DE3914426C2 - Hybrid- Antriebsaggregat aus Hochtemperatur-Supraleiter-Elektromotor und Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor - Google Patents
Hybrid- Antriebsaggregat aus Hochtemperatur-Supraleiter-Elektromotor und Flüssigwasserstoff-VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Antriebsaggregat, das sich -
in hohem Maße regenerierend - aus stromliefernden Solarzellen,
einem mit Solarstrom (oder Batterie, Brennstoffzelle) ange
triebenen Elektromotor und einem mit Flüssigwasserstoff betrie
benen Verbrennungsmotor zusammensetzt. Der Elektromotor ist
mit Stator/Rotor-Wicklungen aufgebaut, die aus Hochtempera
tur Supraleitern (HTSL) bestehen und mit demselben Flüssigwasserstoff
gekühlt werden mit dem der Verbrennungsmotor betrieben wird.
Aus der US 4 570 578 und der US 4 520 763 sind mit
kryogenem Wasserstoff betriebene Verbrennungsmoto
ren bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Auf
gabe zugrunde, ein Hybrid-Antriebsaggregat anzugeben,
daß sich durch ein umweltfreundliches Abgasverhalten
sowie durch einen geringen Energieverbrauch auszeich
net.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemä
ßen Antriebsaggregats bestehen darin, daß durch die
Verwendung von Wasserstoff, der bei der Verbrennung
oxidiert, ein schadstoffarmer Verbrennungsprozeß reali
siert wird. Durch die Verwendung des kryogen gespei
cherten Wasserstoffs zur Kühlung des HTSL-Elektromo
tors wird vorteilhafterweise eine maximale Ausnutzung
des zur Verfügung stehenden Energievorrats bewirkt.
Die Ausbildung des Anspruchs 2 bewirkt eine
weitere Verbesserung der Abgaswerte, da Solarstrom
verwendet werden kann. Die Ausbildung gemäß
Anspruch 4 bewirkt eine weitere Reduzierung des
Energieverbrauches durch die Wechselseitigkeit des
Energiekreislaufes, nachdem Flüssigwasserstoff für die
Verbrennung vom Elektromotor magnetokalorisch
bereitgestellt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug
nahme auf die wesentlichen vier Baugruppen weiter be
schrieben.
Für den mobilen Antriebsaggregat-Bereich stehen gegenwärtig
drei verschiedene Silizium-Solar-Zellen-Technologien zur
Verfügung, die sich in der Anwendung prinzipiell durch Wir
kungsgrad, Lebensdauer und Preis unterscheiden - Monokri
stallin, Polykristallin, Amorph. Obgleich die monokristalline
Technik in der Herstellung am teuersten ist, ist ihr Einsatz
im mobilen Bereich unumgänglich, da - aus Platzgründen - ein
maximaler Wirkungsgrad pro Fläche bei optimaler Lebensdauer
verlangt wird. Zellenwirkungsgrade von ca. 15% bei 1 kW/m2,
air mass 1,5; 25°C sind gegenwärtig kom
merziell verfügbar.
Durch die Nobelpreis-würdige Entdeckung von Müller/Bednorz
1986 ist - seit der Erfindung der Supraleitfähigkeit (wider
standslose Leitung, 1911) - zum ersten Mal die Möglichkeit ge
geben, Supraleitung erheblich oberhalb des absoluten Nullpunkts
(-273,2°C, O K) zu
realisieren. Statt des teuren Heliums
(4.2 K Siedepunkt, Niobverbindungen-Supraleiter) können
heute z. B. Flüssigstickstoff (77.3 K) aber auch Flüssig
wasserstoff (20.4 K) als Kühlmedium für supraleitende Hoch
temperatur Keramiken wie z. B. Y Ba2Cu3O6,7 verwendet werden.
Es zeichnet sich jedoch gegenwärtig ab, daß der für Motor
wicklungen erforderliche supraleitende Draht vorzugsweise aus
Tallium (Tl, Ba, Ca, Cu) und Wismut
(Bi, Pb, Sr, Ca, Cu)-Zusammensetzungen bestehen wird.
Nur damit glaubt man, die er
forderliche Stromdichte von 105 A/cm2 erreichen zu können
(Sumitomo Electric, Current News, Nr. 19). Das Pulver obiger
Zusammensetzungen wird in Silber- (oder andere Sauerstoff-
abstoßende Metalle)-Röhrchen verbracht, gesintert, gewalzt
und in Draht gezogen. Die konstruktive Seite der Motoren
wicklung ist dann analog der in konventionel
len Kupferwicklungen bei Rotor/Stator. Für KFZ-An
wendungen haben sich in letzter Zeit Drehstrom-Asyn
chronmotoren herauskristallisiert, nachdem sich Gleich
stromreihenschluß- und Drehstrom-Synchron-
Motoren als zu schwer, zu teuer und in der Beschaltung (Fremd
erregung, Wechselrichter) als zu aufwendig erwiesen
haben. Der Elektromotor wird mit Solarzellen (Batterie,
Brennstoffzelle) gespeist, hat supraleitende Wicklungen und
ist mit Flüssigwasserstoff (20.4 K) gekühlt.
Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der thermo
dynamischen Kühlung (W. Peschka, Flüssi
ger Wasserstoff als Energieträger,
Springer Verlag Wien, New York, 1984, S. 22ff). Im T/s-Diagramm
wird die thermodynamische
Entropie durch die magnetische Entropie und die Isobaren
durch Linien gleicher magnetischer Feldstärke ersetzt. Das
Arbeitsmedium ist nicht mehr ein Gas, sondern ein magnetisches
Material, in unserem Fall ein Elektromagnet mit Wasserstoff-
gekühlter Supraleiter-Wicklung. Da das Ein-/Ausschalten
(Magnetisierung, Entmagnetisierung) eines Supraleiter-Ma
gneten mit hohen Verlusten behaftet ist, verwenden wir dafür
die natürlichen Gegebenheiten einer elektrischen Maschine -
das Drehfeld des Stators oder die Bewegung des Rotors (ma
gnetischer HTSL-Regenerator) im Magnetfeld des Stators. Der erzeugte
Flüssigwasserstoff dient sowohl der Supraleiter-Kühlung des
Elektromotors als auch als Kraftstoff des Flüssigwasserstoff-
Verbrennungsmotors.
Die Wasserstoff-KFZ-Aggregate mit Metall-Hydridspeicherung
erweisen sich gegenwärtig in der Handhabung als zu kompliziert
(Tanken-, Verbrennungsvorgang) und im Gewicht als zu schwer
(ein Aggregat von 280 kg hat ein Benzinäquivalent von nur
11 l). Bleibt also die Möglichkeit, Flüssigwasserstoff von
20.4 K zu speichern. Dies geschieht gegenwärtig in doppelwandi
gen vakuumisolierten Kryobehältern mit abgasgekühlter Isolation.
Über Elektropumpe und Verteilerrohr wird der Flüssigwasserstoff
aus dem Verbrennungskreislauf dem Elektromotor als Kühlmedium
zugeführt. Magnetokalorisch regeneriert wird der Flüssigwasser
stoff über den Druckregler wieder in den Kraftstofftank zurück
geführt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders
darin, einen Verbrennungsmotor und einen Supraleiter-Elektro
motor durch den Flüssigwasserstoff-Kreislauf zu koppeln, wobei
magnetokalorisch der Flüssigwasserstoff durch den Elektromotor
erzeugt wird. Als weitere elektrische Energiequellen können
Solarzellen, Batterie sowie Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Die Flüssigwasserstoff-Kopplung ist in den folgenden drei
Figuren dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 - HTSL-Magnetischer Carnot-Prozeß.
Der magnetische Carnot-Prozeß besteht aus zwei Isothermen
und zwei Isentropen. Entlang 1 → 2 erfolgt isotherme Magnetisie
rung bei der Temperatur T2 unter Wärmeabgabe des magnetisierten
Stators/Rotors des Supraleiter-Elektromotors. Durch Entmagne
tisierung (Umpolen von Drehfeld, Polrad) kommt es zur Abküh
lung auf T1. Nach Kontakt mit wärmerem Wasserstoff wird die
Entmagnetisierung unter Wärmeaufnahme isotherm von 3 → 4 beendet.
Fig. 2 - Aufbau der Nut der Statorwicklung.
Die Wicklung besteht aus supraleitendem Draht wie oben beschrie
ben der Zusammensetzung Tl-Ba-Ca-Cu oder Bi-Pb-Sr-Ca-Cu (6).
Die Wicklung besitzt einen Hohlraum (9), durch den der Flüssig
wasserstoff fließt. Die Wicklungsleiter sind durch die Leiter
isolation (7) voneinander isoliert und eingebettet in eine
Hülse, durch die ebenfalls Flüssigwasserstoff strömen kann (5).
Die Nut wird aufbereitet durch eine Nutauskleidung (4), abiso
liert mit der Deckisolation (3) und im Stator (2) von einem
Keil (1) abgeschlossen. Eine Zwischenlage (8) trennt die oberen
von den unteren Wicklungsleitungen.
Fig. 3 - Flüssigwasserstoff-Kopplung von Verbrennungsmotor
und Supraleiter-Elektromotor.
Der Ausgangspunkt ist der Flüssigwasserstoff-Tank (1). Über
eine Elektrokraftstoffpumpe (2) und das Verteilerrohr (4) wird
der Flüssigwasserstoff mittels des Einspritzventils (5) in den
Zylinder (7) gespritzt. Gleichzeitig leitet das Verteilerrohr
den Flüssigwasserstoff in die Kühlsysteme (11) von Stator und
Rotor des Supraleiter-Elektromotors. In Fig. 3 wurde dafür
eine Synchronmaschine gewählt, um für den magnetokalorischen
Prozeß auch die Rotorwicklungen zur Verfügung zu haben (10).
Der Dreiphasen-Stator (8) erzeugt das Drehfeld, in dem sich
die Polschuhe (9) des Rotors bewegen. Der regenerierte Flüssig
wasserstoff fließt über den Kraftstoffdruckregler (3) wieder
in den Tank zurück. Das Sammelsaugrohr (6) verbindet die
Flüssigwasserstoff-Einspritzungen der Zylinder miteinander.
Die Wechselrichterbrücke (12) setzt den Gleichstrom (Solar
zellen (13), Batterie (15), Brennstoffzelle (14)) in den
Dreiphasen-Wechselstrom zum Antrieb des Supraleiter-Syn
chronmotors um.
Claims (5)
1. Hybrid-Antriebsaggregat bestehend aus einem Hochtempe
ratur-Supraleiter-Elektromotor (8, 9, 10, 11) und einem Ver
brennungsmotor (5, 7), bei dem der Elektromotor mit demselben
Flüssigwasserstoff gekühlt wird, mit dem der Verbrennungs
motor betrieben wird.
2. Hybrid-Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Elektromotor über einen Wechselrichter (12)
von Solarzellen (13), Batterien (15) und/oder Brennstoffzel
len (14) angetrieben wird.
3. Hybrid-Antriebsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektromotor - angetrieben vom Ver
brennungsmotor - als Generator betreibbar ist.
4. Hybrid-Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor gleichzeitig
als magnetokalorischer Wasserstoff-Verflüssiger dient, der
den thermisch regenerierten Flüssigwasserstoff wieder in den
Kreislauf zurückführt.
5. Hybrid-Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Antrieb eines Kraft
fahrzeugs dient.
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