DE202020002289U1

DE202020002289U1 - Dampfturbinenantriebsaggregat für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE202020002289U1
Application number: DE202020002289.6U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Basan Lukas De; GRUNERT, RONNY, DR., DE; Michael Max De
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-07-27
Anticipated expiration: 2030-05-26

Abstract

Dampfbetriebenes Turbinenaggregat mit katalytischer Treibstoffzerlegung.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein dampfbetriebenes Antriebsaggregat für Fahrzeuge und Maschinen. Elektrische Antriebe und Verbrennungsmotoren haben jedoch den Nachteil der hohen Schadstoffemission im Betrieb oder bei der Herstellung. Die Entwicklung stellt nun ein Turbinenaggregat dar, dass mit einem geeigneten Getriebe verbunden ist und die Energie auf die notwendige Antriebsform überträgt. Da im Betrieb keine toxischen Abgase entstehen dürfen, wurde ein Verfahren konzipiert, dass durch katalytische Zerlegung des Energieträgers Energie durch eine exotherme Reaktion freisetzt und als Produkt ein schadstofffreies Gasgemisch entsteht. Da das Verfahren allein aber unwirtschaftlich wäre, muss das entstehende Wasserdampf-Sauerstoffgemisch durch ein energiehebendes Verfahren in einem geschlossenen Kreislauf wieder in das Ausgangsprodukt umgewandelt und dem Vorratsbehälter zugeführt werden.
Die Zuführung von Energie findet in einem Reaktorkatalysator statt, sowie beim Hindurchleiten des Dampfgemischs durch einen Kälteschock von ca. -115°C.
Beschreibung
Anwendung
Die Anwendung der Erfindung soll in Fahrzeugen und stationär, als kinetische Energie- und Wärmequelle, erfolgen.
Die Zweckmäßigkeit ist durch die einhergehende Schadstofffreiheit gegeben; Es sollen vorwiegend Personen- und Lastkraftwagen mit dem Aggregat ausgerüstet werden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Antriebsmaschinen mit Benzin- oder Dieselkraftstoffantrieb sind vielfältig verbreitet, auch Gasturbinen sind hinlänglich bekannte Antriebe. Zwar sind diverse Möglichkeiten zur Senkung der schädlichen Emissionen bekannt, jedoch ist die völlige Beseitigung konstruktiv bedingt unmöglich. Auch bei der Herstellung von elektrischen Antrieben ist eine hohe Schadstoffemission bekannt.
Zum hier benannten Antriebsverfahren sind bereits Ansätze bekannt, beispielsweise der Walther-Antrieb, der im so genannten kalten Verfahren Wasserstoffperoxid zur Erzeugung von Kraft in einer Turbine nutzt. Dieser Ansatz setzt jedoch ein immenses Tankvolumen voraus, da H₂O₂ lediglich 1/55 der Energiedichte von Ottokraftstoff besitzt. Das heiße Verfahren ist als Ladung und Sauerstoffzufuhr für einen Dieselmotor zu betiteln, der wiederum toxische Emissionen erzeugt.
Die neueste bekannte Entwicklung bezüglich des Walther-Verfahrens entstand durch Dr. H.-J. Glaubrecht durch Anwendung des kalten Verfahrens mit dem Einsatz eines Reaktorkatalysators zur Rückgewinnung überschüssiger Energie. Diese Antriebsmaschine wurde in einem KFZ verbaut. Im Gegensatz zum Patent von Dr. Glaubrecht [2] wird ein technischer Aufbau präsentiert, der, zum einen, einen funktionsfähigen und ökonomischen Reaktorkatalysator präsentiert, zum anderen einen höchsteffizienten Regelungsmechanismus einer oder mehrere
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es, ein schadstofffrei zu betreibendes, Antriebsaggregat herzustellen, das durch Flüssigkraftstoff betrieben werden kann und gleichzeitig wirtschaftlich ist. Unter Anwendung des bereits gewonnenen Wissens über derartige Antriebe bzw. das Walther-Verfahren soll eine, in der Herstellung günstige und wirtschaftliche, Lösung zum Antreiben von Fahrzeugen gefundenen werden, die zusätzlich auch auf Probleme verschiedenster moderner Antriebskonzepte eingeht. Die ursprüngliche Erfindung Dr. Glaubrechts wird somit durch moderne Methoden und Weiterentwicklung ökonomisch und funktional gemacht.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Ausgehend davon, dass im Betrieb des Aggregates keine Schadstoffe entstehen dürfen, wurde ein Verfahren der katalytischen Zerlegung, das durch Spalten des Energieträgers Energie über eine exotherme Reaktion freigibt und als Restprodukt ein nicht-toxisches Gasgemisch erreicht.
Ausgangspunkt bildet dabei der Stoff Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als Sauerstoff- und Energieträger. Vor dem Einsatz als Treibstoff diente es hauptsächlich als Bleichmittel in der chemischen Industrie. Erst durch die Forschungen H. Walthers gelang es, Konzentrationen von > 35% herzustellen, was Wasserstoffperoxid erst als Treibstoff interessant macht. Obwohl H₂O₂ von hoher Konzentration leicht zur Explosion neigt, schwer zu lagern und zu handhaben ist, ist es möglich dieses durch Stabilisatoren zu kompensieren.
Für die Lagerung sind Behälter aus Reinaluminium und kupferfreien Aluminiumlegierungen eine bekannte Lösung. Ebenso sind Kunststoffe (bspw. PVC für Schläuche) bewährt.
Als Schmiermittel wird Silikonfett verwendet, da dies nicht zu Reaktionen mit Wasserstoffperoxid neigt.
Da H₂O₂ stoß- und schlagfest ist, ist der Transport von stabilisierten Lösungen auch in hohen Konzentrationen unbedenklich [1].
Eine Gefährdung des Anwenders ist kaum gegeben; nach der Benetzung der Haut mit H₂O₂ können Hautschäden oder -reizungen durch Abspülen mit Wasser verhindert werden.
H₂O₂ kann außerdem durch Elektrolyse hergestellt werden, was es als dezentralen Stromspeicher tauglich macht und eine schadstofffreie Herstellung (vorausgesetzt die benötigte elektrische Energie entstammt umweltneutralen Anlagen) ermöglicht, womit eine 100%ige Schadstofffreiheit erreicht werden kann.
H₂O₂ zeichnet eine hohe Zerfallswärme aus, die durch Einwirkung eines Katalysators freigesetzt werden kann. Das geschieht nach folgender Formel:
Damit kann ohne großen Aufwand ein genau definiertes Dampf-Sauerstoff-Gemisch erzeugt werden, wodurch der Antrieb einer oder mehrerer Turbinen mit selbigem ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiel
Der Antrieb besteht aus 3 Turbinenstufen (1-3), wovon 2 als Pelton-Turbine ausgelegt sind. Turbine 3 ist als Gleichstrom-Axialturbine ausgelegt. Die Turbinenstufen sind auf einer Welle installiert und jeweils mit einem Freilauf versehen.
Das Starten des Antriebs wird durch Inbetriebnahme einer elektrischen Treibstoffpumpe (4), die Wasserstoffperoxid (79-64,5%) mit 40 bar aus dem Vorratsbehälter (5) durch zwei Einspritzdüsen in die Verdampferkammer (6) einbläst, erreicht.
Die Leitungen sind als PVC-Schläuche, die nicht mit H₂O₂ reagieren, ausgeführt.
In der Verdampferkammer befindet sich, auf zwei geschützten Rollen gelagert, eine Platinbedampfte Folie, die durch einen elektrischen Getriebemotor von einer auf die andere Rolle gewickelt wird.
Das eingeblasene H₂O₂ reagiert mit der Platinschicht auf der PVC-Folie, wodurch, zum einen, spontan heißer Wasserdampf mit einem ca. 12%igen Sauerstoffanteil entsteht, zum anderen aber die im Wasserstoffperoxid befindlichen Phosphoranteile mit dem Platin reagieren, wodurch sie auf dem Folie verbleiben. Dadurch werden Turbinenschäden verhindert.
Im Verdampfer sind Druck- und Temperatursensoren angebracht, die an einen Regelkreis angeschlossen sind.
Die Treibstoffmenge wird je nach vorhandenem Verdampferdruck - ca. 20-30 bar - geregelt, sodass der entstandene H₂O-O₂-Dampf durch eine Lavaldüse, jeweils an der Oberseite eines Turbinengehäuses angebracht, in die Turbinenschaufeln der ersten Stufe geleitet wird.
Somit fängt die Antriebswelle innerhalb von Sekundenbruchteilen zu drehen an.
Turbinengehäuse und Verdampferkammer werden durch eine Glycerin-Lösung, die von ca. -30°C bis 450°C, flüssig bleibt, gekühlt. Ein elektrisches Regelventil ermöglicht das Durchfließen eines Sekundärverdampfers (7), der ab 150 C Kühlmitteltemperatur zur Entlastung des Hauptverdampfers (6) eingesetzt werden kann, sowie das Durchströmen eines, an der Fahrzeugunterseite angebrachten, Kühlers. Durch die erste Turbinenstufe werden bereits alle Zusatzaggregate - Generator (8), Treibstoff-, Kühlflüssigkeits- und Rückförderpumpe (9), sowie Kältekompressor (10), angetrieben.
Die zweite Stufe bzw. dritte Stufe wird durch das Erhitzen und Zerlegen von H₂O₂ im Sekundärverdampfer angetrieben bzw. ab der eingestellten Kühlmitteltemperatur elektrisch zugeschaltet, sodass möglichst wenig Treibstoff verwendet werden muss, um größtmögliche Leistung zu erzielen.
Das H₂O-O₂-Dampf-Gemisch wird, bei einem Kaltstart, durch ein herkömmliches Abgasrohr nach außen geleitet. Dieses offene System wird nach Erreichen der notwendigen Temperatur im Reaktorkatalysator von -50°C bis - 120°C geschlossen.
Im geschlossenen Kreislauf wird der Dampf nach den Turbinenstufen in einem Behälter (11), unter konstanter Überwachung des Drucks, um notfalls das Dampfgemisch teilweise entweichen zu lassen, gesammelt und kontinuierlich dem Reaktorkatalysator zugeführt.
Der Reaktorkatalysator besteht aus einer Anordnung mehrerer Kondensatorplatten (12), die mit Hochspannung (im kV-Bereich) geladen werden. Im Mittel wird eine Energie von 34 eV zur Ionisation benötigt, wobei 21 eV ausreichend sind. Um genügend Durchsatz zu erhalten, sind mehrere parallelgeschaltete Kondensatoren notwendig. Der elektrische Energiebedarf beläuft sich auf ein Minimum, da die entstehenden Elektronen allein zur Spaltung der H₂O und O₂ - Moleküle nötig sind. $34 eV = 5,45 * 10^{- 18} J$
Basierend auf den Forschungen Dr. Glaubrechts können folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

Die 21 - 34 eV führen in Form von Energiequanten zu folgenden Erscheinungen:
1. 1) Erzeugung angeregter Moleküle (Hebung der Elektronen auf ein höheres Energieniveau
2. 2) Entstehung freier Radikale (Atomgruppen/Moleküle mit freier Valenz)

Diese sind kurzlebig und Entstehen aus stabilen Molekülen durch Einwirkung von elektrischer Entladung, energiereicher Strahlung oder hoher Temperaturen.
Die so entstandenen Teilchen vereinigen sich zu abgesättigten Molekülen oder bilden Glieder einer Kettenreaktion mit anderen Molekülen, wobei wiederum neue Radikale freigesetzt werden.
Im Wasserdampf wirkt sich das wie folgt aus:

Durch Bestrahlung wird H₂O ionisiert: Hochspannung → H₂O → H₂O⁺ + e^-

Wobei Wasserionen und Elektronen entstehen.
Die dadurch frei gewordenen Elektronen reagieren mit noch unangeregten H₂O-Molekülen zu Wasserionen: e^- + H₂O → H₂O^-
Die Wasserionen H₂O^- zerfallen in Wasserstoffradikale und Hydroxylionen: H₂O^- → H⁰ + HO^-
Während Wasserkationen in Wasserstoffionen und Hydroxilradikale zerfallen: H₂O⁺ → H⁺ + OH⁰
Die Lebensdauer dieser Reaktionsprodukte beträgt, ca. 9-10 Sekunden [2]. Danach rekombinieren sie wieder: OH^- + H⁺ → H₂O OH⁺ + H⁰ → H₂O
Dies ließe das System nach außen hin inaktiv erscheinen, da alle beteiligten Partner sofort rekombinieren.
Wenn die primären Ionisationen auf der Spur der Strahlenquanten relativ dicht hintereinander liegen, verlaufen weitere Reaktionen. (Bei weicher Strahlung mit niedriger Energie und dicht aufeinander folgenden Ioni sationsprozessen)
Dabei entstehen dann aus zwei OH⁰ - Radikalen OH⁰ + OH⁰ → H₂O + 0⁰ → H₂O₂
Auch aus zwei H-Radikalen sich H₂ bilden. H⁰ + H⁰ → H₂
Es bilden sich also bei der Bestrahlung von H₂O:

H⁺ und OH^-
H⁰ und OH⁰
0⁰

Bei diesem Prozess findet eine Diffusion des Strahlenproduktes um das zu bestrahlende Moleküle (Diffusion der Radikale) statt.
Dabei ergibt sich ein Verhältnis zwischen direkter und indirekter Strahlung.
Die direkte Strahlung trifft das Molekül direkt und es erfolgt eine kontinuierliche Inaktivierung des Materials.
Bei der direkten Strahlung wird das H₂O getroffen und das Sekundärprodukt reagiert mit den in der Lösung enthaltenen Molekülen.
Das heißt also, dass mit der Zunahme der vorhandenen Moleküle auch die Zahl der direkt inaktivierten Moleküle steigt.
Wenn eine derartige Reaktion unter Beteiligung von O₂ abläuft, können bestimmte oxidierende Produkte gebildet werden, die sonst nicht entstehen würden.
Dabei tritt der Umstand ein, dass die entstehenden Wasserstoffradikale mit dem Sauerstoff wie folgt agieren: H⁰ + O₂ → HO₂ ⁰ H⁰ + HO₂ ⁰ → H₂O₂
Außerdem reagieren die Hydroxilradikale: HO₂ ⁰ + HO₂ ⁰ → H₂O₂ + O₂ 2H₂O + HO₂ ⁰ → 3H₂O₂
Ohne den Sauerstoff würde der Effekt nicht voll wirksam werden.
Diesem Umstand geschuldet, kann bei leichter Energiezuführung das bei der katalytischen Zerlegung von Wasserstoffperoxid entstehende Wasserdampf-Sauerstoff-Gemisch wieder in H₂O₂ zurückgeführt werden. 2 H₂O₂ →Kat. → 2 H₂O + O₂ → RK → 2 H₂O₂
Das Gasgemisch wird während des Prozesses in einen Kälteschock (13) von - 115°C - -120°C geleitet, wobei das Gemisch wieder verflüssigt und durch eine Rückförderpumpe (9) dem Vorratsbehälter (5) wieder zugeführt wird. Es werden ca. 80% des Treibstoffes zurückgewandelt.
Literaturverzeichnis

[1] Braun, E. und Singer, A.; Solarer Treibstoff auf der Basis des Monergols Wasserstoffperoxid [ EP 2 508 498 A1 ] (2011); Rodgau (DE), Linz (AT)
[2] Dr. Glaubrecht, Hans-Joachim; Antriebsmaschine für Fahrzeuge [ DD 000000160071 A1 ] (1973); Torgau
[3] Müller, Veit; Vorrichtung zur mechanischen Energiespeicherung von elektrischer Energie / Axialbewegungsspeichersammler [ EP 2 826 994 B1 ] (2014); Langenbernsdorf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 2508498 A1 [0030]
DD 000000160071 A1 [0030]
EP 2826994 B1 [0030]

Claims

Dampfbetriebenes Turbinenaggregat mit katalytischer Treibstoffzerlegung.
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieträger katalytisch zerlegbare und schadstofffrei herstellbare, nicht brennbare, flüssige Stoffe (z.B. Wasserstoffperoxid).
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator Metalle bzw. Metalloxide oder -legierungen oder andere Stoffe verwendet werden, die mit dem jeweiligen Treibstoff reagieren (bspw. Platin).
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieübertragungsmedium unter Druck stehender Wasserdampf dient.
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie in einer oder mehreren, ein- oder mehrstufigen, Turbinen erfolgt.
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme, Restwärme im Schmiermittel erneut zur katalytischen Zerlegung bzw. Verdampfung verwendet werden kann (bspw. durch Verwendung von Wärmetauschern).
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Effizienz des Gesamtsystems durch ein energiehebendes Verfahren (bspw. Destillation) gesteigert werden kann [1].
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprodukt in einem Reaktorkatalysator und Kälteschock zurückgewonnen und in den Vorratsbehälter geleitet werden kann
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Prozessschritte elektronisch überwacht und zur Steigerung der Effizienz und Sicherheit geregelt werden
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb keine Schadstoffe freigesetzt werden
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat keine Luftzufuhr benötigt, sodass es auch unter Wasser oder im luftleeren Raum betrieben werden kann
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat stationär oder mobil zum Einsatz kommen kann
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat schnell gestartet und gestoppt werden kann, sodass kein Leerlaufbetrieb notwendig ist
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aggregat ein Getriebe nachgeschaltet werden kann.
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie während eines Bremsvorgangs in einem KERS (engl. f. System zur Rückgewinnung kinetischer Energie) gespeichert werden [3] und beim erneuten Anfahren verwendet werden kann.
Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzaggregate, wie Generator und Kältekompressor, über ein Verteilergetriebe oder Riemen- bzw. Kettentrieb vom Aggregat mit angetrieben werden kann.