DE2009088A1 - Verfahren zum Betrieb von Luftschiffen mit insbesondere Erdgas als Auftriebsmittel - Google Patents

Verfahren zum Betrieb von Luftschiffen mit insbesondere Erdgas als Auftriebsmittel

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Description

Hermann Papst .
77^2 St. Georgen 26. Februar 1970
Verfahren zum Betrieb von Luftschiffen mit Insbesondere Erdgas als Auftriebsmittel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Luftschiffen mit insbesondere Erdgas und/oder Wasserstoff als Auftriebsmittel und zugleich als Betriebsstoff für die Energieversorgung des Luftschiffes, und bezweckt eine Vereinfachung der Energieversorgung derartiger Luftschiffe unter Berücksichtigung ihres Auftriebs,
Ein schon sehr lange bekannter Vorschlag (Giffard 1855, Paris) geht dahin, bei einem mittels einer Dampfmaschine angetriebenen Luftschiff, dessen Auftriebskörper mit Leuchtgas gefüllt ist, die Dampfmaschine mit Kohle zu beheizen und den mit dem Verbrauch der Kohle eintretenden Gewichtsverlust durch Verheizen entsprechender Mengen des Auftriebs-Leuchtgases zu kompensieren. Selbst wenn man von den Nachteilen des Dampfantriebs ganz absieht, bedingt dieses Verfahren einerseits die Mitführung nicht gasförmiger Brennstoffe und andererseits ist die Umsetzung des Auftriebs-Leuchtgases zwangsläufig mit einem entsprechenden vollen Auftriebsverlust verbunden, so daß lter Anwendung dieses Verfahrens enge Grenzen gesetzt sind.
Im Gegensatz dazu wurde bei den zuletzt gebauten Zeppelinen mit Helium als Auftriebsgas zum Ausgleich für den durch den Antrieb gegebenen Gewichtsverlust an flüssigem Kraftstoff das passer ^μβ den Abgasen der Verbrennungsmotoren kondensiert, um Ballast zu erzeugen uiid den Auftrieb zu vermindern. und damit das son^t notwendige Ablassen an teurem Helium zu
Aufgabe der Erfindung Ist es, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere aber ein Verfahren zum Betreiben eines Luftschiffs zu schaffen, bei dem ausgehend von z.B. Erdgas bzw· Methan und teilweise auch Wasserstoff als Auftriebsmittel dieses einerseits sowohl zur Auftriebssteigerung als auch zur Auftriebsminderung und andererseits auch zur Energieversorgung des Luftschiffs verwendet wird, und zwar auf konstruktiv einfachste Weise.
Die Erfindung 1st dementsprechend dadurch gekennzeichnet, daß der verschwundene Auftrieb des verbrauchten Auftriebsgases mindestens teilsweise durch Gas ersetzt wird, das durch Umsetzung anderer Anteile des Auftriebsgases gewonnen wird. Erst auf diese Weise ist es möglich, den Gesamtauftrieb des Luftschiffs konstant 2U halten oder sogar zu steigern, so daß auch ermöglicht wird, daß mit dem bei der Umsetzung des Auftriebsgases gewonnenen Gas der je nach Flughöhe des Luftschiffs unterschiedliche Auftrieb dee Auftriebsgases durch entsprechend unterschiedlichen Anteil der Umsetzung des Erdgases geregelt bzw. höhenst&bllisiert wird.
In einfachster Weise kann das dadurch geschehen, daß der Wasseranteil der Verbrennungsprodukt« des für üia Energieversorgung umgesetzten Erdgases und/oder Wasserstoffs durch Kondensation aus dem Abgas abgeschieden und in Form von vorzugsweise aus der Abwärme der Verbrennungseinrichtungen wiedergewonnenem Wasserdampf zumindest teilweise zum Auftrieb des Luftschiffs verwendet wird. Wenn man beispielsweise von der Verbrennung von auf 100° C erwärmtem Auftriebsgas - Methan ausgeht und dessen Auftriebsvolumen durch Wasserdampf etwa gleicher Temperatur ersetzt, dannlbenötlgt man zum konstanten Auftrieb für 1 Volumen Methan etwa das 1,25-fache an Wasserdampf. Der Raumanteil des bei der Verbrennung (CH^ + 20g »
fcÄD ORtGlNAL-109836/0U4
■■-■■■;■ . ■ . -> . .-- ;
CO« + 2HgO) gebildeten Wasserdampfs beträgt das.Zweifache, so daß aar 62,5# sum Gleichhalten des Auftriebe nötig sind· Pel· einer Äusg&ngstemperatur des Methans von 5?0 C wird schon bei Ersatz durch das gleichgroße Volumen an Wasserdampf mit 100° C der gleiche Auftrieb erreicht* während bei niedriger Methan-Ausgangstemperatur, die beira erfindungsgemäßen Verfahren auch das optimale Transportvolisäsen an.Erdgas gewährleistet, weniger als 50 % Wasserdampfzugeführt werden muß als an Erdgas für die Energiegewinnung dem Auftriebsgasvolumen entnommen wird*
Eine besonders wirkungsvolle Auftriebserhöhuag wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe, insbesondere das Methan,'durch, partielle. Oxidation mit Wasserdampf teilweise zu gasförmigem Wasserstoff umgesetzt werden, und zwar entsprechend den entweder nacheinander oder auch nebeneinander ablaufenden Umset zungsreaktionenί
CH4 > HgO = CO +3Hg (1> CO * HgO * CO2 + Hg
CHj1 + 2H0Q « CO- + 4H0 (5)
Diese für den im Erdgas hauptsächlich vorkssmi&aü&n. Kohlenwasserstoff Methan (CH4) im Beispiel angegebene Umsetzung gilt erfindungsgemäS für andere Kohlenwasserstoffe analog« ζ·Β.
CgH1Q + BHgO * SCO + 17Hg (*> SCO + 8HgO - SCOgt 8COg (5)
CgH18 + i6Hg0- 8CO2+ 25Hg
D&bel erfolgt die Umsetzung der Kohlenw-:rmevst®ff<ei Vorzugs·· weise dadurch, daß sie,z,Be das Mettiiüij, awrcfo Wssetzung '
10S83670H4
Uber Katalysatoren (z.B. Cr-OxId mit Zinkoxid, Ni-Oxid oder dergleichen) zu Wasserstoff und Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespalten werden, wonach das Kohlendioxid durch Ausfrieren abgeschieden wird.
Um das Wasserstoff-Auftrlebsgas zwecks Vergrößerung des Auftriebsvolumens auch in erwärmter Form verwenden zu können und dessen erhöhte Temperatur zu stabilisieren, kann dem Wasserstoff auch Wasserdampf unter Sattdampfbedingungen zugegeben werden, wobei zusätzlich auch noch die Brändgefahr durch Überdruck der Gase unterdrückt Int. Durch diese Temperaturstabilisierung behält das Auftriebsgas seine Temperatur unabhängig von der Außentemperatur bei, wofür der Wasserdampf immer wieder erneut angewärmt wird* Damit 1st die Sattdampf-Stabilisierungstemperatur nur noch von der Plughöhe des Luftschiffs abhängig, die in 5000 m Höhe etwa 91° C beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in erster Linie für den wirtschaftlich vorteilhaften Transport von Erdgas einsetzen, wobei das erfindungsgemäß umgesetzte Erdgas auf die billigste Weise an der Quelle zur Verfügung steht. Da sich die vorstehenden Umsetzungen 1-6 normalerweise nur bei sehr regelmäßiger Abnahme des gebildeten Wasserstoffs wirtschaftlich optimal beherrschen lassen, lassen sie sich abgesehen von den für die Gase benötigten Volumina - für Fahrzeuge nicht verwenden·
Erst mit der erfindungsgemäßen Verwendung werden die bisherigen Nachteile, nämlich die großen Gasvolumina, in den Vorteil zusätzlicher Auftriebsgase umgewertet·
Dieser entscheidende Vorteil der Speicherfähigkeit von Wasserstoff macht auch die erfindungsgemäße Verwendung von
«•5-. 109836/0144
Wasserstoff allein für die Energieversorgung des Luftschiffs wirtschaftlich einsetzbar, wobei der Wasserstoff als Betriebsstoff für Brennstoffzellen verwendet wird, mittels der der Luftschiffantrieb durch Elektromotoren erfolgt. Auf diese Weise werden minimal niedrige Betriebskosten erzielt. Bei Auslegung des elektrischen Antriebs auf normale Reisegeschwindigkeit können für höhere Antriebsleistungen leistungsstärkere Verbrennungstriebwerke zugeschaltet werden. Eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit läßt sich erzielen, wenn durch Grenzschichtabsaugung und andere Maßnahmen, wie z.B. Beschichtung mit Pluorkohlenstoffharzen, die Luftreibung des Luftschiffkörpers reduziert wird.
Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das zu transportierende Erdgas selbst für den Antrieb des Luftschiffs verwendet wird und teurere, z.B. flüssige Kraftstoffe gespart werden.
Weitere wirtschaftliche Vorteile lassen sich schließlich noch dadurch erreichen, daß die Umsetzungswärme der Katalysatoren zur Erwärmung des Wasserdampfs verwendet wird.
Die Verwendung von brennbaren Gasen bei einem Luftschiff 1st dann ohne jede Gefahr, wenn das Gas unter Überdruck steht und dazu von einem Schutzgasmantel, zwakmäßigerweise mit schlecht wärmeleitendem Kohlendioxid COu* umschlossen ist. Das Kohlendioxid steht dabei unter einem höheren Druck als das Auftrietogas, so daß eine als Doppelwand ausgebildete Luftschiffhülle auf Abstand gehalten wird, wie dies z.B. im USA-Patent Nr. 3 456 905 beschrieben ist.
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Im einzelnen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch folgendermaßen durchgeführt werden:
Gemäß der Erfindung ist es möglich« jeweils ein Quantum Erdgas zu entnehmen und dessen Auftrieb durch Wasserdampf zu ersetzen, wobei man weniger als das Volumen des verbrauchten Erdgases durch Dampf von 100° C ersetzen muß, wenn die Temperatur des reinen Erdgases kleiner ist als 57° C. Im allgemeinen wird man anstreben, das Erdgas mit noch niedrigerer Temperatur einzufüllen. Dann ist die den Auftrieb ersetzende Dampfmenge kleiner als das verbrauchte Erdgasvolumen. Das Luftschiff wird dabei durch Luftzufuhr in die Ausgleichszellen bzw« durch den Gasdruck im Zwischenraun der Doppelwandung der Prallhülle in bekannter Weise prall gehalten· Bei Sattdampf unter normalem Atmosphären- oder einem bestimmten Partialdruck in Mischung mit anderen Gasen kann man große Wärmemengen zu* oder abführen, ohne daß sich dabei die gegebene Dampf temperatur ändert. Damit ist die Temperatur einer Qasmasse auf längere Zeit gleichwihalten, solange die Sattdampfbedingungen bei Voll- oder Teildruck vorhanden sind·
Wenn Erdgas oder anderes Traggas infolge einer höheren Temperatur größeren Auftrieb als Wasserdampf von 100° C haben, kann auch mehr als das verbrauchte Volumen an Erdgas durch Dampf ersetzt werden.
Gemäß der Erfindung geschieht dies durch die Verbrennung von Erdgas nach der Gleichung CHh > 3O2 (aus Luft) - CO2 + 2HgO, wobei COg mit M2 entweicht. Durch Abkühlung der Motorabgase läßt sich das 2HgO praktisch vollständig niederschlagen. Es genügen schon 1 Mol H2O für das verbrannte Mol Methan.» wenn
letzteres 57° C hatte und dabei denselben Auftrieb wie Wasser dampf erzeugt« Bei einer Methantemperatur von 100° C ist jedoch 1,25 HpO zuzusetzen, um den Auftrieb gleichzuhalten·
7-
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Bei Umsetzung eines anderen Teiles Methan mit Wasserdampf in einem Reaktionsofen mit Katalysatoren wie ZuO, Cr2O, oder Mi-Oxiden bei 400-800° C erhält man über die Gleichung 1 5 Möl Hg· Hierbei entsteht 2,6 kp Auftrieb für einen verbrauchten Kubikmeter Methan von 100° C.
Bei Umsetzung von 2 Mol HgO zu einem Mol Methan von 100° C erhält nan ohne Abscheidung des COg 4 Mol H2 von 100° C entsprechend 4 kp neuem Auftrieb. Nach Abkühlung und Ausscheidung des COg und Wiedererwärmung des Wasserstoffs auf 100° C erhält man nach Abzug von 0,77 kp/er Auftrieb durch das umgesetzte Methan 4,14 kp neuen Auftrieb. Man kann diese zusätzlichen zwei Volumina Wasserstoff nicht im Luftschiff unterbringen, ohne das vor dem Aufstieg in größere Höhe vorzusehende Luftvolumen der Ausgleichszellen zu sehr einzuschränken. Die Anwendung dieses Verfahrens empfiehlt sich jedoch vor dem Start, um Wasserstoff als maximal tragfähiges Auftriebsgas in die Tragzellen einzuführen·
Diese Methode 1st zugleich sehr wirtschaftlich in bezug auf die Kosten der Füllung für eine größere Nutzlast, da bei der zunehmenden Verteilung Erdgas an vielen Orten leicht erhältlich 1st.
Infolge der geringen Wärmekapazität des Wasserstoffs ist man in der Lage, auch für Fahrten in größeren !Zeitabständen nach Abkühlung den vollen Auftrieb durch mäßige Wärmezufuhr wieder herzustellen·
Dabei wird man die Wärmezufuhr durch Sattdampf so einstellen, das die Temperatur *er Auftriebsgase konstant gehalten wird. Dabei kann auch die Erwärmung von Wasserstoff empfehlenswert sein, obwohl man Je Kubikmeter nur geringe Auftriebssteigerung von 27 g/m* bei 100° 0 erzielt. Dabei wächst aber das Volumen, auf das 1,367-fache, m-daß ein Kubikmeter
. -8-1 09836/0 U4
Wasserstoff von 0° C statt 1,20 kp/itr durch Erwärmen auf 100° C 1,64 kp/m5 erzeugt.
Es wird ferner erfindungsgemäß empfohlen, den durch Spaltung aus dem Erdgas erzeugten Wasserstoff durch Ausfrleren von CO2 zu befreien und in Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie für den Antrieb des Luftschiffes oder mindestens der Hilfsantriebe, z.B. der elektrischen Zentrale, zu verwenden.
Zur Erzielung einer besonderen Laufruhe und geringem Leistungsgewicht der elektrischen Maschine wird hiermit erfindungsgemäß empfohlen, eine Unipolarmaschine mit nutenfreiem Läufer für hohe Drehzahl vorzusehen. Hierbei empfiehlt sich die Anwendung einer besonderen Stromzuführung zu den Schleifringen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten müssen, gemäß dem Patent des Anmelders DRP 973 2J6.
Ansteile des in dieser Patentschrift empfohlenen Quecksilbers ale Verbindung durch ein flüssiges Metall, neben der Stromzuführung Über die Graphitflächen, wird noch vorgeschlagen, Gallium als leichteres und ungiftiges Metall vorzusehen, das mittels elektrischer Heizung über seinem Schmelzpunkt von 29° C gehalten wird.
Die Verwendung einer derartigen Unipolarmaschine ohne Nuten und ohne Wechselfeld ergibt größtmögliche Laufruhe, auch bei großen Leistungen· Man wird daneben auch die ganze Maschine in Wasserstoff laufen lassen, um die Gasreibung gering zu halten und zugleich auch Oxidation der Schleifkontakte und Abnützung zu vermelden· Gegebenenfalls wird man noch Wasserdampf in geringem Maße zusetzen, um die für die Gleitung nützliche Wasserdampfhaut zu erhalten.
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Die Füllung derartiger Luftschiffe mit aus Erdgas erzeugtem Wasserstoff empfiehlt sich insbesondere in arktischen Gebieten zur Vergrößerung der Nutzlast an Öl oder Mineralien. Es wird hierzu vorgeschlagen, am Lastabgabeort den Wasser- . stoff wieder gegen eine Dampffüllung bei einem Elektrizitätswerk auszutauschen. Am Ladeort für öl oder Erz wird man&afür den den Dampfauftrieb ausgleichenden großen Wasserballast gegen öl, Erz oder dergleichen austauschen, sowie air Erzielung einer besonders großen Nutzlast den Dampf gegen Wasserstoff auswechseln, wenn kein Erdgas aufzunehmen ist. Der Wasserstoff kann immer aus Kohlenwasserstoffen flüssiger Art durch einen der vorgenannten Reaktion ähnlichen Prozeß erzeugt werden, wenn ausschließlich öl abgebende Quellen vorliegen. Die Wasserstoffüllung kann auch dauernd belassen werden. Dann ist lediglich der entsprechend größere Ballast gegen Nutzlast bis zum statischen Ausgleich des Auftriebes auszutauschen. _
auch
Die den Auftrieb erzeugenden Gase können/auf verschiedenen Temperaturen mit Hilfe der Sattdampfbedingungen gehalten werden, wenn als Heizzwischenmittel eine Mischung von Dampf und einem Gas verwendet wird, so daß ein beliebig kleiner Partialdruck des Wasserdampfes die Sattdampftemperatur bestimmt. Auf diese Weise kann man auch den Dampf unter einem geregelten Druck auf einer etwas höheren Temperatur als 100° C mit absoluter Garantie halten, soweit das mit dem Material der Hülle zu vereinbaren ist« Auf diese Weise ist es möglich, derartige Luftschiffe in der einen Transportrichtung auch mit weniger Ballast ausschließlich mit Luft zu betreiben, wenn nur wenig Nutzlast vorliegt. Eine im Betrieb auftretende größere Abwärmemenge der Antriebsmotoren wird dadurch abgeführt, daß der Dampfheizkörper über ein Überdruckventil eine entsprechende Menge Dampf ableitet und in einem großen Wärmeaustauscher entspannt, der vom Antriebsluftstrom des Luftschiffes gekühlt wird. Die aus der Motorenabwärme erzeugte Dampfmenge kann dann beliebig groß sein. Ein Teil davon könnte zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Ballastwassers und des zu transportierenden
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dienen.
Beim Betrieb eines Luftschiffs bekannter Konstruktion mit Ausgleichszellen an Bug and Heck des Luftschiffs (USA-Patent 3 456 909) zur Konstanthaltung des Auftriebs in verschiedener Plughöhe wird die in den Aus Reichs zellen enthaltene Luft von den angrenzenden und erwärmtes Auftriebsgas enthaltenden Auftriebsgaszellen her erwärmt. Da die Ausgleichszellen direkt mit der Außenluft in Verbindung stehen verdünnt sich die in ihr enthaltene Luft und unterstütz* den Auftrieb während des Aufstiegs. Entsprechend wird beim Landen des Luftschiffs über Gebläse kalte Luft in die Ausgleichsse11en geblasen, wodurch sich auch das Auftriebsgas selbst durch Wärmeableitung durch Trennwände zu den Ausgleichs seilen abkühlt-.
Diese temperaturmäßige Steuerung des Luftschiffauftriebs läßt sich noch dadurch beschleuniger;, daß die Luft der Ausgleichszeüen von den Gebläsen durch einem Wärmeaustauscher der Brennkraft-Antriebsmotoren geleitet wird und damit wieder kurzfristig angewärmt wird, um beispielsweise die Sinkgeschwindigkeit bein Landen des Luftschiffs schnell zu vermindern.
1 Üü8JC /0144

Claims (1)

  1. Hermann Papst
    St. tSeorgen 26, Febraar 1970
    Patentansprüche
    erfahren zum Betrieb von Luftschiffen mit insbesondere Erdgas und/oder Wasserstoff als Auftrlebsmlttel und zugleich als Betriebsstoff für die Energieversorgung des Luftschiffes, dadurch gekennzeichnet» daß- der bei« "Verbrauch des Äuftrlebsgases verschwindende Auf·«" trieb mindestens teilweise durch Auftrieb von Gas er-
    ■ t -
    ■ -. setzt-wird« d&s durch Umsetzung derselben oder ande*· rer Anteile des Auftriebsgases gewonnen wird»
    2. .'Verfabreä aaefc Anspruch 1, dadurch gekennzeichnety ü&& 3Hit dem bei d@r iimsetsung des AuftrIebsgaB©s ".ge»- " - wcssineruea das" der ^e nach FlughShe des Luftsehiffs-un--" tersefitledllelae Auftrieb de® Äuftriebsgasee cterch entsprecstiend tmtersehledlichen Anteil der umsetzung des Erdgases geregelt bzw. höhenstabilisiert wird«
    3· VerffIdaren nach einem der Ansprüche 1 oder &9 gek^mzelchnet, daß der Wasseranteil der Yerbrennungsprodakfce-des für die Energieversorgung umgesetzten Erdgesss und/oder Wasserstoffs dwrch Kondensation aus dem Abgas abgeschieden und in Form von vorzugsweise Bslt der Abwärme der Verbrennungseinrichtungen wiedererzeugtem Wasserdampf zumindest teilweise zum Auftrieb des Luftschiffs verwendet wird·
    %. ¥erfaferers nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3g astiäsmrch. gekennzeichnet, daß die im Erdgas enthalt
    10983670144
    tenen Kohlenwasserstoffe, insbesondere das Methan, durch partielle Oxidation mit Wasserdampf teilweise zu gasförmigem Wasserstoff umgesetzt werden (Synthesegas).
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Auftriebsmittel verwendeten Wasserstoff zwecks Temperaturstabilisierung und Volumenvergrößerung Wasserdampf unter Sattdampfbedingungen zugegeben oder bereits vorhandener Wasserdampf erwärmt wird.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffe des Erdgases, vorzugsweise das Methan, durch Umsetzung über Katalysatoren (z.B. Cr-Oxid mit Zinkoxid, Ni-Oxid oder dergleichen) zu Wasserstoff und Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespalten werden.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendiexid durch Ausfrieren abgeschieden wird«
    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungswärme der Katalysatoren zur Erzeugung des Wasserdampfs verwendet wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4,6 und 1J, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff als Betriebsstoff für Brennstoffzellen verwendet wird, mittels der der Luftschiffantrieb durch Elektromotoren erfolgt.
    10· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas, z.B. dessen Methananteil, mit Wasser, insbesondere dem bei der
    -3-
    1Q9836/0U4
    Umsetzung des Erdgases als Betriebsstoff anfallenden Wasser über die Umsetzungsreaktion CH^ + HgO = C0+3H2 gespalten wird. ,
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das anfallende Kohlenmonoxid ausschließlich mit weiterem Wasserdampf zur Kohlendioxid oxidiert wird.
    12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas, z.B. dessen Methananteil, mit Wasser, insbesondere mit dem bei der Umsetzung des Erdgases als Betriebsstoff anfallenden Wasser über die Umsetzungsreaktion CH2, 4- 2HL0 = GO2 + 4Hp gespalten wird.
    13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wasserdampf- und/oder zur Wasserstoffherstellung zusätzlich flüssige Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
    109836/0U4
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