DE2009088B2 - Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffes - Google Patents

Description

Verbrennungssauerstoff mitgeführt wird, womit noch triebsgases ungenutzt bleiben muß, wobei zwangläufig

zusätzlich ein nicht unerhebliches Totgewicht durch die sich hauptsächlich aus dem großen Auftriebs-

die Hochdruck-Sauerstofftanks notwendig ist. volumen ergebenden schön vorhergehend genannten

Alle diese Lösungen haben den Nachteil, daß, be- Nachteile unvermeidlich sind.

zogen auf eine bestimmte Nutzlast, das Volumen des 5 Aufgabe der Erfindung äst es, ein Verfahren zum

Luftschiffs weit größer sein muß, als dies allein avs Betrieb eines Luftschiffs zu schaffen, mit dem die

dem für die Nutzlast benötigten Auftriebsgas-Volumen Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden,

notwendig wäre. Dieses speziell für den Ausgleich der bei dem also insbesondere ein verbessertes Verhältnis'

durch den Kraftstoffverbrauch hervorgerufenen Auf- von Nutzlast zu Auftriebsgasvolumen sowie eine ver-

triebsunterschiede benötigte Volumen des Luftschiffs io einfachte Auftriebsregulierung zum Ausgleich ver-

ist erheblich und bringt wesentliche Nachteile im Her- brauchten Kraftstoffs erreicht wird.

Stellungsaufwand, im Luftwiderstand, in der Wind- Demgemäß besteht die Erfindung in einem Ver-

empfindlichkeit u. dgl. mit sich. fahren der eingangs genannten Art, das dadurch ge-

Grundsätzlich fällt unter diese Verfahrensweise auch kennzeichnet ist, daß die beim Verbrauch des Aufeine andere bekannte Variante, nach der das mit 15 triebsgases anfallenden Umsetzungsprodukte Wasser laufendem Verbrauch an festen oder flüssigen Kraft- und/oder Wasserstoff für den Ersatz des durch den stoffeii überschüssige Auftriebsgas einfach abgelassen Verbrauch des Gases hervorgerufenen Auftriebsverlust wird, was allerdings nur für sehr billige Auftriebssase herangezogen werden, indem das während des Betrie-Jn Frage kommen dürfte. bes bei der Verbrennung des Gases entstehende Wasser

Ein aus der deutschen Patentschrift 460 963 be- 20 zu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf ebenso

kanntes Verfahren versucht eine konstruktiv aufwen- wie der durch Umsetzung von Gas mit Wasserdampf

<Jige Lösung, welche zudem nur dann funktionsfähig erzeugte Wasserstoff besonderen Traggaszellen des

Ist, wenn das Brenngas keine eigene Auftriebswirkung Luftschiffes zugeführt wird.

Hufweist (z. B. Blaugas beim LZ 127, schwerer als Luft, Bei einer gegebenen Nutzlast benötigt das erfindungs-1,5 kg/m³ — 30000 m³ mit 14000 kcal/m³ und —0,2 kg 25 gemäße Verfahren ein ganz erheblich geringeres Luft-Auftrieb,m³. Normale Betankung mit flüssigem Kraft- scrnffvolumen bzw. eine spezifisch geringere Gas-Stoff: 3000 kg). fiillungsmenge und besitzt mithin entsprechend größere

Ein grundsätzlich anderes bekanntes Verfahrens- Wirtschaftlichkeit. Bei einem bestimmten Luftschiffprinzip besteht, insbesondere bei dem nicht brenn- volumen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren baren, aber wertvollen Auftriebsgas Helium, darin 3° natürlich umgekehrt eine entsprechend erheblichere (deutsche Patentschrift 679 023, USA.-Patentschrift Nutzlast gewährleistet. Let/ten Endes wird durch die I 598 002), das beim Verbrauch des Kraftstoffs in den Ausschaltung der Notwendigkeit zur Mitnahme von Abgasen enthaltene Wasser wiederzugewinnen und flüssigem Kraftstoff auch eine sehr wesentliche Ge- >ls Ballastwasser an Bord zu behalten, um wenigstens fahrenquelle ausgeschlossen.

glicht die volle zum Kraftstoffverbrauch äquivalente 35 Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorteilhaft,

Menge an (teurem) Auftriebsgas in die Atmosphäre wenn der Wasseranteil der Umsetzungsprodukte des

»blassen zu müssen (LZ 130, über 100 % Auftriebs- verbrauchten Gases durch Abkühlung und Konden-

»usgleich durch Ballastwasser aus Abgasen!) sation aus dem Abgas abgeschieden und vorzugsweise

Dieses bekannte Verfahrensprinzip besitzt hinsieht- in Wärmetauschern mit Abwärme der Verbrennungs-

lich des notwendigen weit größeren Volumens des Luft- 4° einrichtungen wieder zu Wasserdampf umgewandelt

tcliiffs die gleichen Nachteile wie die vorhergehend wird, welcher beispielsweise zu 62,5% des Wasseran-

beseht icbenen Verfahren. teils des verbrauchten Gases in Traggaszellen des

Bekannt sind schließlich auch Verfahren, bei denen Luftschiffsgefiihrt wird, und dabei auch zum Ausgleich

dem Auftriebsgas Wasserdampf entweder zur Redu- füi den Auftrieb von mit etwa 100 C warmer Luft

tierung der Feuergefahr (deutsche Patentschrift 45 gefüllten Au-.gleichszellen des Luftschiffs dient, wobei

$14 019) oder als Wärmeträger zur Aufheizung (USA.- die wanne Luft mindestens teilweise vom Wasser-

fatentschrifl 1097 201) des ansonsten andersartigen dumpf verdrängt wird.

Auftriebsgases zugemischi wird Weitere Arbeitsvorteile werden dadurch erzielt, daß

Abgesehen davon, daß das zuletzt genannte Ver- Methan (CH₄) und andere Kohlenwasserstoffe durch fahren in keiner Weise im Zusammenhang mit dem 5o Umsetzung mit Wasserdampf über Katalysatoren Auftriebsausgleich für verbrauchten Kraftstoff, son- (ζ. B. Chromoxid/Zinkoxid oder Nickeloxid) zu Wassern lediglich für die Höhenstabilisierung beschrieben serstoff und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nachist (wofür energiemäßig ein Unterschied von mehreren einander oder nebeneinander gespalten werden. Größenordnungen besteht), muß bei diesem Verfahren Bei der damit erreichten Umsetzung /u reinem tfie Energie zwangläufi^ ebenfalls aliein aus mitge- 55 Wasserstoff ist es erfindungsgemäß möglich, daß der lührtem anderen flüssigen Kraftstoff gewonnen wer- aus Frdgas-KohlenWasserstoffen erzeugte Wasserstoff <en, weil ein mit Wasserdampf vermischter Wasser- als Betriebsstoff für Brennstoffzellen zur Erzeugung Stoff (oder ein anderes brennbares Gas) nicht ohne elektrischer Energie verwendet wird, womit Hilfsweiteres für die bisher allein dafür verwendeten Ver- gebläse oder Elektromotoren für Großgebläse zum brennungsmotoren geeignet ist. Dies träfe insbesondere ^6o Strahl-Antrieb des Luftschiffs für normale Flügge-¹ dann zu, wenn der Wasserdampfanieil mit laufendem schwindigkeil angetrieben werden, während Spitzen-Verbrauch Hps brennbaren Antriebsgases zwangläufig leistungen durch leichtgewichtige Wärmekraftmaschiansteigt. nen unmittelbar mit Auftriebsgas gedeckt werden.

Andererseits ist mit der Zumischung unbrennbarer Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleich-

Komponenten zu einem brennbaren Auftri?bsgas der ⁶5 zeitig erzielbare vereinfachte Flughöhenstabilisierung

grundsätzliche Nachteil verbunden, daß das Auftriebs- ist in der Weise erreichbar, daß die Temperatur der

gas nicht, mehr zur Antriebserzeugung brauchbar ist; Gase in einer in bekannter Weise gegen Wärnieveriuste

so daß zumindest der überwiegende Anteil des Auf- isolierten Traggashülle über Wärmezufuhr mittels Satt-

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dampf bzw. einem gesättigten Wasserdampf enthalten- Bei Umsetzung eines anderen Teiles Methan mit

den Gasgemisch unabhängig von der Temperatur der Wasserdampf in einem Reaktionsofen mit Katalysa-

Atmosphäre stabil gehalten wird, wobei auch die toren wie ZnO, Cr₂O₃ oder Ni-Oxiden bei 400 bis

Flughöhe reguliert wird. 80O⁰C erhält man über die Gleichung (1) 3 Mol H₂. Im einzelnen arbeitet das erfincungsgemäße Ver- 5 Hierbei entsteht 2,6 kp Auftrieb für einen verbrauchten

fahren dadurch, daß die im Erdgas enthaltenen Koh- Kubikmeter Methan von 100⁰C.

lenwasserstoffe, insbesondere das Methan, durch par- Bei Umsetzung von 2 Mol H₂O mit einem Mol

tielle Oxidation mit Wasserdampf teilweise zu gas- Methan von 100⁰C erhält man ohne Abscheidung des

förmigem Wasserstoff umgesetzt werden, und zwar CO₂ 4 Mol H₂ von 100⁰C entsprechend 4 kp neuem entsprechend den entweder nacheinander oder auch io Auftrieb. Nach Abkühlung und Ausscheidung des

nebeneinander ablaufenden Umsetzungsreaktionen: CO₂ und Wiedererwärmung des Wasserstoffs auf

100^cC erhält man nach Abzug von 0,77 kp/m³ Auftrieb

CH₄ + H₂O = CO +3 H₂ (1) durch das umgesetzte Methan 4,14 kp neuen Auftrieb.

CO + H₂O = CO₂ -)- H₂ (2) Man kann diese zusätzlichen zwei Volumina Wasseren + 2 H₂O = CO₂ + 4 H₂ (3) 15 stoff nicht im Luftschiff unterbringen, ohne das vor

. ...... , dem Aufstieg in größere Höhe vorzusehende Luft

Diese fur den im Erdgas hauptsachlich vorkommen- _voi_umen der Ausgleichszellen zu sehr einzuschränken.

den Kohlenwasserstoff Methan (CH₄) im Beispiel an- _{Die Anwen}dung dieses Verfahrens empfiehlt sich je-

gegebene Umsetzung gilt erfindungsgemäß für andere _{doch vor dem Starti um} Wasserstoff als maxima)

Kohlenwasserstoffe analog, z. B. _{30 tragfähiges} Auftriebsgas in die Tragzellen einzufüh-

C₈H₁₈ + 8 H₂O = 8 CO + 17 H₂ (4) ren.

8 CO + 8 H₂O = 8 CO₂ + 8 CO₂ (5) Diese Methode ist zugleich sehr wirtschaftlich in

C₈H₁₈ + 16 H₂O = 8 CO₂ + 25 H₂ (6) bezug auf die Kosten der Füllung für eine größere

Nutzlast, da bei der zunehmenden Verteilung Erdgas

Dabei erfolgt die Umsetzung der Kohlenwasser- 25 an vielen Orten leicht erhältlich ist.
stoffe vorzugsweise dadurch, daß sie, z. B. das Methan, Infolge der geringen Wärmekapazität des Wasserdurch Umsetzung über Katalysatoren (z. B. Cr-Oxid Stoffs ist man in der Lage, auch für Fahrten in größerer, mit Zinkoxid, Ni-Oxid od. dgl.) zu Wasserstoff und Zeitabsländen nach Abkühlung den vollen Auftrieb Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespalten wurden, durch mäßige Wärmezufuhr wieder herzustellen,
wonach das Kohlendioxid durch Ausfrieren abge- 3° Dabei wird man die Wärmezufuhr vorzugsweise schieden werden kann. durch Sattdampf so einstellen, daß die Temperatur der Gemäß der Erfindung ist es möglich, jeweils ein Auftriebsgase konstant gehalten wird. Dabei kann Quantum Erdgas zu entnehmen und dessen Auftrieb auch die Erwärmung von Wasserstoff empfehlenswert durch Wasserdampf zu ersetzen, wobei man weniger sein, obwohl man je Kubikmeter nur geringe Auftriebsais das Volumen des verbrauchten Erdgases durch 35 steigerung von 27 g/m³ bei 100 C erzielt. Dabei Dampf von 10O¹C ersetzen mu3, wenn die Temperatur wächst aber das Volumen auf das l,367fache, so daß des reinen Erdgases kleiner ist als 57°C. Im allge- ein Kubikmeter Wasserstoff von OC statt 1,2OkP(Oi³ meinen wird man anstreben, das Erdgas mit noch durch Erwärmen auf 100 C 1,64 kp/m³ Auftrieb niedrigerer Temperatur einzufüllen. Dann ist die den erzeugt.

Auftrieb ersetzende Dampfmenge kleiner als das ver- 4° Es ist ferner empfehlenswert, den durch Spaltung brauchte Erdgasvolumen. Das Luftschiff wird dabei aus dem Erdgas erzeugten Wasserstoff durch Ausfriedurch Luftzufuhr in die Ausgleichszellen bzw. durch ren von CO₂ zu befreien und in Brennstoffzellen zum den Gasdruck im Zwischenraum der Doppelwandlung Erzeugen elektrischer Energie für den Antrieb des der Prallhülle in bekannter Weise prall flehalten. Bei Luftschiffes oder mindestens der Hilfsantriebe, z. B. Sattdampf unter normalem Atmosphären- oder einem 45 der elektrischen Zentrale, zu verwenden,
bestimmten Partialdruck in Mischung mit anderen Die Füllung von Luftschiffen mit aus Erdgas erzeug-Gasen kann man große Wärmemengen zu- oder ab- tem Wasserstoff empfiehlt sich insbesondere in arkführen, ohne daß sich dabei die gegebene Dampf- tischen Gebieten zur Vergrößerung der Nutzlast an öl temperatur ändert. Damit ist die Temperatur einer oder Mineralien. Es wird hierzu vorgeschlagen, am Gasmasse auf längere Zeit gleichzuhalten, jolange die 5° Lastabgabeort den Wasserstoff wieder gegen eine Sattdampfbedingungen bei Voll- oder Teildruck vor- Dampffüllung bei einem Elektrizitätswerk auszuhanden sind. tauschen. Am Ladeort für öl oder Erz wird man dafür Wenn Erdgas oder anderes Traggas infolge einer den den Dampfauftrieb ausgleichenden großen Wasserhöheren Temperatur größeren Auftrieb als Wasser- ballast gegen öl, Erz od. dgl. austauschen sowie zur dampf von 100'C haben, kann auch mehr als das 55 Erzielung einer besonders großen Nutzlast den Dampf verbrauchte Volumen an Erdgas durch Dampf ersetzt gegen Wasserstoff auswechseln, wenn kein Erdgas werden. aufzunehmen ist. Der Wasserstoff kann immer aus Dies geschieht z. B. durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen flüssiger Art durch einen der Erdgas nach der Gleichung \ jrgenannten Reaktion ähnlichen Prozeß erzeugt wer-

CH₄ + 20. (aus Luft) - CO. + 2 H₂O, ⁶° ^den' ^wenn ausschließlich öl abgebende Quellen vor-

liegen.

wobei CO₈ entweicht. Durch Abkühlung der Motor- Die den Auftrieb erzeugenden Gase können auch abgase läßt sich das 2 H₂O praktisch vollständig nieder- auf verschiedenen Temperaturen mit Hilfe der Sattschlagen. Es genügen schon 1 Mol H₂O für das ver- dampfbedingungen gehalten werden, wenn als Heizbrannte Mol Methan, wenn letzteres 57 "C hatte und ⁶S Zwischenmittel eine Mischung von Dampf und einem dabei denselben Auftrieb wie Wasserdampf erzeugt. Gas verwendet wird, so daß ein beliebig kleiner Partial-Bei einer Methantemperatur von 100 C ist jedoch druck des Wasserdampfes die Sattdampftemperatur 1,25 H₂O zuzusetzen, um den Auftrieb gleichzuhalten. bestimmt. Auf diese Weise kann man auch den Dampf

unter einem geregelten Druck auf einer etwas höheren Temperatur als 100⁰C 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,

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Claims (4)

1 2 Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Ziol- Patentansprüche- kowski, B III, »Luftschiffe«, Verlag der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Moskau 1959, S. 235)

1. Verfahren zum Betrieo eines Luftschiffes, bei wird als Traggas in einem Luftschiff verwendeter dem ein Auftriebsgas verwendet wird, das leichter 5 Wasserstoff während der Luftschiff reise dem Aufais Luft und brennbar ist, wie Erdgas oder Methan, triebsgasvolumen entzogen und zur Energieerzeugung und das für den Energiebedarf des Luftschiffs ge- für die Fortbewegung verbraucht. Der mit for schreibraucht wird, dadurch gekennzeich- tendem Verbrauch an Auftriebswasserstoff eintretende net, daß die beim Verbrauch des Auftriebsgases Schwund an Auftriebsenergie wird dadurch kompenanfallenden Umsetzungsprodukte Wasser und/oder io siert, daß der als Auftriebsgas verbleibende Wasser-Wasserstoff für den Ersatz des durch den Verbrauch stoff dem Verbrauch entsprechend mehr und mehr des Gases hervorgerufenen Auftriebsveriust heran- erwärmt wird. Auf diese Weise ist der Verbrauch an gezogen werden, indem das, während des Betriebes Auftriebsgas zur Energieerzeugung auf einer Luftbei der Verbrennung des Gases entstehende Wasser schiffreise nur auf einen Teil des Auftriebsgases bezu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf 15 schränkt, weil ein wesentlicher Anteil des Auftnebsebenso wie der durch Umsetzung von Gas mit. gases nicht entbehrt werden kann. Außerdem ist der Wasserdampf erzeugte Wasserstoff besonderen zum Auftrieb notwendige und nicht zur Energieerzeu-Traggaszellen des Luftschiffs zugeführt wird. gung einsetzbare Gasanteil nicht unbegrenzt hoch

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- erwärmbar, und zwar einerseits wegen der Grenzen leichnet, daß der Wasseranteil der Umsetzungs- 20 der Materialbeanspruchung der Luftschiffhülle und produkte des verbrauchten Gases durch Abkühlung andererseits wegen der Wärmeverluste bei hohen »nd Kondensation aus dem Abgas abgeschieden Temperaturen und der damit gegebenen Unwirtschaft- »nd vorzugsweise in Wärmetauschern mit Ab- lichkeit des Verfahrens.

wärme der Verbrennungseinrichtungen wieder zu Es ist auch bekannt (schweizerische Patentschrift Wasserdampf umgewandelt wird, welcher beispiels- 25 49 511), beim Antrieb von Luftschiffen durch gesonweise zu 62,5 % des Wasseranteils des verbrauchten dert mitgeführte flüssige bzw. feste Kraft- bzw. Brenn-Gases in Traggaszellen des Luftschiffs geführt stoffe die warmen Abgase aus der Energieerzeugung *ird, und dabei auch zum Ausgleich für den Auf- teilweise in das Auftriebsgas einzuleiten, um damit den trieb von mit etwa ICO C warn-er Luft gefüllten bei Luftschiffhüllen älterer Bauart üblichen Gasver-Ausgleichszellen des Luftschiffs dient, wobei die 30 lust durch Diffusion des Auftriebsgascs durch die warme Luft mindestens teilweise vom Wasser- Ballonhülle auszugleichen. Für dieses bekannte Verdampf verdrängt wird. fahren ist das Mitführen fester bzw. flüssiger Kraft-

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/odet 2, da- bzw. Brennstoffe für die Erzeugung der Fortbewedurch gekennzeichnet, daß Methan (CH₄) und gungsenergie Voraussetzung. Damit aber ergibt sich andere Kohlenwasserstoffe durch Umsetzung mit 35 der Nachteil, daß die Auftriebsenergie und mithin Wasserdampf über Katalysatoren (z. B. Chrom- auch das Volumen des Auftriebsgasvolumens der oxid/Zinkoxid oder Nickeloxid) zu Wasserstoff und Ballon- bzw. Prallhulle auch für das Tragen der mit-Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nacheinander zuführenden Brennstoffe ausgelegt sein muß. Da die oder nebeneinander gespalten werden. Kraftstoff menge einen überwiegenden Teil des Luft-

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden 4° schiff-Totgewichts ausmacht, besitzen mit dem beAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus kannten Verfahren arbeitende Luftschiffe für eine Erdgas-Kohlenwasserstoffen erzeugte Wasserstoff bestimmte Traglast ein großes Auftriebsgasvolumen als Betriebsstoff für Brennstoffzellen zur Erzeugung bzw. bei bestimmten Auftriebsgasvolumen eine entelektrischer Energie verwendet wird, womit Hilfs- sprechend dem Krafts.offanteil reduzierte Nutzlastgebläse oder Elektromotoren für Großgebläse zum 45 kapazität.

Strahl-Antrieb des Luftschiffs für normale Flug- Ein schon sehr lange bekannter Vorschlag (Giffard, geschwindigkeit angetrieben werden, während Spit- 1855, Paris) geht dahin, bei einem mittels einer zenleistungen durch leichtgewichtige Wärmekraft- Dampfmaschine angetriebenen Luftschiff, dessen Aufmaschinen unmittelbar mit Auftriebsgas gedeckt triebskörper mit Leuchtgas gefüllt ist, die Dampfwerden. 50 maschine mit Kohle ?u beheizen und den mit dem s Verfahren nach einem der vorhergehenden An- Verbrauch der Kohle eintretenden Gewichtsverlust sprücne, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempe- durch Verheizen entsprechender Mengen des Aufratur der Gase in einer in bekannter Weise gegen triebs-Leuchtgases zu kompensieren. Selbst wenn man Warmeverluste isolierten Traggashülle über Wärme- von den Nachteilen des Dampfantriebs ganz absieht, zufuhr mittels Sattdampf bzw. einem gesättigten 55 bedingt dieses Verfahren einerseits die Mitführung Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch unabhän- nicht gasförmiger Brennstoffe und andererseits ist die gig von der Temperatur der /Atmosphäre stabil ge- Umsetzung des Auftriebs-Leuchtgases zwangläufig halten wird, wobei anch die Flughöhe reguliert wird. mit einem entsprechenden vollen Auftriebsveriust verbunden, so daß der Anwendung dieses Verfahrens ⁶⁰ enge Grenzen gesetzt sind.

Eine andere bekannte Lösung (deutsche Offen-

legungsschrilt I 481 223, S. 5, 1. Absatz) besteht darin, Methan oder Wasserstoff als Auftriebsgas zu verwen-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb den und als Ballastausgleich Dieselöl zu tanken und

eines Luftschiffes, bei dem ein Aultriebsgas verwendet ⁶5 dann Teile des Gases synchron mit dem Dieselöl zur

wird, das leichter als Luft und brennbar ist, wie Erd- Antriebsenergie zu verbrauchen. Analog arbeitet ein

gas oder Methan, und das für den Energiebedarf des ans der österreichischen Patentschrift 84 023 bekarin-

Luftschiffs ^braucht wird. :es Verfahren, bei den, als Auftncbsausglcich flüssiger