Sensor, einen Wasserhärtesensor und/oder einen Sensor zur Ethanolgehaltsmessung auf (nicht dargestellt).
Am Katalyseraum 110 ist eine Entlüftung 140 vorgesehen, die optional mit einem Überdruckventil 142 ausgerüstet ist. Zur Kühlung von Abgas und/oder Wasser im Katalyseraum 110 kann eine Kühleinrichtung (bspw. Flüssigkeitskühler oder Luftkühler) oder eine Strömungsverbindung zu einer Klimaanlage des Fahrzeugs 100 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Zur Befüllung und/oder Regulierung des Füllstandes im Katalyseraum 110 des Katalysemoduls 108 ist ein Wasserreservoir 144 vorgesehen, welches über eine Wasserzuführleitung 146 mit einem Schaltventil 148 mit dem Katalyseraum 110 verbunden ist.
Zur Trennung von Ethanol und Wasser weist das Katalysemodul 108 optional eine Trenneinrichtung 150 zur Trennung von Ethanol und Wasser auf, wobei die Trenneinrichtung 150 in der Strömungsverbindung bzw. der Abführleitung 118 zwischen dem Katalyseraum 110 und dem Kraftstofftank 106 eingebunden ist Die Trenneinrichtung 150 ist entlang der Schwerkraftrichtung 152 oberhalb des Wasserreservoirs 144 angeordnet, so dass abgetrenntes Wasser dem Wasserreservoir 144 zugeführt werden kann.
Der Aufbau des Fahrzeugs 100 und des Katalysemoduls 108 sowie das Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas werden nachfolgend weiter erläutert.
Es ist möglich unter Zuhilfenahme eines Katalysators und Stroms als Aktivator aus CO₂ und Wasser Ethanol herzustellen. Die chemische Gleichung hierfür lautet: 3 H₂O + 2 CO₂ => C₂H₅OH + 3 O₂ (Gleichung 1).
Die Gleichung für die Verbrennung des Ethanols im Verbrennungsmotor lautet: C₂H₅OH + 3 O₂ => 3 H₂O + 2 CO₂ (Gleichung 2).
Es handelt sich also um den umgekehrten Prozess. Der Vorteil des Verbrennungsprozesses mit reinem Ethanol nach Gleichung 2 ist, dass wenig Nebenprodukte bei der Verbrennung oder Umsetzung entstehen, so dass fast ausschließlich CO₂ und Wasser entstehen. Dieses Abgas, welches normalerweise in die Umgebung abgegeben wird, kann nun wieder dem Katalyse-Prozess nach Gleichung 1 zugeführt werden. Das zugehörige Schema ist in 1 gezeigt.
Im Fahrzeug 100 wird ein Katalysemodul 108 verbaut, das nach dem Wirkprinzip der Gleichung 1 arbeitet. Dabei wird das Abgas der Verbrennung (Wasser und CO₂) dem Katalysemodul 108 zugeführt und in Ethanol umgesetzt. Das entstandene Ethanol wird dem Kraftstofftank 106 des Fahrzeugs 100 zugeführt und erhöht damit die Reichweite. Das Abgas, oder ein Teil davon wird also nicht emittiert und verloren, sondern in einem chemischen Umwandlungsprozess rekuperiert. Es ist zudem denkbar, CO₂ aus der Umgebungsluft zu entnehmen und ebenfalls umzuwandeln. Die dafür notwendige elektrische Energie kann der Fahrzeugbatterie entnommen werden.
Die Betriebsstrategie und der Aufbau des Katalysemoduls 108 richten sich nach dem Stand der Technik des Nano-Partikel-Katalysators und ist im Folgenden für die unterschiedlichen Evolutionsstufen erklärt.
Eine erste Evolutionsstufe und ein grundsätzlicher Aufbau des Katalysemoduls 108 ist in 2 gezeigt. Das Herzstück des Katalysemoduls 108 bildet der Katalyseraum 110. Dort ist der Katalysator 130 untergebracht in Form von einer oder mehreren Oberflächen. Die Katalysatorwerkstoffe Kupfer und Kohlenstoff sind kostengünstig und in ausreichenden Mengen zu erhalten.
Das elektrische Potential im Laboraufbau wurde variiert, betrug aber maximal 1,5 Volt, so dass der Aufbau bereits mit einem regulären Pkw mit 12 Volt Spannungsversorgung umgesetzt werden kann. Zur Aktivierung der elektrischen Katalyse wird eine Steuerung bzw. ein Steuergerät 122 mit Leistungselektronik verwendet, welches weitere Aufgaben übernehmen kann wie nachfolgend erläutert.
Das Abgas (Wasser und CO₂) wird als Eingangsstoff benötigt. Dieses wird der Abgasanlage 104 entnommen mittels der Absaugpumpe 124 und in den Katalyseraum 110 gefördert. Optional kann ergänzend CO₂ aus der Umgebungsluft zugeführt werden mit der zusätzlichen Pumpe 126. Beide Pumpen 124, 126 können über das Steuergerät 122 geregelt werden.
Da für die Katalyse die Oberfläche des Katalysators 130 vollständig mit Wasser bedeckt sein muss, welches mit CO₂ angereichert ist, wird der Katalyseprozess in der ersten Evolutionsstufe diskontinuierlich angestrebt. Es ist ein zusätzliches Wasserreservoir 144 mit Schaltventil 148 denkbar, welches die Wassermenge im Katalyseraum 110 erhöhen und ebenfalls vom Steuergerät 122 geregelt werden kann.
Der Wasserfüllstand im Katalyseraum 110 wird mit einem Füllstandsensor 132 gemessen (z.B. kapazitiv). Im Laboraufbau wurde der Vorgang bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck durchgeführt, was auch in der ersten Evolutionsstufe so umgesetzt werden kann. Das Wasser wird mit CO₂ angereichert, indem das aus der Abgasanlage 104 entnommene Abgas von der Absaugpumpe 124 unter die Wasseroberfläche im Katalyseraum 110 geführt wird. Überflüssiges Abgas, welches nicht im Wasser gelöst werden kann, wird über eine Entlüftung 140 in die Abgasanlage 104 bzw. in ein Abgasrohr geleitet.
In der ersten Evolutionsstufe kann die Anreicherung des Wassers mit CO₂ gesteuert ablaufen. Das heißt, die Menge an Wasser im Katalyseraum 110 ist bekannt durch den Füllstandsensor 132. Die Dauer, wie lange die Absaugpumpe 124 Abgas in eine definierte Menge Wasser einleiten muss, kann in einem Vorversuch empirisch ermittelt werden. Im Fahrzeugbetrieb gibt dann im Steuergerät 122 des Katalysemoduls 108 eine Kennlinie an, wie lange Abgas eingeleitet werden muss, um die optimale Anreicherung zu erhalten, abhängig von der Wassermenge.
Anschließend wird die Absaugpumpe 124 vom Steuergerät 122 ausgeschalten und der Katalyseprozess im geschlossenen Katalyseraum 110 wird elektrisch aktiviert. Die Dauer des Prozesses kann ebenfalls in einem Vorversuch ermittelt werden, indem verschiedene Einschaltdauern getestet werden, um damit die Einschaltdauer abhängig von der angereicherten Wassermenge festzulegen, mit dem besten Verhältnis von Einschaltdauer zu Ethanol-Ausbeute. Aus den Ergebnissen kann eine Kennlinie im Steuergerät 122 hinterlegt werden, das dann die Einschaltdauer in Abhängigkeit der Wassermenge festlegt.
In ersten Versuchen konnte ein Umsetzungswirkungsgrad von 63 Prozent erzielt werden. Ein Wirkungsgrad bis etwa 80 Prozent könnte erreicht werden. Somit wird der Katalyseprozess kein reines Ethanol herstellen können. Daher wird die Flüssigkeit nach der Katalyse nicht direkt in den Kraftstofftank 106 des Fahrzeugs 100 geleitet, sondern in einem letzten Schritt durch ein Trennverfahren (Trenneinrichtung 150) geschickt, welches das Ethanol vom restlichen Wasser trennt.
Um Ethanol von Wasser zu trennen, sind bis zu einem gewissen Trenngrad Destillationsverfahren oder die Nutzung von Salzen möglich. Eine andere Möglichkeit ist die Pervaporation. Hierbei wird an einer hydrophilen Membran Wasser aus dem Ethanol abgetrennt, durch die Nutzung der Polarität und der Molekülgröße. Der Prozess ist Stand der Technik, wird aber üblicherweise in großen Chemieanlagen verwendet, so dass eine Skalierung in die Dimension des Automobilbaus noch notwendig, aber umsetzbar ist.
Der Prozess kann grundsätzlich kontinuierlich ablaufen, so dass eine weitere Absaugpumpe 128 nach der Katalyse vom Steuergerät 122 aktiviert wird und das entstandene Ethanol-Wasser-Gemisch durch die Trenneinrichtung 150 (z.B. durch den Prozess Pervaporation) schickt, der vom Steuergerät 122 konditioniert werden kann. Der Volumenstrom bzw. die Fördermenge der Absaugpumpe 128 wird so festgelegt, dass der Trennprozess optimal ablaufen kann. Ein gewisser Restanteil an Wasser wird im Ethanolgemisch zurückbleiben, was kein Problem für den Verbrennungsmotor bzw. die Verbrennungskraftmaschine 102 darstellt.
Die Trenneinrichtung 150 wird geometrisch über dem Wasserreservoir 144 befestigt, so dass das abgetrennte Wasser direkt in das Wasserreservoir 144 zurückfließen kann und wieder zur Verfügung steht. Entsprechend sollte ein „Nachtanken“ von Wasser, nicht notwendig sein, da genug Wasser auch über das Abgas gewonnen werden kann. Ein Tausch oder ein Nachfüllen von Wasser kann dann z.B. bei einem üblichen Service in der Werkstatt durchgeführt werden. Das Reservoir kann hierfür einen üblichen Tankstutzen (wie bspw. bei AdBlue oder Wassereinspritzung) aufweisen. Das Ethanol mit hohem Reinheitsgrad kann dann von der Trenneinrichtung 150 zum Kraftstofftank 106 geführt und kann wieder verbrannt werden.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das Ziel dieser Erfindung ist, den Nachteil von Ethanol mit höherem volumetrischen Verbrauch, nebst anderen beschriebenen Optimierungen (Downsizing, Verdichtungserhöhung), zu kompensieren, oder sogar zu überkompensieren, so dass der volumetrische Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs mit optimiertem Ethanol-Verbrennungsmotor (oder Brennstoffzelle) und Katalysemodul gleich oder geringer ist, verglichen mit einem konventionellen Verbrennungsmotor, um die Marktakzeptanz zu erhöhen.
Nachfolgend werden Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Katalysemoduls für spätere Evolutionsstufen beschrieben.
Sollte sich in späteren Entwicklungsstufen herausstellen, dass eine höhere Spannung für eine effizientere Umsetzung im Katalysemodul 108 sorgt, wäre dies problemlos umsetzbar, da bereits jetzt verschiedene Systeme zwischen 48 Volt und 800 Volt in Fahrzeugen verfügbar sind. Hier ist eine Anpassung der Leistungselektronik der Steuerung 122 und des Katalysators 130 möglich, so dass lediglich die vorhandene Spannungsversorgung im Fahrzeug begrenzend wirkt.
Die Katalyse läuft an der Nano-Oberfläche des Katalysators 130 ab. Um also mehr, schneller und effizienter Ethanol nach Gleichung 1 herzustellen, hilft es, mehr Katalysefläche zu haben. In 1 ist nur eine Platte dargestellt. Natürlich können auch mehrere Platten im Katalyseraum 110 untergebracht werden, um mehr angereichertes Wasser in der gleichen Zeit in Ethanol umzusetzen. Auch muss der Katalysator 130 nicht in Form einer Platte umgesetzt sein, sondern kann komplexere Formgebungen aufweisen, die entweder das Ziel verfolgen können, mehr Katalysatoroberfläche in dem kompakten Bauraum des Katalyseraums 110 zu erhalten, oder das Ziel die Katalysatoroberfläche möglichst strömungsgünstig zu umfließen, um ggf. die Effizienz zu erhöhen. Hier wären Formgebungen wie Gitter, Schnecken, Tropfenformen möglich, oder es kann sich an der Form eines bisher üblichen Pkw 3-Wege Katalysators orientiert werden.
Auch der Katalyseprozess kann unter Umständen noch effizienter gestaltet werden, wenn der Katalysevorgang nicht als Steuerungsprozess, sondern als Regelungsprozess umgesetzt würde. Hierzu wäre eine Möglichkeit, den CO₂-Gehalt im Wasser im Katalyseraum 110 zu messen, um zu wissen, wann die CO₂-Anreicherung optimal ist und dann die Absaugpumpe 124 zu stoppen und den Katalyseprozess zu starten. Da sich der CO₂-Gehalt im Wasser nicht direkt messen lässt, wäre es denkbar, den Katalyseraum 110 mit einem pH-Wert-Sensor und einem Wasserhärtesensor auszustatten. Der pH-Wert, der Härtegrad und der CO₂-Gehalt von Wasser stehen in direkter Relation zueinander, so dass man den CO₂-Gehalt aus den anderen beiden Werten in einem Kennfeld direkt bestimmen kann.
Ist der Katalyseprozess gestartet, so ist auch dieser in der ersten Evolutionsstufe als Steuerungsprozess angedacht. Auch hier kann ein Regelungsprozess implementiert werden, indem im Wasserbad des Katalyseraums 110 ein weiterer Sensor zur Ethanolgehaltsmessung eingebracht wird. Dieses Messverfahren ist in Wasser umsetzbar im Rahmen der Alkoholometrie, wobei z.B. über ein Aräometer der Dichteunterschied von Ethanol und Wasser genutzt werden kann. Somit ist es möglich, den Katalyseprozess abzuschließen, wenn der gewünschte oder erreichbare Ethanolgehalt gemessen wird, um das Ethanol aus dem Katalyseraum 110 zu pumpen.
Auch die CO₂-Anreicherung des Wassers im Katalyseraum 110 kann unter Umständen in einer weiterführenden Evolutionsstufe effizienter gestaltet werden. Die Anreicherung von Wasser mit CO₂ wird als Karbonisieren bezeichnet. Dies ist neben vielen technischen Bereichen auch in der Lebensmittelindustrie üblich. Umgangssprachlich wird Wasser mit gelöstem CO₂ als Wasser mit Kohlensäure bezeichnet. Tatsächlich ist der Anteil von Kohlensäure in karbonisiertem Wasser bei nur etwa 2 Prozent. Beim Rest handelt es sich um im Wasser gelöstes CO₂, welches auch beim Öffnen einer Wasserflasche zu Blasenaufstieg und dem typischen Zischen führt.
Grundsätzlich steigt die Löslichkeit von CO₂ in Wasser mit zunehmenden Druck. Bei Umgebungsdruck ist der CO₂-Gehalt von Wasser also sehr niedrig. Wird karbonisiertes Wasser geöffnet stehen gelassen, diffundiert das CO₂ letztlich fast komplett heraus. Entsprechend werden Wasserflaschen unter Druck karbonisiert. Eine ähnliche Umsetzung wäre im Katalysemodul 108 möglich. Die Absaugpumpe 124, die das Abgas aus der Abgasanlage 104 entnimmt und in den Katalyseraum 110 fördert, muss nur entsprechend ausgelegt sein, den Druckunterschied erdulden und generieren zu können. Weiterhin muss die Entlüftung 140 durch ein Druckbegrenzungsventil bzw. Überdruckventil 142 ersetzt werden, welches den Überdruck im Katalyseraum 110 einstellt. Durch den Betrieb mit Überdruck kann der CO₂-Anteil erhöht und damit die Umsetzungsrate ggf. über 80 Prozent getrieben werden.
Neben hohen Druck, begünstigt auch niedrige Temperatur die Aufnahmefähigkeit von Wasser für CO₂. Daher wäre als Weiterentwicklung denkbar, das Abgas, oder auch das Wasser im Katalyseraum 110 zu kühlen. Dazu stehen neben Kühleinrichtungen wie bspw. klassischen Flüssigkeits- und Luftkühlern auch die Verwendung der Leistung der Klimaanlage zur Verfügung, um das Wasser deutlich herunterzukühlen, sollte dies von großem Vorteil sein. Im Idealfall führen diese Maßnahmen zu so einer hohen Umsetzungsrate in Ethanol, dass auf die Trenneinrichtung 150 verzichtet werden kann.
Es sei noch die Evolutionsmöglichkeit aufgezeigt, den kompletten Prozess von einem diskontinuierlichen zu einem kontinuierlichen Prozess umzuwandeln. Durch die zusätzliche Mess- und Regelungsfähigkeit wäre es auch denkbar, den Prozess mittelfristig direkt in die Abgasanlage zu verschieben (dann nur mit dem Abgasgegendruck der Abgasanlage als Maximaldruck) um dort direkt und kontinuierlich Ethanol herzustellen und einen Teil des Abgases direkt und kontinuierlich chemisch zu rekuperieren.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoff aus Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (102) oder Brennstoffzelle eines Fahrzeugs (100), mit den folgenden Schritten: - Zuführen von zumindest einem Teil des Abgases in einen Katalyseraum (110), der zumindest teilweise mit Wasser befüllt ist, wobei das Abgas unterhalb der Wasseroberfläche zugeführt wird, so dass das Wasser mit im Abgas enthaltenen CO₂ angereichert wird, und - Durchführen eines Katalyseprozesses durch Beaufschlagen eines im mit CO₂ angereichertem Wasser angeordneten Katalysators (130) mit elektrischer Spannung, so dass aus CO₂ und Wasser Ethanol entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Katalyseprozess das Ethanol und das Wasser voneinander getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Katalyseraum (110) Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO₂ zugeführt wird, wobei die Umgebungsluft oder das CO₂ unterhalb der Wasseroberfläche zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung des Wassers mit CO₂ gesteuert oder geregelt wird und/oder dass der Katalyseprozess gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalyseraum (110), insbesondere bei Anreicherung des Wassers mit CO₂, mit Überdruck beaufschlagt wird und/oder dass das Abgas und/oder das Wasser gekühlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffgewinnung diskontinuierlich oder kontinuierlich abläuft und/oder dass die Kraftstoffgewinnung in einem Katalysemodul (108) oder in der Abgasanlage (104) des Fahrzeugs (100) erfolgt.
Fahrzeug (100) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit einer Verbrennungskraftmaschine (102) oder Brennstoffzelle und einer Abgasanlage (104) zur Abführung von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (102) oder Brennstoffzelle an die Umgebung, wobei das Fahrzeug (100) ein Katalysemodul (108) mit einem Katalyseraum (110) zur Anreicherung von Wasser mit CO₂ und zur Herstellung von Ethanol aus Wasser und CO₂ aufweist, wobei das Katalysemodul (108) einen Zugang (112) aufweist, der mit der Abgasanlage (104) strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum (110) Abgas zugeführt werden kann, und dass das Katalysemodul (108) einen Ausgang (116) aufweist, der mit dem Kraftstofftank (106) strömungsverbunden ist, so dass Ethanol aus dem Katalyseraum (110) dem Kraftstofftank (106) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (150) zur Trennung von Ethanol und Wasser vorgesehen ist, wobei die Trenneinrichtung (150) in der Abführleitung (118) zwischen dem Katalyseraum (110) und dem Kraftstofftank (106) eingebunden ist.
Fahrzeug (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysemodul (108) einen weiteren Zugang (120) aufweist, der mit der Umgebung des Fahrzeugs (100) strömungsverbunden ist, so dass dem Katalyseraum (110) Umgebungsluft oder aus der Umgebungsluft gewonnenes CO2 zugeführt werden kann und/oder dass das Katalysemodul (108) eine Steuerung (122) aufweist, die Komponenten des Katalysemoduls (108) steuert und/oder regelt.
Fahrzeug (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Katalysemodul (108) einen oder mehrere Katalysatoren (130) aufweist und/oder dass das Katalysemodul (108) zur Überwachung des Füllstandes im Katalyseraum (110) einen Füllstandssensor (132) aufweist, und/oder dass das Katalysemodul (108) am oder im Katalyseraum (110) einen pH-Wert-Sensor, einen Wasserhärtesensor und/oder einen Sensor zur Ethanolgehaltsmessung aufweist und/oder dass am Katalyseraum (110) eine Entlüftung (140) vorgesehen ist und/oder dass zur Kühlung von Abgas und/oder Wasser im Katalyseraum (110) eine Kühleinrichtung oder eine Strömungsverbindung zu einer Klimaanlage des Fahrzeugs vorgesehen ist.
Fahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserreservoir (144) zur Befüllung und/oder Regulierung des Füllstandes im Katalyseraum (110) des Katalysemodul (108) vorgesehen ist.