DE3920680C2 - Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)-Energiespeicher-Spule (als elektromagnetischer Kfz-Akkumulator und EVU-Netz-Speicher) für Hybrid-Aggregat mit Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor, Supraleiter-Motor/Generator, photovoltaischen Zellen - Google Patents

Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)-Energiespeicher-Spule (als elektromagnetischer Kfz-Akkumulator und EVU-Netz-Speicher) für Hybrid-Aggregat mit Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor, Supraleiter-Motor/Generator, photovoltaischen Zellen

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Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Energie­ speicher in Gestalt einer Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)- Spule, die mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt wird, mit dem der Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor des Hybrid- Aggregats betrieben wird.
Die Erfindung dient dem Zweck, die folgenden beiden Energie- Speicher-Systeme zu schaffen, die extrem umweltfreundlich sind, da sie - außer dem Netz - nur mit Solarstrom und Wasser­ stoff (der bei der Verbrennung zu Wasser oxidiert) betrieben werden. Durch die Wechselseitigkeit des Energiekreislaufs (der Flüssigwasserstoff kann auch vom Energiespeicher mag­ netokalorisch hergestellt werden) kann der Energiehaushalt minimiert werden.
Energie-Speicher-System 1
Ein elektromagnetischer Kfz-Akkumulator (Batterie) im Hybrid-Betrieb mit Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor, Supraleiter-Elektromotor und photovoltaischen Zellen.
Energie-Speicher-System 2
Netz-Speicher im Hybrid-Betrieb mit photovoltaischen Zellen und Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor als Not­ stromaggregat (Diesel-Ersatz), vorzugsweise zur Spitzenstrom­ erzeugung und zur Speicherung regenerativer Energien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entdeckung des Hochtemperatur-Supraleiters (1986 IBM Rüschlikon, Schweiz) in Gestalt einer Flüssigwasserstoff-gekühlten Speicher-Spule (Elektromotor) mit einem Flüssigwasserstoff- Verbrennungsmotor zu kombinieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die folgenden 4 (3) Elemente im energetischen Kreislauf wie folgt gekoppelt werden.
1. Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter-Spule
Die magnetische Energiedichte ist gegeben durch die Formel
woraus zu ersehen ist, daß alle ferromagnetischen Werkstoffe wegen der hohen Permeabilität zum Bau magnetischer Energie­ speicher ausscheiden. Eine wirtschaftliche Flußdichte sollte mindestens 4 bis 5 Tesla erreichen. Bei einem Spulenstrom i ist die gespeicherte magnetische Energie im felderfüllten Raum
Die veröffentlichten Wirkungsgrade liegen zwischen 80% und 90% (H.W. Lorenzen et al. "Energiespeicherung mit supralei­ tenden Spulen", BWK, Bd. 40 (1988) Nr. 9, September). Durch die Nobelpreis-würdige Entdeckung von Müller/Bednorz 1986 ist - seit der Erfindung der Supraleitfähigkeit (widerstandslose Leitung, 1911) - zum erstenmal die Möglichkeit gegeben, Supraleitung erheblich oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273.2 C = 0 K) zu realisieren. Statt des teuren Heliums (4.2 K Siedepunkt, Niobverbindungen-Supraleiter) können heute z. B. Flüssigstickstoff (77.3 K) aber auch Flüssigwasser­ stoff (20.4 K) als Kühlmedium für supraleitende Hochtempe­ ratur-Keramiken verwendet werden. Der gegenwärtige Stand der Technik für Spulen-Wicklungen sind Zusammensetzungen aus Tl-Ba-Ca-Cu-O (Übergangstemperatur 125 K) und Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (107 K). Nur damit glaubt man, die erforderliche Stromdichte von 105A/cm2 erreichen zu können (Sumitomo Electric, Current News, No. 19). Neben der Übergangstemperatur führt auch ein Überschreiten der kritischen Stromdichte oder des kritischen magnetischen Feldes zu einem Zusammenbruch der Supraleitung, wogegen konstruktiv Vorsorge getroffen werden muß. Das Pulver obiger Zusammensetzungen wird in Silber- (oder an­ dere Sauerstoff-abstoßende Metalle)-Röhrchen verbracht, ge­ sintert, gewalzt und als Draht gezogen. Aus diesem Draht wird die kernlose Spule gewickelt und in einem Kryostat mit Flüssigwasserstoff gekühlt (20.4 K).
2. HTSL-Magnetokalorischer Wasserstoff-Verflüssiger
Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der thermodynamischen Kühlung (W.Peschka, Flüssiger 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 magne­ tisches Material, in unserem Fall die elektro-magnetischen Eigenschaften von Rotor und Stator des Supraleiter-Elektro­ motors oder die der Supraleiter-Spule. Der erzeugte Flüssig­ wasserstoff dient sowohl der Supraleiter-Kühlung von Spule (und Elektromotor) als auch als Kraftstoff des Flüssigwasser­ stoff-Verbrennungsmotors.
3. Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor
Die Wasserstoff-Kfz-Aggregate mit Metall-Hydrid-Speicherung erweisen sich gegenwärtig in der Handhabung als zu kompli­ ziert (Tanken, Verbrennungsvorgang) und im Gewicht als zu schwer (ein Aggregat von 280 kg hat ein Benzinäquivalent von nur 11 l). Bleibt also die Möglichkeit, Flüssigwasser­ stoff von 20.4 K zu speichern. Über Elektropumpe und Ver­ teilerrohr wird der Flüssigwasserstoff aus dem Verbrennungs­ kreislauf dem Elektromotor als Kühlmedium zugeführt. Magne­ tokalorisch regeneriert wird der Flüssigwasserstoff über den Druckregler wieder in den Kraftstofftank zurückgeführt. Im Fall des Energie-Speicher-Systems 2 wird der Flüssig­ wasserstoff-Verbrennungsmotor als Notstromaggregat (Diesel- Ersatz) verwendet, Wasserstoff-gekoppelt mit der Kühlung der Speicher-Spule.
4. Photovoltaische Zellen
Für den mobilen Antriebsaggregat-Bereich (System 1) und für die zu speichernde Solarenergie-System 2) stehen gegen­ wärtig drei verschiedene Silicium-Solar-Zellen-Technologien zur Verfügung, die sich in der Anwendung prinzipiell durch Wirkungsgrad, Lebensdauer, Preis unterscheiden - Monokristallin, Polykristallin, Amorph. Obgleich die monokristalline Technik in der Herstellung am teuersten ist, ist ihr Einsatz im mobilen Bereich (System 1) unumgänglich, da - aus Platzgründen - ein maximaler Wirkungsgrad pro Fläche bei optimaler Lebens­ dauer verlangt wird. Zellenwirkungsgrade von ca. 15% bei 1 kW/m2, Air Mass 1.5, 25 C sind gegenwärtig kommerziell verfügbar. Für stationäre Anwendungen (System 2) sind zu­ sätzlich auch polykristalline Zellen mit Zellenwirkungs­ graden von gegenwärtig ca. 10% bei 1 kW/m2, Air Mass 1.5, 25 C bei größerem Platzbedarf einsetzbar.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders darin, einen Verbrennungsmotor mit einem Hochtemperatur- Supraleiter-Energiespeicher durch den Flüssigwasserstoff- Kreislauf zu koppeln, wobei magnetokalorisch der Flüssig­ wasserstoff auch durch den Spulen-Speicher oder durch den Elektromotor erzeugt werden kann. Als weitere elektrische Energiequellen können Solarzellen, Batterie sowie Brennstoff­ zellen eingesetzt werden.
Die Flüssigwasserstoff-Kopplung ist in den folgenden zwei Figuren dargestellt.
Fig. 1 Flüssigwasserstoff-Kopplung von supraleitendem Ener­ giespeicher, supraleitender elektrischer Maschine und Ver­ brennungsmotor:
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 Ver­ teilerrohr den Flüssigwasserstoff in die Kühlungsräume (Kryostaten) (11 und 18, 19) von Stator/Rotor des Supraleiter- Elektro-Motors/Generators sowie der Energiespeicher-Spulen. Der Flüssigwasserstoff des Rotors wird in der Rotorwicklung (10) geführt. Der Dreiphasen-Stator (8) der Synchronmaschine erzeugt ein Drehfeld, in dem sich die Polschuhe (9) des Rotors bewegen. Der durch den magnetischen Carnotprozeß regenerierte Flüssigwasserstoff fließt über den Kraftstoff­ druckregler (3) wieder in den Tank zurück. Das Sammelsaug­ rohr (6) verbindet die Flüssigwasserstoff-Einspritzungen der Zylinder miteinander. Im Fall des Kfz-Akkumulators gilt der Motor-Betrieb (15) der Synchronmaschine (System 1). Für den Kfz-Betrieb wird die elektrische Energie aus dem Netz oder den photovoltaischen Zellen (13) in der supralei­ tenden Spule (18) gespeichert. Die Wechselrichterbrücke (12) setzt den Gleichstrom in den Dreiphasen-Wechselstrom zum Antrieb des Supraleiter-Synchronmotors um. Im Fall des EVU- Netz-Speichers gilt der Generator-Betrieb (14) der Synchron­ maschine (System 2). Die supraleitende Spule (19) gibt ihre auch mit Hilfe von photovoltaischen Zellen gespeicherte elektrische Energie als z. B. Spitzenstrom über den Wechsel­ richter (12) und den Schalter (17) an das Dreiphasennetz ab. Da für den Netzspeicherbetrieb immer ein Notstromaggregat vorhanden sein muß, verwenden wir dafür den Wasserstoff- Verbrennungsmotor (anstelle eines Diesel-Motors) gekoppelt mit einem supraleitenden Generator, der mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt wird, mit dem der Verbrennungs­ motor angetrieben wird. Die Speicher-Spule (19) ist an den­ selben Flüssigwasserstoff-Kreislauf angeschlossen. Im Not­ stromaggregat-Betrieb wird der Schalter (17) vom Netz ge­ trennt und der Schalter (16) eingelegt.
Fig. 2 Magnetischer Carnot-Prozeß:
Der magnetische Carnot-Prozeß besteht aus zwei Isothermen und zwei Isentropen. Entlang 1→2 erfolgt isotherme Magne­ tisierung bei der Temperatur T2 unter Wärmeabgabe des mag­ netisierten Stators/Rotors der supraleitenden elektrischen Maschine und der supraleitenden Spule. Durch Entmagnetisierung kommt es zur Abkühlung auf T1. Nach Kontakt mit wärmerem Wasserstoff wird die Entmagnetisierung unter Wärmeaufnahme isotherm von 3→4 zu Ende geführt.

Claims (5)

1. Eine Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)-Energiespeicher-Spule als elektromagnetischer Kfz- Akkumulator (Batterie) und elektromagnetischer EVU-Netz- Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß Kfz-Akkumulator und EVU-Netzspeicher mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt werden, mit dem der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs und des EVU-Notstromaggregats betrieben wird.
2. Eine Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter- Energiespeicher-Spule nach Anspruch 1 vorzugsweise für Kfz-Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie­ speicher-Spule elektromagnetische Energie für einen Hoch­ temperatur-Supraleiter-Elektromotor bereitstellt, der mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt wird mit dem der Ver­ brennungsmotor betrieben wird.
3. Eine Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter Energiespeicher-Spule nach Anspruch 1 vorzugsweise als elektromagnetischer EVU-Netzspeicher, dadurch gekennzeich­ net, daß bei eingeschränktem Betrieb oder Betriebsausfall der Spule (Quench) ein Flüssigwasserstoff-Notstromaggregat bestehend aus Verbrennungsmotor und Supraleiter-Elektro­ generator, elektrische Energie zur Abgabe an das Netz ergänzt oder ersetzt.
4. Eine Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter- Energiespeicher-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeicher-Spule zusammen mit dem Hochtempe­ ratur-Supraleiter-Motor/Generator gleichzeitig als magneto­ kalorischer Wasserstoff-Verflüssiger dienen und den thermisch regenerierten Flüssigwasserstoff wieder in den Kreislauf zurückführen.
5. Eine Flüssigwasserstoff-Hochtemperatur-Supraleiter- Energiespeicher-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeicher-Spule von photovoltaischen Zellen, Batterie oder Brennstoffzelle gespeist wird.
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