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Beschreibung der Erfindung
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Aufgabe
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur (vorbekannten) Nutzung von Wasser-Öl-Emulsionen ohne oder mit verringerter Zugabe von Emulgatoren, insbesondere für schadstoffarm und effizient verbrennende Kraftstoffe, wobei neu ist die verbesserte Möglichkeit der Anwendung für externe Nutzer aller Art, insbesondere Fahrzeuge. Das Problem besteht darin, daß die (vorbekannten) optimierten Vorrichtungen zur Herstellung bzw. Aufrechterhaltung der Emulsion für viele kleinere oder bewegliche Nutzer oder Verbraucher in der Praxis zu aufwendig oder kostenintensiv sein können.
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Stand der Technik
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- A. Es ist bekannt, daß die Beimischung von Wasser zu (öligen) Kraftstoffen, insbesondere zu Dieselkraftstoff, zu einer Verminderung des Schadstoffausstoßes und einer Erhöhung der Effizienz insbesondere von Kraftstoffen führt. Die Streckung von z. B. Dieselkraftstoff mit Wasser hat eine deutliche Verringerung der Schadstoffe (Stickoxide und Ruß) in der Verbrennung zur Folge. Dies entlastet die Umwelt. Die geringere Verbrennungstemperatur des Gemisches steigert die Effizienz des Kraftstoffs. Trotz Streckung mit Wasser bleibt die Leistung daher weitgehend erhalten.
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Handelsübliche Dieselmotoren zünden auch selbst bei 50 Prozent Wasseranteil problemlos. Entsprechende Ergebnisse wurden beispielsweise von einer Arbeitsgruppe unter Leitung von
Prof. Reinhard Strey, Universität zu Köln, vorgelegt. Nach Nawrath et al., "Rußfreie Verbrennung von Diesel als Mikroemulsion" (Sonderdruck Universität zu Köln, 2005) kann hierdurch der Ausstoß von Ruß um bis zu 90%, von NOx um bis zu 60% gesenkt werden. Es tritt zudem kein signifikanter Leistungsverlust ein. Außerdem sinkt das Motorengeräusch.
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Voraussetzung ist ein ”Hilfsmittel”, um die von Natur aus nicht mischfähigen Komponenten bipolares Wasser und unpolares Öl ausreichend zu mischen. Der Stand der Technik benennt zahlreiche Lösungsvorschläge, um die Wasserbeimischung in Kraftstoffe (insbesondere solche aus Erdöl) zu ermöglichen.
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Aus der Luftfahrtgeschichte ist die Wassereinspritzung in Kolbenmotoren bei Kampfflugzeugen schon im 2. Weltkrieg (1939–1945) dokumentiert, die vor allem durch gleichzeitige Beigabe von Methanol (CH3-OH) erreicht wurde. Hiermit waren kurzfristig deutliche Leistungssteigerungen der Triebwerke erzielbar. Möglich waren je nach Flughöhe über 400 PS Zusatzleistung pro Motor für 10–20 min. mit der sog. MW-50-Anlage, die ein Gemisch aus 49,5% Methanol, 0,5% Schutzöl und 50% Wasser in den Treibstoff bei 4 bar einspritzte (Beispiel: Junkers V-12 flüssigkeitsgekühlter Flugmotor Jumo 213A-1 im Mehrzweckkampfflugzeug Junkers Ju 188A-2: Bodenleistung je Motor 1.776 h. p. und Höhenleistung in ca. 5–6 km Höhe 1.600 h. p., mit MW 50 Bodenleistung 2.240 h. p. und Höhenleistung 1.880 h. p., Daten nach den beiden führenden Standardwerken von William Green, Warplanes of the Third Reich, 2. Aufl. London 1982, S. 488, und von J. R. Smith und Anthony Kay, German Aircraft of the Second World War, 3. Aufl. London 1978, S. 427). Es gab seltener auch die MW-30-Anlage mit 30% Methanol.
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Methanol ist ein primärer Alkohol, der wegen seiner polaren OH-Gruppe mit Wasser in praktisch jedem Verhältnis mischbar ist und zudem auch selbst als Kraftstoff genutzt werden kann. Methanol wurde etwa als Raketenbrennstoff verwendet und wird noch heute z. B. für die Biodiesel-Herstellung aus Rapsöl benutzt. Ähnliche Ansätze wurden auch mit anderen Alkoholen, z. B. dem ”eigentlichen” Alkohol (Ethanol, C2H5-OH), verfolgt (ebenfalls bei vorgenannten Flugzeugen, mit sog. EW-Anlagen, jedoch weniger häufig). Auch nach dem Krieg befassen sich diverse teils auch patentierte Vorschläge (z. B.
EP 0475620 ,
US 4.002.435 ) mit derartigen vorwiegend alkoholbasierten Konzepten.
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Nachteilig sind hier die für praktische Anwendungen die nach heutigen Maßstäben völlig inakzeptabel hohen Mengen an Alkoholen. Trotzjahrzehntelanger Forschung konnten zudem keine für den serienmäßigen Dauerbetrieb brauchbaren Realisierungen entwickelt werden. Das heutige Ziel der Kraftstoffe sind auch nicht kurzfristige Höchstleistungen ohne Rücksicht auf Aufwand und Motorschäden (z. B. deutliche Verschleißerhöhung der Zündkerzen im Falle der Wasser-Methanol-Einspritzung), sondern Schadstoffsenkungen und erhöhte Wirtschaftlichkeit im Dauerbetrieb.
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Davon ausgehend wurden in großer Vielzahl Lösungen mit Emulgatoren vorgeschlagen, teils nur mit einem Tensid, teils mit mehreren Tensiden und Cotensiden, in oft sehr aufwendiger Mischung. Versuche mit Markenkraftstoffen (z. B. Elf ”Aquazole” seit 1999 in Europa, Shell ”Aquadiesel” seit 2002 in Australien) wurden durchgeführt, blieben aber auf experimentelle oder ganz spezielle Anwendungen (Unter-Tage-Verwendung) begrenzt. Besonders bekannt wurde aus der Gruppe der auf Tenside aufgebauten Konzepte in Deutschland durch zahlreiche Presseveröffentlichungen der Gegenstand der
DE 103 34 897 A1 (
Strey et al., 2005). Hier wird eine auf nicht abschließend definierte Weise ”optimiert” gemischte amphiphile Komponente vorgeschlagen, die in aufwendiger individueller Anpassung diverser chemischer Bestandteile die Bildung einer bikontinuierlichen Mikroemulsion ermöglichen soll.
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Nachteilig ist hierbei jedoch die von jedem Einsatzzweck und Motorentyp individuell abhängige, komplexe Anforderung an das genaue Mischverhältnis zahlreicher, zudem kostenaufwendiger Bestandteile. Mangels hinreichender Stabilität und aufgrund der jeweiligen Anpassungsnotwendigkeiten müßten für jeden Motor spezifische, aufwendige Zusatzeinrichtungen entwickelt, zertifiziert und eingebaut werden, was zu erheblichen Vorbehalten der Industrie führt. Zudem benötigen moderne Dieseleinspritzsysteme eine Temperaturstabilität bis deutlich über 100°C, die mit der vorgenannten Erfindung nicht realisiert werden konnte (
P. Trechow, "Forscher strecken Diesel mit Wasser", VDI-Nachrichten 30.09.2005). In der
DE 103 34 897 werden sogar nur 70°C als dem erzielbaren Höchstwert angegeben.
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Typischerweise müssen heute für Wasserdiesel oder Wasserbeimischungen in andere Kraftstoffe noch enorme Mengen von Emulgatoren zugesetzt werden. Alkoholbasierte Lösungen brauchen oft sogar höhere prozentuale Anteile an Zusätzen als an Wasser und eigentlichem Treibstoff verwendet werden. Üblich sind jedenfalls wenigstens 20% Alkohol. Bei den Tensiden werden immer noch Mengen im Prozentbereich (meist 2%–10%) benötigt, wobei heute 5% als ”üblich” gelten. Ganz wenige Lösungen kommen angeblich unter besten Bedingungen mit 1% Tensiden aus (
US 4.158.551 ;
US 4.465.494 ). Selbst die derzeit wohl aufwendigste Form (
DE 103 34 897 ) spricht nur von ”5% oder deutlich weniger”, also einem Wert jedenfalls im Prozentbereich, wobei in der zugehörigen Publikation
Nawrath et. al. (aaO. unter "Verbrennungs-Experimente") eine Tensidbeimischung von doch wiederum 10% eingeräumt wird.
- B. Aus der DE 20 2004 010 305 U1 (Vitt) ist nun bekannt, die notwendige Herstellung der Emulsion statt durch chemische Zusätze durch Entgasung des Wassers zu erreichen. Zur Herstellung der Entgasung stehen handelsübliche mechanische Vorrichtungen zur Verfügung, z. B. durch Vakuumerzeugung und/oder Erhitzung. Temperaturstabilität über 100°C ist gewährleistet. Zudem wird die Leistung nicht beeinträchtigt, sondern durch die geringere Verbrennungstemperatur sogar u. U. um bis zu etwa 10% erhöht (was im übrigen bereits das beabsichtigte Ergebnis der ursprünglichen alkoholgemischten Wassereinspritzung in militärischer Verwendung war). Dies wird bei größeren Mengen von Emulgatoren ebenfalls nicht erreicht; hier ist eine Leistungsneutralität zumindest im insoweit relevanten oberen Leistungsspektrum bereits das maximal mögliche Resultat (Nawrath aaO.).
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Die
DE 20 2004 010 305 U1 (Vitt) lehrt nun die Herstellung einer stabilen Emulsion von Wasser und Öl durch Entgasung des Wassers. Damit steigt dessen Emulsionsfähigkeit. Bereits die etwa 97%ige Entgasung durch eine einfache Wasserstrahlpumpe stellt ein Wasser zur Verfügung, das sich mit Ölen aller Art problemlos mischt. Weitere Entgasung ist durch Verwendung eines höheren Vakuums möglich. Hierfür stehen handelsübliche Produkte, etwa aus der Getränkeindustrie, zur Verfügung. Entgastes Wasser ist damit in großen Mengen verfügbar.
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Entgaste Wasserproben aller Art mischen sich in jedem Verhältnis spontan mit hydrophoben Flüssigkeiten wie Ölen (Pashley, R. M., J Phys Chem B 2003, 107, 1714–1720). Diese Mischungen bleiben auch stabil. Wenn die Emulsion einmal hergestellt ist, kann sie auch wieder Gasen wie etwa Luft ausgesetzt werden, ohne daß nachteilige Änderungen eintreten (aaO.).
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Der Effekt, der bei Entgasung des Wassers die Mischbarkeit mit Ölen herbeiführt, ist elektromagnetischer Natur (siehe
DE 20 2007 001 960 – Vitt II). Er hängt nur mit der zeitabhängigen Varianz des Interferenzfeldes der Wassermoleküle untereinander zusammen, weshalb die Dicke der hydrophoben Schicht auch durch die Entgasung nicht abnimmt.
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Das ist heute anerkannt, gilt aber mangels der vorgenannten Erklärung noch als überraschend. Denn selbst in neuen Untersuchungen wird davon ausgegangen, daß gelöste Gase angeblich auf die hydrophoben Effekte des Öls keinerlei Auswirkung haben sollen, da sie die Größe des hydrophoben Spalts nicht verändern und daher unpolare Gase auch nicht die früher dort angenommenen ”Mikrobläschen” bilden würden (Mezger et al., High-resolution in situ x-ray study of the hydrophobic gap at the water – octadecyl-trichlorsilane interface, Pressemeldung Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart v. 11.12.2006, www.chemie.de/news/d/60008).
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Ein besonderer Vorteil der Nutzung entgasten Wassers ist die freie Wählbarkeit des Wasseranteils, je nach verwendetem Öl und Motor optimiert. Aufwendige Zusätze von Emulgatoren wie z. B. Tensiden entfallen.
- C. Die DE 20 2007 001 960 (Vitt II) ergänzt die vorgenannte Lösung durch eine bevorzugte Ausführungsform, in der eine feine lokale Emulsionsherstellung bewirkt wird durch Mikroporen, die heute in vielfacher Form handelsüblich erhältlich sind. Die DE 20 2007 002 851 (Vitt III) lehrt eine Verwendung von optimiert teilentgastem Wasser.
- D. Die DE 20 2011 107 729 (Vitt IV) beschreibt die Verwendung von Elektro-Osmose zur Emulsionsherstellung und Stabilisierung, die alternativ oder ergänzend mit der vorbeschriebenen Entgasungsmethode angewandt werden kann, um eine vorteilhafte Mischung oder von Wasser und Öl mit geringer Emulgatorenverwendung zu erzielen.
- E. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diesen Ansatz weiter zu verbessern und effektiver zu machen, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung bei vielen, kleineren und beweglichen Nutzern der Technologie, bei denen eine Einzelanwendung aufwendig oder unwirtschaftlich sein könnte.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, für externe Nutzer oder Verbraucher eine oder mehrere davon getrennte Stellen zu schaffen, an der die vorteilhafte Verwendung der Wasser-Öl-Emulsion stattfindet, und zwar dort, wo die Umsetzung technisch und wirtschaftlich vorteilhafter ist als beim eigentlichen Nutzer, und diesen eigentlichen Nutzer dann von dort aus indirekt mit der so gewonnenen Energie zu versorgen.
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Die bevorzugte Ausführungsform, auf die das Schutzrecht jedoch nicht beschränkt ist, besteht z. B. darin, für Fahrzeuge statt jeweils eines Einbaus einer eigenen Antriebsvorrichtung, die selbst Emulsionen nutzt, einen Antrieb vorzusehen, der mit einer extern durch die vorteilhafte Emulsion hergestellten Energieform betrieben wird.
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Möglich ist es also insbesondere, elektrischen Strom mit einem Generator (z. B. lokal an einer ”Tankstation”) herzustellen, wobei dieser mit der umweltfreundlichen Wasser-Öl-Emulsion betrieben wird, und dort damit Fahrzeuge mit Elektroantrieb direkt mit Strom zu versorgen. Selbstverständlich ist auch eine Zwischenspeicherung in einer Batterie am Generator möglich.
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Denkbar ist auch die Versorgung aus einem größeren Kraftwerk, das mit der Emulsions-Technik betrieben wird, doch die bevorzugte Ausführung wäre eine dezentrale Variante mit einem oder einer Vielzahl von lokalen Versorgern, etwa an ”Tankstellen”, die deshalb vorteilhaft ist, weil sie keine weitere Inanspruchnahme oder Belastung von Fernstromnetzen mit ihren Leistungsverlusten, ökologischen Folgeschäden und Kosten erfordert wie eine Stromentnahme aus dem allgemeinen Netz für eine wachsende Zahl von elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
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Dabei kommt der Emulsionstechnik zugute, daß sie zwar im Einzelfall insbesondere für preisgünstige Kleinwagen in individueller Ausrüstung zu aufwendig sein kann, aber auch keinesfalls zur Erreichung ihrer Vorteile eine Großvorrichtung wie in einem Kraftwerk erforderlich ist. Eine lokale Generatoren-Anlage, wie sie z. B. auch einen Wohnblock, eine Fabrik oder ein größeres Fahrzeug (z. B. LKW, Diesellok, Schiff) versorgen könnte, ist ausreichend. Diese Größenordnung kann sich auch als lokale Ladestation eignen. Zudem lassen sich Synergie-Effekte erzielen: Der gleiche Generator, der eine stationäre Anlage wie Gebäude oder Fabrikationseinrichtungen oder sonstige fest verbundene Verbraucher versorgt, kann auch den Strom für dort aufzuladende Elektrofahrzeuge bereit stellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0475620 [0005]
- US 4002435 [0005]
- DE 10334897 A1 [0007]
- DE 10334897 [0008, 0009]
- US 4158551 [0009]
- US 4465494 [0009]
- DE 202004010305 U1 [0009, 0010]
- DE 202007001960 [0012, 0014]
- DE 202007002851 [0014]
- DE 202011107729 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Prof. Reinhard Strey, Universität zu Köln, vorgelegt. Nach Nawrath et al., ”Rußfreie Verbrennung von Diesel als Mikroemulsion” (Sonderdruck Universität zu Köln, 2005 [0002]
- William Green, Warplanes of the Third Reich, 2. Aufl. London 1982, S. 488 [0004]
- J. R. Smith und Anthony Kay, German Aircraft of the Second World War, 3. Aufl. London 1978, S. 427 [0004]
- Strey et al., 2005 [0007]
- P. Trechow, ”Forscher strecken Diesel mit Wasser”, VDI-Nachrichten 30.09.2005 [0008]
- Nawrath et. al. (aaO. unter ”Verbrennungs-Experimente”) [0009]
- Nawrath aaO. [0009]
- Pashley, R. M., J Phys Chem B 2003, 107, 1714–1720 [0011]
- Mezger et al., High-resolution in situ x-ray study of the hydrophobic gap at the water – octadecyl-trichlorsilane interface, Pressemeldung Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart v. 11.12.2006, www.chemie.de/news/d/60008 [0013]