DE3634101A1 - Lufttransporter fuer gasfoermigen wasserstoff - Google Patents

Description

Vielerorts werden Chancen zur Ablösung der zu risikoreichen Atomenergietechnik durch eine solare Wasserstofftechnik gesehen. Für die Errichtung von Solaranlagen kommen vornehmlich unbewohnte Gebiete mit hoher Sonneneinstrahlung in Betracht. Sie liegen fast alle mehrere tausend Kilometer von dem Ort wie z. B. Mitteleuropa entfernt, wo solarer Wasserstoff zur Ablösung anderer Energiearten benötigt wird. Wie teuer solarer Wasserstoff beim Endverbraucher ankommt, hängt erheblich vom Transportsystem und den hierfür benötigten Investitionen ab. Sie sind recht hoch, wenn über mehrere tausend Kilometer hinwegführende Pipelines zu errichten sind. Pipelines erfordern nicht nur viel Kapital und mehrere Jahre Bau­ zeit, sondern stellen in Krisenzeiten ein erhebliches wirtschaftliches Risiko dar. Sie können im Kriegsfall oder durch Terroristen leicht außer Funktion gesetzt werden. Der Ausfall einer Wasserstoffpipeline z. B. aus der Sahara nach Westeuropa könnte zu erheblichen wirtschaftlichen Problemen in den Industriestaaten führen.

Mit weniger Investitionsaufwand, kürzerer Zeit bis zur Inbetriebnahme und verringertem Risiko durch terroristische Erpressung ist der Wasserstofftransport mit Flüssiggastankschiffen über die Weltmeere verbunden. Besonders vorteilhaft ist diese Transportart bei maritimen Solaranlagen, bei denen der Flüssiggastanker auf freiem Meer unmittelbar längs der Solarpontons gehen kann. Nachteilig für den Flüssiggastransport ist der physikalisch nicht vermeidbare Sachverhalt, daß für die Arbeit zum Verflüssigen von Wasserstoff bei -252°C etwa ein Drittel des im Wasserstoffgas befindlichen Energieinhalts verloren geht.

Angesichts dessen, daß bis 1938 deutsche Luftschiffe mit Hilfe des durch leichten Wasserstoff in der Luft erfolgenden Auftriebs einen Liniendienst über den Atlantik unterhalten konnten, wurde der Gedanke erneut aufgegriffen, solaren Wasserstoff auf kürzestem Luftweg vom Ort der Erzeugung zum Ort des Verbrauchs zu fliegen. Laut vorliegender Erfahrungen mit dem Luftschiff LZ 129, Baujahr 1936, ist es möglich, den auf einer maritimen Solaranlage z. B. nahe den Kanarischen Inseln erzeugten Wasserstoff mit etwa 125 km/h binnen etwa 24 Stunden zu einer Übernahmestation bei München oder Paris zu transportieren.

Im Gegensatz zu den Passagierluftschiffen von vor 50 Jahren ist die wesentliche Aufgabe eines Wasserstofftransporters, mit nur 2-3 Mann fliegendem Personal pro Luftschiff eine große Menge von im Wasserstoff gespeicherter Energie zu transpor­ tieren. Während bei früheren Luftschiffen der Druck zwischen den im Luftschiff eingebauten Gaszellen für Wasserstoff oder Helium und der Außenluft sich die Waage hielt, somit nur eine geringe mechanische Beanspruchung der Trennwände zwischen beiden Gasarten auftrat, ist bei einem modernen Wasserstofftransporter zu fordern, daß der Druck in den Gaszellen um ein Mehrfaches höher als der der Außenluft ist.

Durch die Fortschritte auf dem Gebiet der Weltraum- und Luftfahrttechnik verfügen wir mittlerweile über hochfeste Kombinationen aus Kunststoffen mit Glas-, Carbon­ oder anderen synthetischen Fasern, die uns druckfeste Gefäße mit extrem dünnen Wandstärken und somit geringem Eigengewicht ermöglichen. Ausgehend von den Kenndaten vorbenannter Werkstoffkombinationen ergibt sich, daß kugelförmige Wasserstoffbehälter ausführbar sind, bei denen nach Verdichtung von Wasserstoff aufs 5- bis 10fache der verbleibende Restauftrieb gegenüber der Umgebungsluft etwa gleich groß wie das Eigengewicht der den verdichteten Wasserstoff einschlie­ ßenden Kugel ist. Eine solche Kugel ist in der unteren Atmosphäre quasi ohne Gewicht, kann frei schweben und ohne Bodenberührung mit geringem Aufwand fortbewegt werden.

Ausgehend von solchen kugelförmigen Gastanks galt es nunmehr eine erfinderische Lösung zu deren Lufttransport über mehrere tausend Kilometer hinweg zu finden. Sie besteht darin, daß mehrere solcher Gastankkugeln zu einem Verbund zusammen­ gepackt werden, und darüber eine äußere Ballonhaut mit einer für Luftschiffe günstigen aerodynamischen Form gespannt wird. Die verbleibenden Räume zwischen den Gastankkugeln und der äußeren Ballonhülle werden für zusätzliche Wasserstoff­ zellen genutzt, deren Innendruck dem des äußeren Luftdrucks gleich ist. Diese "Auftriebsgaszellen" vermögen das gesamte Luftschiff einschließlich der Form­ gebung und Kräfteübertragung dienender Gitterwerke, den beiden mit Wasserstoff­ gas betriebenen Turbinen-Propellerantrieben, Pilotengondel, Leitwerke und Sicherheitssysteme mit Fallschirmen für Pilotenkabine und Triebwerke auf eine Flughöhe von etwa 1000 Meter anzuheben. Für einen Transportweg z. B. von den Kanaren bis Mitteleuropa wird der Kraftstoff den drucklosen äußeren Wasserstoff­ zellen und den unvermeidlichen Leckgasverlusten aus den Kugeltanks, welche die äußere Ballonhülle zurückhält, entnommen. Der rechnerische Kraftstoffverbrauch bei vorbenannter Flugstrecke liegt bei etwa 10% des gesamten vom Transportluft­ schiff mitgeführten Energieinhalts des Wasserstoffs. Dieser Prozentsatz wird umso geringer, je höher das Verdichtungsverhältnis in den Kugeltanks technisch getrieben werden kann. Die in Europa an Pipelines übergebene Energie eines Trans­ portluftschiffs von der Größe des früheren Luftschiffs LZ 129 liegt in der Größen­ ordnung der Tagesproduktion eines herkömmlichen 200-MW-Kraftwerks. Die zur Bereitstellung des Wasserstofftransportvermögens eines pro Tag nach Europa flie­ genden Transportluftschiffs benötigte Fläche für eine maritime Solaranlage bei den Kanaren liegt bei etwa 9 km², ein Ouadrat also mit 3 km Kantenlänge.

Beim Rückflug des z. B. in Europa entladenen Transportluftschiffs wird man einen Rest von Wasserstoff in den Kugeltanks belassen, da ein Evakuieren und Spülen der Tanks mit Stickstoff mehr Kosten als Nutzen verursacht. Da sich nunmehr im gesamten Volumen innerhalb der Ballonhaut Wasserstoff mit dem Druck befindet, wie er bei der Wasserstoffübernahme am Boden vorherrschte, kann das entladene Transportluftschiff beim Rückflug in wesentlich größere Höhen als beim Herflug aufsteigen. Um den hierbei in größeren Höhen auftretenden Überdruck unter der Ballonhaut abzubauen, bleiben die Kugeltanks weitgehend geschlossen und wird der Kraftstoff den Auftriebszellen unter der Ballonhaut entnommen. Durch den in größerer Flughöhe geringeren Luftwiderstand reduziert sich der Kraftstoffbedarf beim Rückflug erheblich gegenüber dem beim Herflug.

Von Vorteil ist, daß solche Lufttransporter auf kürzestem Weg jede beliebige Wasserstofferzeuger- und Übernahmestelle anfliegen können. Dadurch wird Geld für weitverzweigte Pipelines usw. gespart. Nachteilig ist die relativ geringe Transport­ kapazität, weil das Verdichtungsverhältnis von Wasserstoff, bedingt durch das mit der Verdichtung ansteigende Eigengewicht von Kugelgastanks z. Zt. auf unter 10 bar begrenzt ist. Wollte man die gegenwärtige Bruttostromerzeugung durch Kernkraftwerke von 36 Milliarden kWh im Jahr 1985 später durch solaren Wasser­ stoff aus Anlagen in z. B. 3000 km Entfernung ablösen, so bedarf es etwa 130 Luftschiffe mit der Größe des früheren LZ 129 und etwa 500 Mitarbeiter als fliegendes Personal.

Trotz vorstehender Vorbehalte ist die Wasserstoff-Lufttransporttechnik für die Startphase von solaren Wasserstoffprojekten besonders interessant. Sie ermöglicht den kostengünstigen Transport aus Europa von Baugruppen von Solaranlagen auch in die entlegensten Wüsten- und Meeresregionen unserer Erde. Es bedarf zur Nutzung von Wüstengebieten für Solaranlagen nicht des Baus von Straßen oder Landepisten für Großflugzeuge. Solange solarer Wasserstoff noch nicht zu kostendeckenden Preisen auf dem europäischen Binnenmarkt verkauft werden kann, sollte er in Länder mit z. Zt. unzulänglicher Energieversorgungsbasis verkauft werden. Ein solcher Export mittels Transportluftschiffen ist ferner für die Zeit angezeigt, in der in Europa wegen Sommer der Energiebedarf gering ist, indessen die solare Wasserstoffanlage unvermindert Energie erzeugt. Ausgehend von einer maritimen Solarpilotanlage nahe den Kanarischen Inseln können Wasserstoff-Lufttransporter binnen eines Flugtags nebst Westeuropa auch Nord- und Westafrika erreichen. In dortigen Trockenzonen läßt sich das bei der Verbrennung von Wasserstoff z. B. beim Betrieb von Tiefbrunnenanlagen anfallende chemisch reine Wasser sinnvoll nutzen. Die Ladung eines Wasserstofftransport-Luftschiffs ermöglicht bei Verbrennung, Auffangen und Kondensieren des entstehenden Wasserdampfs das Auffüllen von Trinkwasserreservoirs um etwa 100 000 Liter, ein in Trockengebieten wie der Sahara sehr wertvoller Nebeneffekt, wodurch beim Verkauf von solarem Wasserstoff ein weit höherer Preis als im wasserreichen Westeuropa erzielt werden kann.

Mit einer Fahrtzeit von 2 Tagen können bei den Kanaren aufsteigende Wasserstoff­ transporter die Ostküste der USA, Brasilien, Südwestafrika und in Europa Moskau und Archangelsk erreichen. Mit drei Fahrttagen sind das gesamte Nord- und Südamerika, Afrika und Asien bis nach Bombay und Delhi mit solarem Wasserstoff versorgbar. In vielen dieser Gebiete ist man wegen chronischen Mangels an eigner Energie und Schwierigkeiten bei der Wasserversorgung gern bereit, für beigestellte Wasserstoffenergie Preise von mehreren DM/kWh zu zahlen. Auf diese Art kann die Zeit überbrückt werden, bis durch eine fortgeschrittene solare Wasserstofftechnik und Massenproduktion das in Westeuropa tolerierte niedrige Preisniveau für Wasserstoffenergie erreicht ist.

Anliegende, zeichnerisch dargestellte Beispiele dienen zur Erläuterung der erfin­ derischen Lösung.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Lufttransporter mit großen Kugeltanks,

Fig. 2 die zugehörige Vorderansicht.

Fig. 3 zeigt im Ouerschnitt eine Anordnung mit mehreren kleinen Kugeltanks.

In Fig. 1 ist 1 eine äußere, bei beidseitig gleichem Druck gasundurchlässige Ballonhaut, welche die eingebauten Kugeltanks nach aerodynamischen Gesichtspunk­ ten umschließt. Die Kugeltanks wurden mit 2 bis 7 numeriert. Mit 8 und 9 in Fig. 1 und Fig. 2 ist ein äußeres Gitterwerk bezeichnet, das die gestreckte Form des Luftschiffs und die Kraftübertragung durch die beiden Turbo-Prop-Vortriebe 10, 11 sicherstellt. Am Gitterwerk sind ferner die Seiten- und Höhenleitwerke 12, 13 sowie die Pilotengondel 14 befestigt. Sollte es z.B. durch Blitzeinschlag zur Explo­ sion von Wasserstoffgas kommen, wobei das Gas, weil es leichter als Luft ist, nach oben entweicht und dort verbrennt, so werden im Gefolge des plötzlichen Höhenverlusts des Luftschiffs die Pilotengondel 14 und die Antriebe 10, 11 vom Gitterwerk 8, 9 abgetrennt. Fallschirme ähnlich wie bei von Großflugzeugen in der Luft ausgesetzten Militärfahrzeugen sorgen für ein gefahrloses Herabschweben der Gondel mit dem Flugpersonal und der schweren Flugmotoren.

Fig. 3 zeigt im Ouerschnitt eine Anordnung mit mehreren kleinen, leichter herstell­ baren Kugeltanks 15 bis 18. Im Raum zwischen den Kugeltanks und der Ballonhülle befinden sich die Gasballons 19 bis 23, die den Auftrieb des Luftschiffs bewirken.

Claims (4)

1. Lufttransporter für gasförmigen Wasserstoff ähnlich früheren Zeppelin-Luft­ schiffen, jedoch zur Mitnahme größtmöglicher Mengen von Wasserstoff konzi­ piert, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Ballonhaut mehrere, vornehmlich kugelförmige Gastanks zur Aufnahme von verdichteten Wasser­ stoff angeordnet sind, die wegen der erfolgten Verdichtung und des Eigenge­ wichts der Gastanks als Nutzlast keinen Beitrag zum Auftrieb des Luftschiffs leisten, dieser jedoch von zusätzlichen Gaszellen erbracht wird, deren Wasserstoffgas unter gleichem Druck wie den der umgebenden Luft steht, und die in den zwischen den kugelförmigen Druckgastanks und der äußeren Ballonhaut verbleibenden Räumen untergebracht sind.

2. Lufttransporter für gasförmigen Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für den Fall eines Defekts und einer Wasserstoffexplosion im Luftraum oberhalb des Lufttransporters automatisch ansprechende Sicher­ heitssysteme installiert sind, welche die Pilotengondel und die schweren Pro­ pellerantriebe abtrennt und sie ohne Risiko für Besatzung und Bevölkerung am Boden an Fallschirmen sanft abwärts schweben läßt.

3. Lufttransporter für gasförmigen Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des mitgeführten Wasserstoffs zum Vortrieb des Luftschiffs als schadstofffreier Kraftstoff verwertet wird.

4. Lufttransporter für gasförmigen Wasserstoff gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vorbenannter Lufttransporter für den Rückweg zu solaren Wasserstofferzeugungsanlagen über Vorrichtungen zum Lufttransport von Materialien zur Errichtung, Erweiterung, Reparatur und Wartung von Solaran­ lagen ähnlich wie bei Transporthubschraubern verfügt, wobei der Transport­ weg auf ein Mehrfaches von Hubschraubern bis zu mehrere tausend Kilo­ meter erweitert ist, und zur Kraftstoffversorgung ohne Nachtanken auf mit­ geführten Wasserstoff zurückgegriffen werden kann.