DE4040350C2 - Hybrid-Antriebsaggregat für KFZ bestehend aus photovoltaischen Zellen, Niedertemperatur- Supraleiter- Elektromotor/-Speicherspule und Flüssigwasserstoff- Verbrennungsmotor - Google Patents

Hybrid-Antriebsaggregat für KFZ bestehend aus photovoltaischen Zellen, Niedertemperatur- Supraleiter- Elektromotor/-Speicherspule und Flüssigwasserstoff- Verbrennungsmotor

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Description

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Antriebsaggregat, das sich - in hohem Maße regenerierend - aus transparenten strom­ liefernden Solarzellen, einem mit Solarstrom und Akkumulator angetriebenen Elektromotor, einem mit Flüssigwasserstoff be­ triebenen Verbrennungsmotor sowie aus einem Akkumulator, als elektromagnetische Spule aufgebaut, zusammensetzt. Der Elektromotor und die Spule, aus Niedertemperatur-Supralei­ tern gewickelt, werden mit demselben Flüssigwasserstoff ge­ kühlt mit dem der Verbrennungsmotor betrieben wird. Für die­ sen Anwendungsfall werden metallische Niedertemperatur-Su­ praleiter höherer Sprungtemperatur (höher als 18 K) gewählt (z. B. Nb3Sn, Nb3Al, Nb3Ge, Nb3Si). Dazu wird bei vermindertem Druck im Kryostaten von ca. 100 Torr der Siede­ punkt auf ca. 15 K herabgesetzt.
Stand der Technik bezüglich umweltfreundlicher paralleler Hybrid-Kfz-Antriebe ist das BMW 518i Hybrid-Aggregat, das aus einem Benzin-Verbrennungsmotor, einem Asynchron-Elektro- Motor/Generator und einer Nickel-Cadmium-Batterie besteht (MOT 4/1995 Seien 82 bis 85). Die Elektrostufe kann autonom betrieben werden oder dem Verbrennungsmotor-Betrieb zugeschaltet werden und damit einen Zusatzschub im unteren und mittleren Drehzahlbereich erreichen. Im Teillastbereich des Verbrennungs­ motors wird der Elektromotor als Generator zugeschaltet und die Batterie aufgeladen.
Die Erfindung dient dem Zweck, ein mobiles Antriebsaggregat für vorzugsweise Kraftfahrzeuge zu schaffen, das extrem um­ weltfreundlich ist, da es nur mit Solarstrom und Wasserstoff betrieben wird. Durch die Wechselseitigkeit des Energie­ kreislaufes (der Flüssigwasserstoff kann auch vom Elektro­ motor magnetokalorisch hergestellt werden) kann der Energie­ haushalt minimiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, metallische Nie­ dertemperatur-Supraleiter höherer Sprungtemperatur in Gestalt eines Flüssigwasserstoff-gekühlten Elektromotors mit einem Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor bei vermin­ dertem Druck und reduziertem Siedepunkt des Wasserstoffs zu kombinieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die folgenden fünf Elemente energetisch im regenerativen Kreis­ lauf wie folgt gekoppelt werden.
1. Photovoltaische Zellen -
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 - Monokristal­ lin, 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 über 15% bei 1 kW/m2, AM 1.5, 25C sind gegenwärtig kommerziell verfügbar. Für das KFZ-Sonnendach wird jedoch eine transparente (durchsichtige) amorphe Technik vorgeschlagen, mit der autark im Stand z. B. ein Gebläse angetrieben werden kann (ca. 10 bis 14 V, 1.0 bis 1.5 A, 14 bis 20 W).
2. Niedertemperatur-Supraleiter-Elektromotor -
Metallische Niedertemperatur-Supraleiter mit höherer kri­ tischer Temperatur (Sprungtemperatur) wie z. B. Nb3Sn (18 K bei atmosphärischem Druck, geringer Stromdichte und magneti­ schem Feld), Nb3Al, Nb3Ge, Nb3Si werden gewöhnlich zu opti­ malem Betrieb mit Flüssighelium (4.2 K bei atmosphärischem Druck) gekühlt. Da aber bei einem Flüssigwasserstoff-ge­ koppelten KFZ-Antriebsaggregat Flüssigwasserstoff-Kühlung für den Supraleiter-Elektromotor zur Verfügung steht, muß die Siedetemperatur des Wasserstoffs der Sprungtemperatur des Supraleiters angepaßt werden. Es wird daher ein vermin­ derter Druck im Kryostaten von ca. 100 Torr vorgeschlagen, der den Siedepunkt des Wasserstoffs von 20.4 K (atmosphä­ rischer Druck) auf ca. 15 K senkt. Diese Temperatur liegt um ca. 3 K unterhalb der Sprungtemperatur von z. B. Nb3Sn und um ca. 8 K unterhalb der Sprungtemperatur von z. B. Nb3Ge, so daß noch durchschnittliche Stromdichten bei angelegtem magnetischen Feld erreicht werden können. Diese Werte entsprechen den neuesten für Ag-ummantelte BiPbSrCaCuO-Hochtemperatur-Supraleiter-Werte bei 77.3 K Flüssigstickstoff (ca. 5 × 104 A/cm2, ohne angelegtes Feld, 3 × 104 A/cm2 bei 0.1 Tesla, 1 × 104 A/cm2 bei 1 Tesla). Der Vorteil liegt also darin, daß bei diesem Aggregat derselbe Flüssigwasserstoff für die Kühlung von Nieder-/Hohtemperatur-Supraleiterwicklun­ gen wie für den Betrieb des Verbrennungsmotors verwendet werden kann.
Für KFZ-Anwendungen haben sich in letzter Zeit Drehstrom- Asynchronmotoren herauskristallisiert, nachdem sich der Gleich­ stromreihenschluß- und Drehstrom-Synchron-Motor als zu schwer, zu teuer und in der Beschaltung (Fremderregung, Wechselrichter) als zu aufwendig erwiesen haben (R. Reichel, Neue Entwicklungen bei Antrieben für Solarmobile). Der Elek­ tromotor wird mit Solarzellen und Akkumulator (Supraleiten­ de Spule) gespeist, hat Niedertemperatur-Supraleiter-Wick­ lungen und ist mit Flüssigwasserstoff (ca. 15 K bei ca. 100 Torr) gekühlt. Verdampfender Wasserstoff kann mittels Elektro­ motor/Spule magnetokalorisch wieder verflüssigt werden.
3. Magnetokalorischer Wasserstoff-Verflüssiger -
Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der ther­ modynamischen Kühlung (W. Peschka, Flüssiger Wasserstoff als Energieträger). Im T/s-Diagramm wird die thermodynami­ sche Entropie durch die magnetische Entropie und die Iso­ baren durch Linien gleicher magnetischer Feldstärke ersetzt. Das Arbeitsmedium ist nicht mehr ein Gas, sondern ein magne­ tisches Material, in unserem Fall ein Elektromagnet mit Wasserstoff-gekühlter Supraleiter-Wicklung. Da das Ein-/­ Ausschalten (Magnetisierung, Entmagnetisierung) eines Supraleiter-Magneten mit hohen Verlusten behaftet ist, verwenden wir dafür die natürlichen Gegebenheiten einer elektrischen Maschine - das Drehfeld des Stators oder die Bewegung des Rotors (magnetischer Regenerator) im Magnet­ feld des Stators. Der erzeugte Flüssigwasserstoff dient sowohl der Supraleiter-Kühlung des Elektromotors als auch als Kraftstoff des Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotors.
4. Flüssigwasserstoff-Verbrennungsmotor -
Die Wasserstoff-KFZ-Aggregate mit Metall-Hydrid-Spei­ cherung erweisen sich gegenwärtig in der Handhabung als zu kompliziert (Tanken, Verbrennungsvorgang) und im Gewicht als zu schwer (ein Aggregat von 280 kg hat ein Benzinäqui­ valent von nur 11 l). Bleibt also die Möglichkeit, Flüssig­ wasserstoff von 20.4 K bei atmosphärischem Druck oder - wie vorgeschlagen - von ca. 15 K bei ca. 100 Torr vermindertem Druck zu speichern. Dies geschieht gegenwärtig in doppel­ wandigen vakuumisolierten Kryobehältern mit abgasgekühlter Isolation. Über Elektropumpe und Verteilerrohr wird der Flüssigwasserstoff aus dem Verbrennungskreislauf dem Elektro­ motor als Kühlmedium zugeführt. Magnetokalorisch regeneriert wird der Flüssigwasserstoff über den Druckregler wieder in den Kraftstofftank zurückgeführt.
5. Niedertemperatur-Supraleiter-Akkumulator -
Bei der Flüssigwasserstoff-Kopplung des KFZ-Antriebsaggre­ gats kann zur Energiespeicherung eine Niedertemperatur- Supraleiter-Spule (oder Hohlzylinder) eingesetzt werden. Wie die Elektromotoren-Wicklungen, so werden auch die Spu­ lenwicklungen - bestehend aus metallischen Niedertemperatur- Supraleitern - mit demselben Flüssigwasserstoff bei 15 K und 100 Torr gekühlt mit dem der Verbrennungsmotor betrieben wird. Im Motorbetrieb des Elektromotors liefert die Spule gespeicherte elektrische Energie an den Elektromotor. Im Generatorbetrieb (bei Antrieb durch den Flüssigwasserstoff- Verbrennungsmotor) lädt der Elektromotor die Speicherspule wieder auf. Der Motorbetrieb findet im umweltfreundlichen Stadtverkehr, der Generatorbetrieb im Überlandverkehr des KFZ statt.
Die Flüssigwasserstoff-Kopplung ist in den folgenden zwei Figuren dargestellt.
Fig. 1 - Flüssigwasserstoff-Kopplung von Niedertemperatur- Supraleiter-Spule, Niedertemperatur-Supraleiter-Elektri­ scher Maschine (Motor/Generator) und Verbrennungsmotor.
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 Vertei­ lerrohr den Flüssigwasserstoff in die Kühlungsräume (Kry­ ostaten, 15 K, 100 Torr) (11, 18, 19) von Stator/Rotor des Niedertemperatur-Supraleiter-Elektro-Motors/Generators sowie der Niedertemperatur-Supraleiter-Spule. Der Flüssig­ wasserstoff des Rotors wird in die Rotorwicklung (10) ge­ führt. Der Dreiphasenstator (8) der Synchronmaschine erzeugt das Drehfeld, in dem sich die Polschuhe (9) des Rotors be­ wegen. Der durch den magnetischen Carnot-Prozeß regenerier­ te Flüssigwasserstoff fließt über den Kraftstoffdruckregler (3) wieder in den Tank zurück. Das Sammelsaugrohr (6) ver­ bindet die Flüssigwasserstoff-Einspritzungen der Zylinder miteinander. Im Fall des Stadtverkehrs gilt der Motor-Be­ trieb (15) der Synchronmaschine (System 1). Die elektrische Energie ist in der Spule (18) gespeichert. Zusätzliche Ener­ gie kann von den photovoltaischen Zellen (13) geliefert werden. Die Wechselrichterbrücke (12) setzt den Gleich­ strom in den Dreiphasen-Wechselstrom zum Antrieb des Niedertemperatur-Supraleiter-Synchronmotors um. Im Fall des Überlandverkehrs gilt der Generator-Betrieb (14) der Synchronmaschine (System 2). Die supraleitende Spule (19) wird zusätzlich zum Aufladen aus dem Netz von der Synchron­ maschine (Generatorbetrieb) über den Wechselrichter (12) und die Schalter (17, 16) aufgeladen.
Fig. 2 - Magnetischer Carnot-Prozeß -
Der magnetische Carnot-Prozeß besteht aus zwei Isothermen und zwei Isentropen. Entlang 1 → 2 erfolgt isotherme Mag­ netisierung bei der Temperatur T2 unter Wärmeabgabe des magnetisierten Stators/Rotors der supraleitenden elektri­ schen Maschine und der supraleitenden Spule. Durch Entmag­ netisierung 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. Hybrid-Antriebsaggregat bestehend aus einem Niedertemperatur-/­ Hochtemperatur-Supraleiter-Elektromotor/Generator, einer Niedertemperatur-/Hochtemperatur-Supraleiter-Speicherspule als Akkumulator und einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeich­ net, daß Supraleiter-Elektromotor/Generator und Supraleiter- Spule mit demselben Flüssigwasserstoff bei vermindertem Druck von ca. 100 Torr und reduzierter Temperatur von ca. 15 Kelvin gekühlt werden mit dem der Verbrennungsmotor betrieben wird.
2. Hybrid-Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es vorzugsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient.
3. Hybrid-Antriebsaggregat nach Anspruch 1 bestehend aus Supraleiter-Elektromotor/Generator, Supraleiter-Speicher- Spule, Photovoltaik, Batterie und Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stadtverkehr der Elektromotor von Speicherspule, Batterie und photovoltaischen Zellen gespeist wird, während beim Überlandverkehr Speicherspule und Batterie im Generatorbetrieb wieder aufgeladen werden.
4. Hybrid-Antriebsaggregat nach Anspruch 1 bestehend aus Supraleiter-Elektromotor/Generator, Supraleiter-Speicher- Spule und Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter-Speicherspule durch einen Supraleiter- Hohlzylinder ergänzt oder ersetzt werden kann.
5. Hybrid-Antriebsaggregat-Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, ausgerüstet mit einem transparenten Solardach bestehend aus durchsichtiger amorpher Dünnschicht-Photovoltaik, dadurch gekennzeichnet, daß von der Photovoltaik angetriebene Supraleiter-Gebläse - und sonstige - Motoren Flüssigwasser­ stoff gekühlt sind.
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