EP2526177A2 - Emissionsfreie vorrichtungen und verfahren zur verrichtung mechanischer arbeit und zur erzeugung von elektrischer und thermischer energie - Google Patents

Emissionsfreie vorrichtungen und verfahren zur verrichtung mechanischer arbeit und zur erzeugung von elektrischer und thermischer energie

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EP2526177A2
EP2526177A2 EP11701082A EP11701082A EP2526177A2 EP 2526177 A2 EP2526177 A2 EP 2526177A2 EP 11701082 A EP11701082 A EP 11701082A EP 11701082 A EP11701082 A EP 11701082A EP 2526177 A2 EP2526177 A2 EP 2526177A2
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EP
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stage
exhaust gases
oxygen
carbon dioxide
combustion chamber
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    • F23J15/006—Layout of treatment plant
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    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
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    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
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    • C10J3/64—Processes with decomposition of the distillation products
    • C10J3/66—Processes with decomposition of the distillation products by introducing them into the gasification zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/04—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by cooling to condense non-gaseous materials
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/03—Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0969—Carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for performing mechanical work and for generating electrical and thermal energy, and systems for the supply of fuel to mobile and stationary devices.
  • carbon dioxide is an inevitable end product of the combustion process. It has long been known that carbon dioxide has very negative effects on the earth's apparent weight and contributes greatly to man-made climate warming. The avoidance of carbon dioxide emissions is therefore very desirable.
  • Electrically powered vehicles are emission-free at least locally.
  • the accumulator systems available today are still very heavy or the energy density too low, which limits the achievable maximum range.
  • battery-powered vehicles continue to be inferior to vehicles with chemical trails in terms of recharge time or refueling time.
  • fuel cell systems have been developed to produce electric power to power electrically powered vehicles.
  • electricity is generated electrochemically from hydrocarbon-based fuels and atmospheric oxygen. Again, however, results as a reaction product carbon dioxide.
  • the object of the invention is to provide devices and methods for performing mechanical work and / or for the production of electrical and / or thermal energy to set Stel, which do not have the above-mentioned and other Goodei le.
  • a device or such a method should have greatly reduced emissions or no emissions.
  • Another object of the invention is to provide an apparatus and a method which allow to capture and store accumulated carbon dioxide and other emissions efficiently for further use, disposal or recycling.
  • Another object of the invention is to provide an apparatus and a method which can be operated with a closed circuit.
  • an inventive device, devices, machinery and equipment that are operated with such devices, in particular mobi le and stationary machinery and equipment, a method according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical and / or. or thermal energy, a refueling system according to the invention, a system for supplying fuel to mobile and static machines and plants, and a method according to the invention for supplying one or more customers with fuel, according to the independent claims. Further advantageous embodiments are given in the dependent claims. Presentation of the invention
  • the energy required for operation from the oxidation of carbonaceous operating materials is related to an exhaust gas essentially consisting of carbon dioxide and water.
  • An apparatus for compressing and / or condensing the exhaust gas is provided.
  • a memory serves to receive the compressed and / or condensed exhaust gas.
  • Such a device according to the invention can be operated with oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, and / or with pure oxygen as the oxidation agent.
  • a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow Before and / or after the device for compression and / or condensation of the exhaust gas, a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow can be provided.
  • Another embodiment of a device according to the invention has a device for condensing and / or separating water from the exhaust gas.
  • An apparatus according to the invention can be designed as a fuel cell, as a heat engine, for example as a piston engine or turbine, or as a heating device.
  • An embodied as a heat engine embodiment of an inventive device is advantageously an internal combustion engine, with at least one combustion chamber for combustion of fuel with oxygen-enriched air or pure oxygen, with means for converting the resulting gas pressure or Casvolumens into mechanical work, with a feed device for introducing oxygen in the combustion chamber, and with an outlet device for removing the exhaust gases from the combustion chamber. Downstream of the outlet device are a compressor for compressing the Exhaust gases and / or a condensation device for tei-wise condensation of the exhaust gases provided.
  • a further variant of such an apparatus according to the invention has a supply device for introducing water into the combustion chamber and / or into the exhaust gas flow after it leaves the combustion chamber.
  • An embodiment of a device according to the invention embodied as a heating device has at least one combustion chamber for combustion of oxygen-enriched air or pure oxygen, means for transferring the resulting thermal energy to a fluid heat transfer medium, a supply device for introducing oxygen into the combustion chamber, and an outlet device for removal the exhaust gases from the combustion chamber. Downstream of the outlet device, a compressor for compressing the exhaust gases and / or a condensation device for partially condensing the exhaust gases are provided downstream of the outlet device.
  • An inventive machine in particular a mobile or stationary machine, and inventive device or system for heating buildings, in particular a heating center, comprises such a device according to the invention.
  • An inventive refueling system for refueling a mobile machine or plant with an inventive device with gaseous or liquid operating materials has means for removing compressed gases, in particular carbon dioxide, from a memory of the mobi len machine.
  • such a refueling system also means for refueling the mobi len machine or system with oxygen or oxygen-enriched air.
  • a supply system according to the invention for supplying one or more customers with gaseous and / or liquid operating materials has a first supply network for transporting the supplies to the customers, one or more production facilities and / or one or more first storage facilities.
  • a second recycling network is used for the return transport of exhaust gases, in particular carbon dioxide, from the customers to one or more production facilities and / or one or more second storage facilities.
  • the energy required for operation from the oxidation of carbonaceous operating materials is related to an exhaust gas essentially consisting of carbon dioxide and water.
  • the resulting in the oxidation reaction exhaust gases are compressed and / or condensed and collected in a memory.
  • oxygen-enriched air preferably with an oxygen content of> 95%, or pure oxygen is used as the oxidizing agent.
  • oxygen-enriched air preferably with an oxygen content of> 95%, or pure oxygen is used as the oxidizing agent.
  • the compressed exhaust gases are cooled before and / or after the compression and / or condensation.
  • water is condensed out and / or separated from the exhaust gases.
  • a process according to the invention is carried out with a fuel cell or a heat engine or a heating device.
  • the operating materials are processed by a process for the thermal-chemical utilization of prepared carbonaceous starting materials, in which in a first stage, the carbonaceous starting materials are pyrolyzed, with pyrolysis and pyrolysis arise pyrolysis.
  • the pyrolysis coke from the first stage is gasified, producing synthesis gas, and slag and other residues are left over and removed.
  • the synthesis gas from the second stage is converted into the feedstock; wherein excess recycle gas from the third stage is directed to the first stage and / or the second stage.
  • the three stages form a closed loop.
  • At least a portion of the exhaust gases is utilized in a process for the thermal-chemical utilization of carbonaceous starting materials in which the carbonaceous starting materials are pyrolyzed in a first stage, resulting in pyrolysis coke and pyrolysis gas.
  • a second stage the pyrolysis coke from the first stage is gasified, producing synthesis gas, and slag and other residues are left over and removed.
  • the synthesis gas from the second stage is converted into the feedstock; wherein excess recycle gas from the third stage is directed to the first stage and / or the second stage.
  • the three stages form a closed loop.
  • the exhaust gases are fed to the first stage and / or the second stage and / or the third stage.
  • the exhaust gases are fed into the recycle gas.
  • the customers are provided with a first supply network supplied with gaseous and / or liquid fuels from one or more production facilities and / or from one or more first storage.
  • a second feedback network at least a portion of the exhaust gases, in particular carbon dioxide, produced during the drive process are returned by the customers to one or more production facilities and / or to one or more second storage facilities.
  • the drive energy for the current generator is generated by a method according to the invention discussed above.
  • FIG. 1 shows schematically a device according to the invention in combination with a plant for the thermal-chemical utilization of carbon-containing substances, wherein a substantially closed material cycle is obtained.
  • FIG. 2 shows schematically a variant of a device according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of a device according to the invention designed as an internal combustion engine.
  • FIG. 4 schematically shows another embodiment of a device according to the invention designed as an internal combustion engine.
  • FIG. 4A schematically shows a device according to the invention designed as a combined gas / steam turbine.
  • FIG. 5 schematically shows a device according to the invention in a vehicle, as well as a possible embodiment of a closed circuit for the fuel supply of such a vehicle with a device according to the invention, in conjunction with a return system for carbon dioxide.
  • FIG. 6 shows schematically a possible embodiment of a supply network for gaseous fuels in connection with a return system for carbon dioxide, for carrying out the supply method according to the invention.
  • an inventive device 1 for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy related to the operation of energy from the oxidation of carbonaceous fuels to an exhaust gas.
  • the exhaust gases produced during the oxidation reaction are compressed and / or condensed and collected in a storage tank.
  • the utilization of the chemical energy is thermo-chemical or electrochemically.
  • inventive method devices 1 have a closed circuit, that is, there are emissions into the atmosphere.
  • anfal loiny residues such as carbon dioxide
  • the stored gas mixture essentially contains only carbon dioxide and optionally water.
  • the carbon dioxide is regularly transferred to a suitable larger storage device for further use.
  • this recycling of the carbon dioxide takes place at the same time, for example, with the refueling of a vehicle.
  • the stored carbon dioxide is partially or completely recycled.
  • Applicant's International Application No. PCT / EP201 0/067847 discloses a method and an apparatus 6 for the thermal-chemical processing and utilization of carbonaceous substances.
  • a system 6 is schematically and greatly simplified dargestel lt.
  • a substantially closed closed circuit in the plant 6 carbonaceous starting material 27 is converted into hydrocarbons 20 and hydrocarbon derivatives.
  • a first stage 61 a and second stage 61 b the carbonaceous starting material 27 is converted into synthesis gas mixture 65.
  • the carbonaceous substances are supplied and pyrolyzed, pyrolysis coke 63 and pyrolysis gas 64 being formed.
  • the pyrolysis coke 63 is gasified from the first stage, wherein synthesis gas mixture 65 is formed, and slag and other residues remain.
  • a third stage 62 hydrocarbons and other valuable substances 20 which can be used elsewhere are produced from the synthesis gas mixture 65.
  • the remaining after the synthesis step 62 return gas mixture 66 contains substantially carbon dioxide, and is passed as a gasification agent back into the first stage. All three stages are pressure-tight and form a substantially closed circuit.
  • solid, liquid or gaseous substances can be efficiently converted into gaseous or liquid fuels 20.
  • the system 6 generates thermal energy in the form of process steam (not shown).
  • the hydrocarbonaceous fuels produced in the synthesis step 62 are preferably stored 81, in tanks or accumulators.
  • a device 1 according to the invention advantageously uses gaseous or liquid hydrocarbons and hydrocarbon derivatives 20 from the plant 6 as the fuel, which are taken from the reservoir 81.
  • the thermal or electrical energy generating oxidation reaction takes place with oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, or with pure oxygen 22, instead of air.
  • the oxygen is advantageously carried in a pressure tank.
  • An apparatus 1 according to the invention can be, for example, an internal combustion engine in which the heat produced during the oxidation reaction is converted into mechanical work in a heat engine, or a fuel cell in combination with an electric motor in which the oxidation reaction is used directly for power generation.
  • the use of pure oxygen 22 instead of air avoids the formation of nitrogen oxides due to the absence of atmospheric nitrogen in a thermal-chemical reaction at high temperatures. Most importantly, however, only residual carbon dioxide 24 and water vapor 23 remain in the resulting reaction products 21. Depending on the stoichiometry of the reaction, the resulting gases may also contain certain amounts of carbon monoxide and unreacted fuel. However, these can subsequently be aftertreated analogously to the carbon dioxide.
  • the reaction products 21 of the energy-producing reaction are essentially gaseous. The corresponding gas mixture is now compressed to reduce the volume. With the aid of a heat exchanger, the gas mixture 21 is cooled before and / or after the compression, as a result of which it continues to lose volume.
  • Water is condensed out, whereby the volume of the gas mixture is further reduced further and only carbon dioxide 24 remains in the gas mixture, optionally with proportions of carbon monoxide and unreacted operating material.
  • the condensed water 23 is separated.
  • the carbon dioxide 24 may be intermediately stored in a suitable reservoir, for example a pressure tank.
  • the carbon dioxide 24 is again the first stage 61 a of the system 6 supplied, so that there is a closed material cycle for the carbon dioxide.
  • a buffer 82 for the carbon dioxide-containing exhaust gas 24 may be provided.
  • a portion of the stored carbon dioxide may also be deposited in a manner such that it can not permanently enter the atmosphere.
  • Corresponding technologies for permanent long-term storage of carbon dioxide are currently being developed worldwide. For example, the final disposal of carbon dioxide by pumping it into empty oil and gas fields is being tested.
  • FIG. 1 Another, more generalized variant of a device 1 according to the invention for carrying out the method according to the invention is shown schematically in FIG.
  • Such an inventive internal combustion engine 1 can easily be operated in combined operation with hydrogen 25 as further fuel. In such a case, the hydrogen fraction leads to a reduction in the amount of residual gas arising after the heat exchanger and compressor, since in the oxidation of hydrogen with oxygen in any case only water is produced.
  • water 23 can be used as an additional expansion medium in an advantageous variant of such an apparatus according to the invention or of such a method.
  • a certain amount of water injected into the cylinder Zyl is then evaporated by the heat energy of the exothermic oxidation reaction.
  • the resulting gas pressure or Casvolumenzuwachs due to the water vapor thus contributes to the generation of kinetic energy, at the same time the temperature of the Ceticiangemischs of combustion exhaust gases and water vapor decreases.
  • this is unproblematic or even desirable because due to the higher energy density of a reaction with pure oxygen wesentl I higher reaction temperatures arise, which improves the thermodynamic efficiency, but can also load the parts of an inventive device 1 more.
  • the water can also be introduced as steam.
  • a certain amount of liquid water can also be mixed with the liquid material.
  • superheated steam acts as an additional oxidant besides oxygen.
  • the mode of operation of a method according to the invention is described and explained in more detail below using the example of a drive device 1 according to the invention in the form of a piston motor.
  • devices according to the invention designed as internal combustion engines can also be designed, for example, as turbines or rotary engines, etc.
  • the hot exhaust gases are used for the performance of mechanical work in accordance with the functional principle of the respective type of internal combustion engine, and are thereby partially relaxed , Subsequently, the gas mixture leaves the combustion chamber.
  • the exhaust gas mixture is ejected from the cylinder at the third stroke, and then compressed, cooled and temporarily stored.
  • FIG. 3 A possible embodiment of an inventive device 1 designed as an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention is shown schematically in FIG. 3, using the example of a piston engine with a cylinder.
  • the illustrated internal combustion engine 1 has a cylinder 1 1 1 and a movable piston 1 1 2 arranged therein, which together a closed combustion chamber 1 1 bi lden.
  • a ledigl I schematically illustrated supply device 1 6 kt oxygen 22 is introduced into the expanding combustion chamber 1 1 in a first Ta kt. Subsequently, the oxygen 22 is compressed in a second cycle, and introduced at the end of the second cycle with a feed device 1 8 of the fuel 20 in the combustion chamber 1 1 and burned.
  • the expanding exhaust gases 21 perform mechanical work
  • the tei lweise expanded exhaust gases 21 are discharged through an outlet device 1 2, not shown, from the combustion chamber 1 1.
  • the cooling condenses Part of the water 23 off, and is separated.
  • the residual gas, which consists essentially only of carbon dioxide 24 and, if appropriate ls Restantei len carbon monoxide and unreacted supplies is compressed in a series-arranged compressor 1 4, and in a memory 1 5, in the simplest case a pressure vessel, pumped.
  • the condensation stage 1 3 before the compression 14 reduces the unwanted formation of condensation water droplets in the compressor 1 4.
  • the dargestel inventive combustion engine 1 has no emissions. Since the device is not operated with air or similar mixtures, no air-specific pollutants such as nitrogen oxides can arise. The water produced during combustion is unproblematic and can be separated. The carbon dioxide and other residual gases are collected in the memory 1 5 and stored for further use. Unburned components of the fuel either condense with the water and are separated or are compressed together with the carbon dioxide.
  • sulfur and phosphorus can also be present in the operating materials for an apparatus according to the invention.
  • the sulfur may react with sulfur dioxide and sulfur trioxide upon combustion, which in turn reacts with the water to form sulfurous acid and sulfurous acid.
  • sulfur dioxide and sulfur trioxide upon combustion, which in turn reacts with the water to form sulfurous acid and sulfurous acid.
  • These corrosive pollutants can be condensed out with the water, separated and disposed of. The same applies to phosphorus-containing pollutants and, where appropriate, fine particulate matter.
  • FIG. 4 Another possible embodiment of an inventive device 1 configured as an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention is shown schematically in FIG. 4.
  • water is introduced into the combustion chamber 11 by a supply device 1 7 schematically illustrated. This is preferably done so that during or after the combustion reaction a certain agreed amount of water 23, liquid or vapor, is injected into the combustion chamber and finely divided. This water is heated by the heat of combustion, whereby the entire Casvol trees in the combustion chamber 1 1 increases, and thus also the available for the performance of the mechanical work gas pressure or Casvolumen. Accordingly, the amount of fuel can then be reduced while maintaining bender performance.
  • water can also be introduced into the exhaust gas flow 21 when it has left the combustion chamber 11.
  • water can also be introduced into the exhaust gas flow 21 when it has left the combustion chamber 11.
  • the amount of water and the timing of the injection are matched with the supply of fuel 21 and oxygen 22 so that the combustion reaction can take place efficiently.
  • the resulting temperature during the oxidation reaction is substantially such that the highest possible thermodynamic efficiency of the heat engine is achieved.
  • the exhaust gases 21 are first compressed in a compressor 1 4 before they are then cooled in the heat exchanger 1 3.
  • the water 23 remains in the gas mixture 21, and collects in liquid form in the pressure vessel 1 5.
  • the water 23 can then be discharged at the same time.
  • the variant shown in FIG. 4 can also be combined with the internal combustion engine 1 without water injection from FIG. 3, and vice versa, and can generally be used for a device 1 according to the invention.
  • the energy required for the operation of the compressor of a device 1 according to the invention is advantageously generated by the device itself.
  • the achievable efficiency of the device decreases.
  • the emission-free unit of the said inventive device and the inventive method is achieved.
  • the achievable performance with the same otorendimension réelle is greater, which compensates for the loss of power again.
  • the compressor can be operated for example via a suitable transmission directly to the Kurbelwel le a Kol ben internal combustion engine. If the inventive device 1 designed as a turbine, the compressor can sit directly on the same Wel le. The exhaust gases can then be condensed directly subsequent to the expansion process and the remaining power remaining to be compacted.
  • the exhaust gases are already precompressed within the combustion chamber at the third clock, and then discharged through the outlet device 1 2.
  • the downstream compressor 14 may also be omitted.
  • Such an embodiment is also possible as a two-stroke variant because the new loading of the combustion chamber with the reaction mixture (material 20 Tre, oxygen 22, water 23) can be done very quickly in a device according to the invention.
  • the exhaust gases are precompressed and exhausted from the combustion chamber towards the end of the cycle.
  • the gaseous oxygen may be injected into the combustion chamber under high pressure at the end of the upstroke because comparatively little oxygen is needed for a complete combustion reaction, and water is present as an additional expansion agent.
  • the liquid fuel 20 and the water 23 as expansion means can be injected in any case very quickly and under high pressure in the combustion chamber.
  • the energy consumption for the compressor can be optimized by a suitable combination with one or more heat exchangers or cooling elements in which the Casvolumen can be reduced by emitting heat energy of the reaction gases to an internal or external heat sink.
  • a device 1 according to the invention is also possible to implement a device 1 according to the invention as a heat engine with external combustion, for example as a steam engine or steam turbine or as a sterling engine.
  • FIG. 4A shows another advantageous embodiment of an inventive drive device 1, which is designed as a combined gas / steam turbine.
  • a drive device is particularly suitable for ships or power plants.
  • a combustion chamber 71 0 upstream of the turbine fuel 20 is burned with oxygen 22 in a burner 714, forming a very hot exhaust gas.
  • Water 23 ' is introduced into the combustion chamber 71 0, preferably as superheated liquid water having a temperature of, for example, 250 ° C. and a pressure of 50 bar.
  • the resulting water vapor mixes with the combustion exhaust gases, so that a hot (eg 600 ° C) exhaust 21 'is formed with a high Antei l of superheated steam.
  • the abovementioned exhaust gases exit the combustion chamber 71 0 and are converted into mechanical work 78 in a subsequent turbine device 71 9, with which in turn an electrical cenerator device 74 is driven.
  • the gas mixture in the combustion chamber isochronous, so that the gas pressure increases, or isobaric, so that the gas volume increases accordingly, or both the volume and the pressure rise.
  • the subsequent turbine device 71 9 must be configured. Suitable turbines 71 9 are known from the prior art k, and usually have several stages.
  • steam 77 can be deducted and used elsewhere.
  • the expanded exhaust gas 21 "is passed into a condenser / economizer 73, where the water 23 is condensed out and separated off
  • the remaining residual gas 24, which contains substantial carbon dioxide, is compressed in a compressor 72. Thereafter, it is either stored in a gas reservoir 1 5 or directly conveyed to the first stage of a recycling plant 6.
  • the compressor 72 is advantageously driven directly via the turbine 71 9.
  • the water 23 'and only then to the combustion chamber 71 0 are mixed with the exhaust stream 21', for example by means of a venturi.
  • the amount of water 23 'and the amount of fuel mixture 20, 22 and the other selectable parameters are advantageous coordinated so that the subsequent turbine achieves a possible utmost energy efficiency.
  • the proportion of water in the exhaust gas mixture 21 ' should be as high as possible.
  • the highest possible pressure drop of the gas mixture on the condenser 73 is achieved. This increases the total pressure difference across the turbine 71 9, and thus their efficiency.
  • Another advantage of introducing water vapor into the combustion chamber is the cooling effect of the vapor.
  • the exothermic oxidation of the very high-energy fuel mixture can lead to very high temperatures of up to 1 000 ° C or even 2000 ° C. Such temperatures would load the structures of the combustion chamber 71 0 and the subsequent turbine device 71 9 very heavily.
  • the comparatively cold water vapor is preferably introduced into the chamber in such a way that it shields the walls of the combustion chamber 71 0 from the very hot flame 71 5.
  • the steam finally cools the entire gas mixture to 600 ° C to 800 ° C, which lowers the thermal load on the turbine blades and increases their service life.
  • the illustrated drive device 1 differs from a conventional gas turbine also in that the combustion chamber is preceded by no compressor. This allows a simpler design of the combustion chamber 71 0 as in a gas turbine. Since the supplies 20 are burned with pure oxygen 22, the achievable energy density is higher than with air with its reduced oxygen content. In order to increase the amount of oxygen that can be introduced into the combustion chamber 71 0 per unit of time, the oxygen can be pressurized.
  • the turbine device 71 9 may be designed like a steam turbine, since the temperature and pressure ranges of the exhaust gas 21 'are substantially the same.
  • a vehicle 3 driven by an inventive device 1 is schematically dargestel lt in Figure 5, as an example of an inventive mobi le machine 3.
  • a configured as an internal combustion engine device 1 according to the invention is either used directly as a drive unit, or alternatively constant at an ideal speed range operated, which is generated by a generator power for an electric drive unit. If the inventive device 1 designed as fuel cell lens system, also serves as an electric motor as a drive unit.
  • the vehicle 3 has a tank 31 for the liquid or gaseous material Trei 20, and a pressure tank 32 for the oxygen 22.
  • the gas storage for the carbon dioxide is advantageously designed as a pressure tank.
  • An inventive device 1 is particularly suitable for less weight-sensitive vehicles, such as land and water vehicles, especially vehicles in city traffic or ships and larger boats. Depending on the size of the vehicle, it is also possible to produce the oxygen on site, whereby the pressure tank 32 is used as a temporary storage device and can be designed correspondingly smaller.
  • FIG. 5 Also illustrated in FIG. 5 is a possible embodiment of a closed circuit for the fuel supply of such a vehicle 3 according to the invention.
  • the vehicle 3 is charged with liquid or gaseous fuel 20 at a correspondingly equipped refueling installation 41, as well as with compressed oxygen 22 in the gas storage 1 5 collected carbon dioxide 24 discharged into a corresponding gas storage of the refueling system 41.
  • the thermal energy generated during the oxidation reaction is not converted into mechanical work, but utilized for heating a fluid heat transport medium. That is, the device serves to generate thermal energy.
  • a heat transport medium that serves to transport the generated thermal energy for example, water, oil, air or steam can be used.
  • the energy-generating oxidation reaction takes place in a suitably designed combustion chamber, which is equipped with means for heating the Transportmedi ums, for example, a heat exchanger. These agents also serve to cool the resulting exhaust stream.
  • the heated heat transfer medium can subsequently be used in industrial plants or for heating buildings.
  • a district heating plant or a cogeneration plant can be equipped with such an inventive device.
  • the refueling system 41 forms a closed loop with a fuel production plant 6 as disclosed in applicant's International Application No. PCT / EP201 0/067847.
  • the plant 6 produces 27 liquid or gaseous hydrocarbon fuels 20 from carbonaceous starting materials. These are transported by suitable means to the refueling installation 41.
  • the carbon dioxide 24, in turn, with proportions of carbon monoxide and unreacted fuel, which has been discharged from the vehicle 3 in the refueling system 41, is transported via suitable means to the system 6, where it is fed into the closed circuit of the system 6.
  • a refueling system 41 for example, for public Bus Sae a city.
  • their buses are fueled exclusively in the company's own refueling facilities.
  • a comparatively small number of refueling installations 41 to be converted many vehicles 3 can thus be achieved. This leads to lower investment costs in a corresponding Cetician.
  • the return of carbon dioxide and / or the supply of fuel can also be done via a suitable supply network 5.
  • the customers are provided with a first supply network with gaseous and / or liquid materials from one or more production plants and / or from one or more first stores provided.
  • a second recycling network at least part of the exhaust gases, in particular carbon dioxide, generated during the drive process are returned by the customers to one or more production plants and / or to one or more second stores.
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of such a supply network for carrying out a supply method according to the invention.
  • the system has two annular networks.
  • a first supply network 51 is Production system 6 with closed circuit gaseous or liquid Propane 20 fed. From this network 51, various refueling installations 41 receive the gaseous fuels. Ebenfal ls connected to the network 51 is a first latch 81 and a power plant 43, in which by means of an inventive device such as in Figure 4A dargestel lt a current generator is operated.
  • a second return network 52 is present, in which the refueling systems 41 and the power plant 43 feed the resulting carbon dioxide 24. This is in turn conveyed back to the production plant 6.
  • a second latch 82 serves to increase the capacity of the second network.
  • a repository 44 for carbon dioxide is provided in the variant shown. Carbon dioxide can be diverted from the second network and pumped under pressure into an exhausted oil storage, where it then remains permanently.
  • a fuel tank 31 and / or gas reservoir 15 for the carbon dioxide can be completely dispensed with, since the fixed line system assumes this function. This is the case, for example, in the power generation plant 43 in FIG.

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Abstract

In einer Vorrichtung (1) zur Verrichtung mechanischer Arbeit und und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezogen. Die Vorrichtung weist Mittel (14) zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases (21) und einen Speicher (15) zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases (21) auf.

Description

Emissionsfreie Vorrichtungen und Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie, und Systeme zur Betriebsstoff- Versorgung von mobilen und stationären Vorrichtungen.
Stand der Technik
Im Zuge der laufend zunehmenden Mobi lität und der damit einher gehenden Umweltbelastung besteht seit längerem Bedarf an Antriebsvorrichtungen, insbesondere Verbrennungsmotoren, mit verringertem Ausstoss von Schadstoffen wie beispielsweise Stickoxiden, Koh- lenmonoxid und flüchtigen organischen Verbindungen. Zu diesem Zweck wurden zum einen Anstrengungen unternommen, die Abgase von Schadstoffen zu reinigen, beispielsweise mit Filtern und Katalysatoren, und zum anderen die Bildung dieser Schadstoffe zu reduzieren.
Bei Verwendung kohlenwasserstoffbasierter Trei bstoffe wie beispielsweise Benzin, Diesel oder Erdgas ist Kohlendioxid ein unvermeidliches Endprodukt des Verbrennungsvorgangs. Schon länger ist nun bekannt, dass Kohlendioxid sehr negative Auswirkungen auf das Kl imagleichgewicht der Erde hat und stark zur menschengemachten Kl imaerwärmung beiträgt. Die Vermeidung von Kohlendioxidemissionen ist daher sehr wünschenswert.
In der Regel ist ein Herausfi ltern von Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen mit vernünftigem energetischem Aufwand nur schwer möglich. Für den grossindustriellen Massstab wer- den Systeme gestestet, in welchen das Kohlendioxid beispielsweise in amin-basierten Lösungsmitteln aufgefangen wird. Solche Systeme sind jedoch aufwendig und kompl iziert, und für kleinere Anlagen nicht prakti kabel. Zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen werden weiter Verbrennungsmotoren mit geringerem Trei bstoffverbrauch und damit auch geringerem Kohlendioxidausstoss entwickelt, oder es werden kohlendioxidneutrale biomassenbasierte Treibstoffe verwendet.
Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind zumindest lokal absol ut emissionsfrei. Jedoch sind die heute zur Verfügung stehenden Akkumulatorsysteme immer noch sehr schwer, beziehungsweise die Energiedichte zu gering, was die erreichbare maximale Reichweite beschränkt. Zudem sind batteriebetrieben Fahrzeuge mit Bezug auf die Wiederaufladzeit bzw. Betankzeit weiterhin Fahrzeugen mit chemischen Trei bstoffen unterlegen.
Alternativ wurden zur Gewinnung von elektrischer Energie zum Betrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge Brennstoffzellensysteme entwickelt. In diesen Brennstoffzel lensystemen wird aus kohlenwasserstoffbasierten Treibstoffen und Luftsauerstoff elektrochemisch Strom erzeugt wird. Auch hier jedoch resultiert als Reaktionsprodukt Kohlendioxid.
Mit der Verwendung von Wasserstoff als Trei bstoff für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen kann die Emission von Kohlendioxid vermieden werden. Wasserstoff weist jedoch eine geringere Energiedichte auf als kohlenstoffbasierte flüssige Treibstoffe, und stellt auch bei der Produktion und der Lagerung spezielle Probleme.
Für Verbrennungskraftmaschinen gibt es im Stand der Techni k eine Vielzahl von seit Jahren etablierten Technologien. Anstatt völl ig neue Technologien entwickeln zu müssen, wäre es wünschenswert, diese bestehenden Technologien so modifizieren zu können, dass der Aus- stoss von Kohlendioxid reduziert oder vermieden wird. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur Verfügung zu stel len, welche die oben erwähnten und andere Nachtei le nicht aufweisen. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung beziehungsweise ein solches Verfahren stark reduzierte Emissionen oder gar keine Emissionen aufweisen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche es erlauben, anfal lendes Kohlendioxid und andere Emissionen effizient aufzufangen und für eine weitere Verwendung, eine Endlagerung oder eine Wiederverwertung zu speichern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stel len, welche mit einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden können.
Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, Geräte, Maschinen und Anlagen, die mit solchen Vorrichtungen betrieben werden, insbesondere mobi le und stationäre Maschinen und Anlagen, ein erfind ungsgemässes Verfahren zur zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie, eine erfindungsgemässe Betankungsanlage, ein System zur Betriebsstoff- Versorgung von mobilen und statischen Maschinen und Anlagen, sowie ein erfindungsge- mässes Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit Betriebstoff, gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteil hafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Darstellung der Erfindung
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Eine Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases ist vorgesehen. Ein Speicher dient zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases.
Eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung ist mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffantei l von > 95%, und/oder mit reinem Sauerstoff als Oxidati- onsm ittel betrei bbar.
Vor und/oder nach der Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases kann ein Wärmetauscher zur Abkühl ung des Abgasstromes vorgesehen sein.
Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Abscheidung von Wasser aus dem Abgas auf.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann als Brennstoffzel le, als Wärmekraftmaschine, beispielsweise als Kolbenmotor oder Turbine, oder als Heizvorrichtung ausgestaltet sein.
Eine als Wärmekraftmaschine ausgestaltete Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist vorteil haft eine Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einer Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, mit Mitteln zur Umsetzung des entstehenden Gasdrucks bzw. Casvolumens in mechanische Arbeit, mit einer Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, und mit einer Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer. Stromabwärts von der Austrittsvorrichtung sind ein Verdichter zur Verdichtung der Abgase und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur tei lweisen Kondensation der Abgase vorgesehen.
Eine weitere Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Wasser in die Brennkammer und/oder in den Abgasstrom nach dem Austritt aus der Brennkammer auf.
Eine als Heizvorrichtung ausgestaltete Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung weist mindestens eine Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, Mittel zur Übertragung der entstehenden thermischen Energie auf ein fluides Wärmetransportmedium, eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, und eine Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer auf. Stromabwärts von der Austrittsvorrichtung sind ein Verdichter zur Verdichtung der Abgase und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase vorgesehen.
Eine erfindungsgemässe Maschine, insbesondere eine mobile oder stationäre Maschine, und erfindungsgemässe Vorrichtung oder Anlage zum Heizen von Gebäuden, insbesondere eine Heizzentrale, umfasst eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung.
Eine erfindungsgemässe Betankungsanlage zur Betankung einer mobilen Maschine oder Anlage mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit gasförmigen oder fl üssigen Betriebstoffen weist Mittel zur Entnahme von verdichteten Gasen, insbesondere Kohlendioxid, aus einem Speicher der mobi len Maschine auf.
Vorteil haft weist eine solche Betankungsanlage auch Mittel auf zum Betanken der mobi len Maschine oder Anlage mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft. Ein erfindungsgemässes Versorgungssystem zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder fl üssigen Betriebstoffen weist ein erstes Versorgungsnetz auf für den Transport der Betriebsstoffe zu den Abnehmern, von einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder von einem oder mehreren ersten Speichern. Ein zweites Rückführungsnetz dient dem Rücktransport von Abgasen, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder einem oder mehreren zweiten Speichern.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen.
Vorteil haft wird als Oxidationsmittel sauerstoffangereicherte Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder reiner Sauerstoff verwendet. Ein solches Verfahren wird vorteil haft mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt.
Bei einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Verfahrens werden die verdichteten Abgase vor und/oder nach der Verdichtung und/oder Kondensation abgekühlt.
Bei einer anderen Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens wird aus den Abgasen Wasser auskondensiert und/oder abgeschieden.
Vorteil haft wird ein erfindungsgemässes Verfahren mit einer Brennstoffzel le oder einer Wärmekraftmaschine oder einer Heizvorrichtung durchgeführt.
Bei einer weiteren vortei lhaften Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Verfahrens werden die Betriebsstoffe mit einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellt, bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf.
In der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP201 0/067847 des Anmelders vom 1 9. November 201 0 mit dem Titel "Verfahren und Anlage zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen " sind ein Verfahren und eine Anlage zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen offenbart. Die Offenbarung dieser Anmeldung bi ldet einen integralen Bestandteil der Beschrei bung der in der vorliegenden Anmeldung beanspruchten Erfindung.
Bei noch einer weiteren vorteil haften Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens wird mindestens ein Tei l der Abgase in einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen verwertet bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf. Die Abgase werden in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe und/oder die dritte Stufe eingespeist.
Vorzugsweise werden die Abgase in das Rücklaufgas eingespeist. Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer, welche ein erfindungsgemässes Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie durchführen, mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen für dieses Verfa hren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückfü hrungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfal lenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Produktion von elektrischem Strom wird die Antriebsenergie für den Stromgenerator mit einem oben stehen diskutierten erfindungsgemässen Verfahren erzeugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorl iegenden Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen lediglich Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in Kombination mit einer Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei sich ein im Wesentlichen geschlossener Stoffkreislauf ergi bt.
Figur 2 zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung. Figur 4 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung.
Figur 4A zeigt schematisch eine als kombinierte Gas-/Dampfturbine ausgestaltete erfin- dungsgemässe Vorrichtung.
Figur 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in einem Fahrzeug, sowie eine mögliche Ausgestaltung eines geschlossenen Kreislaufs für die Treib- stoffversorgung eines solchen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid.
Figur 6 zeigt schematisch eine mögl iche Ausgestaltung eines Versorgungsnetzes für gasförmige Treibstoffe in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid, zur Durchführung des erfindungsgemässen Versorgungsverfahrens.
Ausführung der Erfindung
Die im Folgenden gegebenen Beispiele werden zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, sind jedoch nicht dazu geeignet, die Erfindung auf die hierin offenbarten Merkmale zu beschränken.
Wie bereits erläutert wird bei einem erfindungsgemässen Verfahren und. einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas bezogen. Die bei der Oxidationsre- aktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen. Die Verwertung der chemischen Energie erfolgt thermisch-chemisch oder elektrochemisch. Solche erfindungsgemässe Verfahren Vorrichtungen 1 weisen einen geschlossenen Kreislauf auf, das heisst, es entstehen Emissionen in die Atmosphäre.
Die bei der Leistung mechanischer Arbeit oder Erzeugung elektrischer oder thermischer Energie anfal lenden Reststoffe wie insbesondere Kohlendioxid werden nachbehandelt, verdichtet und platzsparend gespeichert, beispielsweise in einem Drucktank. Das gespeicherte Gasgemisch enthält im Wesentl ichen nur Kohlendioxid und gegebenenfalls noch Wasser. Das Kohlendioxid wird regelmässig in eine geeignete grössere Speichervorrichtung zur weiteren Verwertung umgelagert wird. Vortei lhaft erfolgt diese Rückführung des Kohlendioxids zeitgleich beispielsweise mit dem Betanken eines Fahrzeugs.
In einer vorteil haften Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungs- gemässen Verfahrens wird das gespeicherte Kohlendioxid teilweise oder vol lständig wiederverwertet.
In der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP201 0/067847 des Anmelders sind ein Verfahren und eine Anlage 6 zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen offenbart. In Figur 1 ist eine solche Anlage 6 schematisch und stark vereinfacht dargestel lt.
In einem im Wesentl ichen geschlossenen Kreislauf wird in der Anlage 6 kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial 27 in Kohlenwasserstoffe 20 und Kohlenwasserstoffderivate umgewandelt. Dazu wird einer ersten Stufe 61 a und zweiten Stufe 61 b das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial 27 in Synthesegasgemisch 65 umgewandelt. In der ersten Stufe 61 a die kohlenstoffhaltigen Substanzen zugeführt und pyrolysiert, wobei Pyrolysekoks 63 und Pyrolysegas 64 entstehen. In einer zweiten Stufe 61 b wird der Pyrolysekoks 63 aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegasgemisch 65 entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben. In einer dritten Stufe 62 werden aus dem Synthesegasgemisch 65 Kohlenwasserstoffe und andere Wertsstoffe 20 erzeugt, die anderweitig verwendet werden können, bei- spielsweise als fl üssige und/oder gasförmige Betriebsstoffe 20. Das nach der Synthesestufe 62 verbleibende Rücklaufgasgemisch 66 enthält im Wesentlichen Kohlendioxid, und wird als Vergasungsmittel wieder in die erste Stufe geleitet. Al le drei Stufen sind druckfest geschlossen und bilden einen im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf. Mit eine solchen Verwertungs-Anlage 6 können feste, fl üssige oder gasförmige Substanzen effizient in gasförmige oder fl üssige Betriebsstoffe 20 umgewandelt werden. Zusätzlich erzeugt die Anlage 6 thermische Energie in Form von Prozessdampf (nicht dargestellt). Die in der Synthese-Stufe 62 erzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Betriebsstoffe werden vorzugsweise zwischengelagert 81 , in Tanks oder Druckspeichern.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 verwendet als Betriebstoff vortei lhaft gasförmige oder fl üssige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate 20 aus der Anlage 6, die dem Speicher 81 entnommen werden. Die thermische oder elektrische Energie erzeugende Oxidationsreaktion erfolgt dabei mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder mit reinem Sauerstoff 22, anstatt mit Luft. Der Sauerstoff wird vortei lhaft in einem Drucktank mitgeführt. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 kann beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine sein, in welcher die bei der Oxidationsreaktion anfal lende Wärme in einer Wärmekraftmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt wird, oder eine Brennstoffzelle in Kombination mit einem Elektromotor, in welcher die Oxidationsreaktion direkt zur Stromerzeugung genutzt wird.
Die Verwendung von reinem Sauerstoff 22 anstatt Luft vermeidet zum einen aufgrund der Abwesenheit des Luftstickstoffs bei einer thermisch-chemischen Reaktion bei hohen Temperaturen die Bi ldung von Stickoxiden. Vor allem aber verbleiben in den anfal lenden Reaktionsprodukten 21 im Wesentlichen nur Kohlendioxid 24 und Wasserdampf 23. Je nach Stö- chiometrie der Reaktion können die anfal lenden Gase auch gewisse Antei le an Kohlenmo- noxid und unreagiertem Betriebsstoff enthalten. Diese können jedoch nachfolgend analog zum Kohlendioxid nachbehandelt werden. Die Reaktionsprodukte 21 der Energie erzeugenden Reaktion sind im Wesentl ichen gasförmig. Das entsprechende Gasgemisch wird nun verdichtet, um das Volumen zu reduzieren. Mit H ilfe eines Wärmetauschers wird vor und/oder nach der Verdichtung geleitet das Gasgemisch 21 abgekühlt, wodurch es entsprechend weiter an Volumen verl iert. Wasser wird dabei auskondensiert, wodurch sich das Vol umen des Gasgemisches nochmals weiter reduziert und im Gasgemisch nur Kohlendioxid 24 verbleibt, gegebenenfal ls mit Anteilen an Kohlenmonoxid und unreagiertem Betriebsstoff. Das kondensierte Wasser 23 wird abgetrennt. Das Kohlendioxid 24 kann in einem geeigneten Reservoir zwischengespeichert werden, beispielsweise einem Drucktank.
In regelmässigen Abständen wird das Kohlendioxid 24 wieder der ersten Stufe 61 a der Anlage 6 zugeführt, so dass sich ein geschlossener Stoffkreislauf für das Kohlendioxid ergibt. Es kann ein Zwischenspeicher 82 für das kohlendioxidhaltige Abgas 24 vorgesehen sein. So ist es möglich, dass mit dem oben genannten Verfahren aus kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kohlendioxid flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate erzeugt werden, und das so resultierende Treibstoffgemisch anschl iessend in einer er- findungsgemässen Vorrichtung 1 in mechanische Arbeit und/oder elektrische oder thermische Energie umgesetzt wird. Das aufgefangene und gespeicherte Kohlendioxid wird rückgeführt und teilweise oder vollständig in der Anlage 6 wieder in Betriebstoff 20 umgesetzt. Auf diese Weise kann der effektive Kohlendioxidausstoss einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr stark vermindert oder gar ganz vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Rückführung kann ein Teil des gespeicherten Kohlendioxids auch in einer Art und Weise deponiert werden, dass es dauerhaft nicht in die Atmosphäre gelangen kann. Entsprechende Technologien zur dauerhaften langfristigen Lagerung von Kohlendioxid werden momentan weltweit weiterentwickelt. Getestet wird beispielsweise die Endlagerung von Kohlendioxid durch Einpumpen in leere Erdöl- und Erdgasfelder. Eine weitere, general isierte Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Eine solche erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine 1 kann problemlos im Kombibetrieb mit Wasserstoff 25 als weiterem Betriebsstoff betrieben werden. In einem solchen Fal l führt der Wasserstoffantei l zu einer Reduktion der anfallenden Restgasmenge nach dem Wärmetauscher und Verdichter, da bei der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff ohnehin nur Wasser anfällt.
Ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Verbrennungskraftmaschine ausgelegt, so kann in einer vortei lhaften Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung beziehungsweise eines solchen Verfahrens als zusätzl iches Expansionsmittel Wasser 23 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird nach der Zündung des Verbrennungsvorgangs, beispielsweise nach der Selbstzündung des verdichteten Treibstoff-Luft-Cemischs in einem Dieselmotor, eine bestimmte Menge Wasser in den Zyl inder eingespritzt. Dieses Wasser, das vorzugsweise fein zerstäubt ist, wird anschl iessend durch die Wärmeenergie der exothermen Oxidationsreakti- on verdampft. Der daraus resultierende Gasdruck- bzw. Casvolumenzuwachs aufgrund des Wasserdampfs trägt so zur Erzeugung der kinetischen Energie bei, wobei gleichzeitig die Temperatur des Cesamtgemischs an Verbrennungsabgasen und Wasserdampf sinkt. Dies ist jedoch unproblematisch oder sogar wünschenswert, weil aufgrund der höheren Energiedichte einer Reaktion mit reinem Sauerstoff wesentl ich höhere Reaktionstemperaturen entstehen, was die thermodynamische Effizienz verbessert, aber auch die Teile einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 stärker belasten kann.
Alternativ kann das Wasser auch als Dampf eingebracht werden. Ein gewisser Antei l an flüssigem Wasser kann zudem auch mit dem fl üssigen Trei bstoff vermischt zugeführt werden. Bei hohen Reaktionstemperaturen wirkt überhitzter Wasserdampf als zusätzliches Oxidati- onsmittel neben dem Sauerstoff. Nachfolgend wird die Funktionsweise eines erfindungsgemässen Verfahrens am Beispiel einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1 in Form eines Kolbenmotors genauer beschrieben und erläutert. Analog können als Verbrennungskraftmaschinen ausgestaltete er- findungsgemässe Vorrichtungen jedoch beispielsweise auch als Turbinen oder Wankel- otoren ausgestaltet sein, etc.. Die heissen Abgase werden entsprechend dem Funktionsprinzip des jeweil igen Typs einer Verbrennungskraftmaschine für die Leistung mechanischer Arbeit verwendet, und werden dabei tei lweise entspannt. Anschl iessend verlässt das Gasgemisch die Brennkammer. So wird beispielsweise bei einer als Viertakt-Kol benmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Verbrennungskraftmaschine beim dritten Takt das Abgasge- misch aus dem Zyl inder ausgestossen, und anschliessend verdichtet, abgekühlt und zwischengespeichert.
Eine mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 3 dargestel lt, am Beispiel eines Kol benmotors mit einem Zylinder. Die dargestellte Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen Zylinder 1 1 1 und einen darin beweglich angeordneten Kolben 1 1 2 auf, welche zusammen eine geschlossene Brennkammer 1 1 bi lden. Mit einer ledigl ich schematisch dargestellten Zufuhrvorrichtung 1 6 wird in einem ersten Ta kt Sauerstoff 22 in die expandierende Brennkammer 1 1 eingebracht. Anschliessend wird in einem zweiten Takt der Sauerstoff 22 komprimiert, und am Ende des zweiten Takts mit einer Zufuhrvorrichtung 1 8 der Treibstoff 20 in die Brennkammer 1 1 eingebracht und verbrannt. Beim darauffolgenden dritten Takt verrichten die expandierenden Abgase 21 mechanische Arbeit, und beim vierten Takt werden die tei lweise entspannten Abgase 21 durch eine nicht näher dargestellte Austrittsvorrichtung 1 2 aus der Brennkammer 1 1 abgeführt.
Die heissen Abgase 21 , die im Wesentl ichen nur aus Kohlendioxid und Wasserdampf bestehen, werden anschl iessend in einem nachgeschalteten Wärmetauscher 1 3 abgekühlt. Dadurch wird das Vol umen dieser Abgase 21 reduziert. Durch die Abkühl ung kondensiert ein Teil des Wassers 23 aus, und wird abgetrennt. Das Restgas, das im wesentl ichen nur noch aus Kohlendioxid 24 und gegebenenfal ls Restantei len Kohlenmonoxid und unreagierten Betriebsstoffen besteht, wird in einem in Serie angeordneten Verdichter 1 4 komprimiert, und in einen Speicher 1 5, im einfachsten Fall einen Druckbehälter, gepumpt. Die Kondensationsstufe 1 3 vor der Verdichtung 14 verringert die unerwünschte Bi ldung von Kondenswassertröpfchen im Verdichter 1 4.
Die dargestel lte erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine 1 weist keine Emissionen auf. Da die Vorrichtung nicht mit Luft oder ähnl ichen Gemischen betrieben wird, können auch keine luftspezifischen Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide entstehen. Das bei der Verbrennung entstehende Wasser ist unproblematisch, und kann abgetrennt werden. Das Kohlendioxid und andere Restgase werden im Speicher 1 5 aufgefangen und zur weiteren Verwendung gespeichert. Unverbrannte Antei le des Betriebsstoffes kondensieren entweder zusammen mit dem Wasser aus und werden abgetrennt, oder werden zusammen mit den Kohlendioxid verdichtet.
In den Betriebsstoffen für eine erfindungsgemässe Vorrichtung können je nach Qual itätsgrad neben den Grundbausteinen C, H, 0 auch Schwefel und Phosphor vorhanden sein. Der Schwefel kann beispielsweise bei der bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid reagieren, was wiederum mit dem Wasser zu schwefliger Säure und Schwefelsäure reagiert. Diese korrosiven Schadstoffe können zusammen mit dem Wasser auskondensiert, abgetrennt und entsorgt werden. Das gleiche gilt für phosphorhaltige Schadstoffe und gegebenenfal ls entstehende Feinstaubparti kel.
Eine weitere mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 4 dargestel lt. In dieser Variante wird durch eine ledigl ich schematisch dargestel lte Zufuhrvorrichtung 1 7 Wasser in die Brennkammer 1 1 eingebracht. Dies geschieht vorzugsweise so, dass während oder nach der Verbrennungsreaktion eine be- stimmte Menge Wasser 23, flüssig oder dampfförmig, in die Brennkammer eingespritzt und fein verteilt wird. Dieses Wasser wird durch die Verbrennungswärme erhitzt, wodurch das gesamte Casvol umen in der Brennkammer 1 1 steigt, und damit auch der für die Leistung der mechanischen Arbeit zur Verfügung stehende Gasdruck bzw. Casvolumen. Entsprechend kann dann bei gleichblei bender Leistung die Menge an Treibstoff gesenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann Wasser auch in den Abgasstrom 21 eingebracht werden, wenn dieser die Brennkammer 1 1 verlassen hat. Eine solche Variante hat den Vortei l, dass die Verbrennungsreaktion in der Brennkammer bei möglichst hohen Temperaturen effizient verlaufen kann, und gleichzeitig die resultierende Temperatur des Abgasstromes so niedrig ist, dass die nachfolgenden Einrichtungen 14, 1 3 nicht zu sehr belastet werden.
Die Menge an Wasser und der Zeitpunkt des Einspritzens werden so mit der Zufuhr von Betriebsstoff 21 und Sauerstoff 22 abgestimmt, dass die Verbrennungsreaktion effizient stattfinden kann. Vorteil haft l iegt die resultierende Temperatur während der Oxidationsreaktion im Wesentlichen so, dass ein mögl ichst hoher thermodynamischer Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erreicht wird. Je grösser die Menge an verwendetem Wasser ist, desto geringer ist zudem der relative Antei l an Kohlendioxid in den Reaktionsgasen, was die nach der Auskondensation des Wassers verbleibende zu komprimierende Casmenge reduziert.
In der in Figur 4 dargestel lten Vorrichtung 1 werden die Abgase 21 zuerst in einem Verdichter 1 4 komprimiert, bevor sie anschl iessend im Wärmetauscher 1 3 abgekühlt werden. Das Wasser 23 verblei bt im Gasgemisch 21 , und sammelt sich in fl üssiger Form im Druckbehälter 1 5. Bei der regelmässigen Entleerung des Kohlendioxids 24 kann dann gleichzeitig auch das Wasser 23 abgelassen werden. Die in Figur 4 gezeigte Variante ist auch mit der Verbrennungskraftmaschine 1 ohne Wassereinspritzung aus Figur 3 kombinierbar, und umgekehrt, und kann al lgemein für eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 verwendet werden. Die für den Betrieb des Verdichters einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 notwendige Energie wird vorteil haft durch die Vorrichtung selber erzeugt. Als Folge davon sinkt der erreichbare Wirkungsgrad der Vorrichtung. Jedoch wird damit gleichzeitig die Emissionsfrei heit der genannten erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht. Zudem ist die erreichbare Leistung bei gleicher otorendimensionierung grösser, was den Leistungsverlust wieder ausgleicht.
Der Verdichter kann beispielsweise über ein geeignetes Getriebe direkt mit der Kurbelwel le einer Kol ben-Verbrennungskraftmaschine betrieben werden. Ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Turbine ausgestaltet, so kann der Verdichter direkt auf der gleichen Wel le sitzen. Die Abgase können dann direkt anschliessend an den Expansionsvorgang kondensiert und der verblei bende Reststrom verdichtet werden.
In einer anderen Variante einer als Kol benmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung werden die Abgase innerhalb der Brennkammer beim dritten Takt bereits vorkomprimiert, und dann durch die Austrittsvorrichtung 1 2 abgelassen. Gegebenenfalls kann der nachgeschaltete Verdichter 14 auch weggelassen werden.
Eine solche Ausführungsform ist auch als Zweitakt-Variante möglich, weil die neue Beladung der Brennkammer mit Reaktionsgemisch (Trei bstoff 20, Sauerstoff 22, Wasser 23) in einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr schnell erfolgen kann. In einem zweiten Aufwärtstakt werden die Abgase vorkomprimiert, und gegen Ende des Takts aus der Brennkammer abgelassen. Der gasförmige Sauerstoff kann unter hohem Druck am Ende des Aufwärtstakts in die Brennkammer eingeblasen werden, da für eine vollständige Verbrennungsreaktion vergleichsweise wenig Sauerstoff benötigt wird, und Wasser als zusätzl iches Expansionsmittel vorhanden ist. Der flüssige Treibstoff 20 und das Wasser 23 als Expansionsmittel können ohnehin sehr schnell und unter hohem Druck in die Brennkammer eingespritzt werden. Der Energieverbrauch für den Verdichter kann optimiert werden durch eine geeignete Kombination mit einem oder mehreren Wärmetauschern beziehungsweise Kühlelementen, in denen durch Abgabe von Wärmeenergie der Reaktionsgase an eine interne oder externe Wärmesenke das Casvolumen reduziert werden kann.
Ebenfalls ist es mögl ich, eine erfind ungsgemässe Vorrichtung 1 als Wärmekraftmaschine mit äusserer Verbrennung zu real isieren beispielsweise als Dampfmaschine bzw. Dampfturbine oder als Sterling-Motor.
Figur 4A zeigt eine andere vortei lhafte Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1 , die als kombinierte Gas/Dampfturbine ausgestaltet ist. Eine solche Antriebsvorrichtung ist besonders geeignet für Schiffe oder Kraftwerksanlagen.
In einer der Turbine vorgeschalteten Brennkammer 71 0 wird Betriebstoff 20 mit Sauerstoff 22 in einem Brenner 714 verbrannt, unter Bildung eines sehr heissen Abgases. In die Brennkammer 71 0 wird Wasser 23 ' eingebracht, vorzugsweise als überhitztes fl üssiges Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise 250 °C und einem Druck von 50 bar. Der resultierende Wasserdampf vermischt sich mit den Verbrennungsabgasen, so dass ein heisses (z.B. 600 °C) Abgas 21 ' mit einem hohen Antei l an überhitztem Wasserdampf entsteht. Die genannten Abgase treten aus der Brennkammer 71 0 aus und werden in einer nachfolgenden Turbinenvorrichtung 71 9 in mechanische Arbeit 78 umgesetzt, mit welcher wiederum eine elektrische Ceneratoreinrichtung 74 angetrieben wird. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung verhält sich das Gasgemisch in der Brennkammer isochor, so dass der Gasdruck steigt, oder isobar, so dass das Gasvolumen entsprechend ansteigt, oder sowohl das Volumen als auch der Druck steigen an. Entsprechend muss auch die nachfolgende Turbinenvorrichtung 71 9 ausgestaltet werden. Geeignete Turbinen 71 9 sind aus dem Stand der Techni k bekannt, und verfügen meist über mehrere Stufen. In einer alternativen Variante kann nach einer Hochdruckstufe der Turbinenvorrichtung 71 9 tei lentspannter Prozessdampf 77 abgezogen und anderweitig verwendet werden. Das entspannte Abgas 21 " wird in einen Kondensator/Economizer 73 geleitet, wo das Wasser 23 auskondensiert und abgetrennt wird. Das verbleibende Restgas 24, welches im wesentl ichen Kohlendioxid enthält, wird in einem Verdichter 72 komprimiert. Anschliessend wird es entweder in einem Gasspeicher 1 5 zwischengespeichert, oder direkt in die erste Stufe einer Verwertungsanlage 6 gefördert. Der Verdichter 72 wird vorteil haft direkt über die Turbine 71 9 angetrieben.
Anstatt in die Brennkammer 71 0 kann das Wasser 23 ' auch erst anschliessend an die Brennkammer 71 0 mit dem Abgasstrom 21 ' gemischt werden, beispielsweise mittels einer Venturidüse.
In der Antriebsvorrichtung 71 werden die Menge Wasser 23 ' und die Menge an Brenngemisch 20, 22 und die weiteren wählbaren Parameter vorteil haft so aufeinander abgestimmt, dass die nachfolgende Turbine eine mögl ichst hohe Energieausnutzung erreicht. Gleichzeitig soll der Antei l Wasser am Abgasgemisch 21 ' möglichst hoch sein. Zum einen wird so ein mögl ichst hoher Druckabfal l des Gasgemischs auf dem Kondensator 73 erreicht. Dies erhöht die totale Druckdifferenz über die Turbine 71 9, und somit deren Effizienz. Zum anderen verbleibt weniger Restgas 24, das verdichtet 72 und gespeichert 1 5 werden muss.
Ein weiterer Vortei l des Einbringens von Wasserdampf in die Brennkammer ist der kühlende Effekt des Dampfs. Die exotherme Oxidation des sehr energiereichen Brennstoffgemischs kann zu sehr hohen Temperaturen führen, von bis zu 1 000 °C oder gar 2000 °C. Solche Temperaturen würden die Strukturen der Brennkammer 71 0 und der nachfolgenden Turbinenvorrichtung 71 9 sehr stark belasten. Der vergleichsweise kalte Wasserdampf wird vorzugsweise so in die Kammer eingebracht, dass er die Wände der Brennkammer 71 0 von der sehr heissen Flamme 71 5 abschirmt. Der Dampf kühlt schl iesslich das gesamte Gasgemisch auf 600 °C bis 800°C ab, was die die thermische Belastung der Turbinenblätter senkt und deren Lebensdauer erhöht. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Aspekten unterscheidet sich die dargestel lte Antriebsvorrichtung 1 von einer herkömml ichen Gasturbine auch dadurch, dass der Brennkammer kein Verdichter vorgeschaltet ist. Dies erlaubt eine einfachere Gestaltung der Brennkammer 71 0 als bei einer Gasturbine. Da die Betriebsstoffe 20 mit reinem Sauerstoff 22 verbrannt werden, ist die erreichbare Energiedichte höher als mit Luft mit ihrem reduzierten Sauerstoffanteil. Um die Menge an pro Zeiteinheit in die Brennkammer 71 0 einbringbarem Sauerstoff zu erhöhen, kann der Sauerstoff unter Druck gesetzt werden. Dir Turbinenvorrichtung 71 9 kann wie eine Dampfturbine gestaltet sein, da die Temperatur- und Druckbereiche des Abgases 21 ' im Wesentlichen diesel ben sind.
Ein Fahrzeug 3 angetrieben durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist in Figur 5 schematisch dargestel lt, als Beispiel für eine erfindungsgemässe mobi le Maschine 3. Eine als Verbrennungskraftmaschine ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtung 1 wird entweder direkt als Antriebsaggregat eingesetzt, oder wird alternativ konstant bei einem idealen Drehzahl bereich betrieben, wobei mit einem Generator Strom für ein elektrisches Antriebsaggregat erzeugt wird. Ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Brennstoffzel lensystem ausgestaltet, dient ebenfalls ein Elektromotor als Antriebsaggregat.
Das Fahrzeug 3 weist einen Tank 31 für den flüssigen oder gasförmigen Trei bstoff 20 auf, sowie einen Drucktank 32 für den Sauerstoff 22. Der Gasspeicher für das Kohlendioxid wird vorteil haft als Drucktank ausgestaltet. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist besonders für weniger gewichtssensitive Fahrzeuge geeignet, wie beispielsweise Land- und Wasserfahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge im Stadtverkehr oder Schiffe und grössere Boote. Je nach Grösse des Fahrzeugs ist es auch mögl ich, den Sauerstoff vor Ort herzustel len, wodurch der Drucktank 32 ledigl ich als Zwischenspeicher dient und entsprechend kleiner ausgelegt werden kann.
N icht gezeigt in Figur 5 ist ein mögl icher Vorratsbehälter für das Wasser 23. Ein solcher kann jedoch vergleichsweise klein ausgestaltet werden. Das bei der Nachbehandlung der Abgase anfal lende kondensierte Wasser kann wiederverwertet werden, wodurch der effektive Wasserverbrauch und damit die Grösse des notwendigen Vorratsbehälters noch kleiner wird.
Ebenfalls in Figur 5 dargestellt ist eine mögl iche Ausgestaltung eines geschlossenen Kreislaufs für die Betriebstoffversorgung eines solchen erfindungsgemässen Fahrzeugs 3. Das Fahrzeug 3 wird dazu an einer entsprechend eingerichteten Betankungsanlage 41 mit flüssigem oder gasförmigem Treibstoff 20 beladen, sowie mit komprimiertem Sauerstoff 22. Gleichzeitig wird das im Gasspeicher 1 5 aufgefangene Kohlendioxid 24 in einen entsprechenden Gasspeicher der Betankungsanlage 41 abgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung wird die bei der Oxidationsreaktion entstehende thermische Energie nicht in mechanische Arbeit umgesetzt, sondern zur Erwärmung eines fluiden Wärmetransportmedi ums genutzt. Das heisst, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie dient. Als Wärmetransportmedium, dass den Transport der erzeugten thermischen Energie dient, kann beispielsweise Wasser, Öl, Luft oder Dampf benutzt werden.
In einer möglichen Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung findet die Energie erzeugende Oxidationsreaktion in einer geeignet ausgestalteten Brennkammer statt, welche mit Mitteln zur Erwärmung des Transportmedi ums ausgestattet ist, beispielsweise einem Wärmetauscher. Diese Mittel dienen auch dem Abkühlen des entstehenden Abgasstromes.
Das erhitzte Wärmetransportmedium kann anschl iessend in industriellen Anlagen genutzt werden, oder zum Heizen von Gebäuden. Beispielsweise kann eine Fernheizzentrale bzw. ein Blockheizkraftwerk mit einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung ausgestattet werden. Die Betankungsanlage 41 bildet mit einer Trei bstoffproduktionsanlage 6, wie sie in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP201 0/067847 des Anmelders offenbart ist, einen geschlossenen Kreislauf. Die Anlage 6 produziert aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien 27 fl üssige oder gasförmige Kohlenwasserstoff-Treibstoffe 20. Diese werden mit geeigneten Mitteln zur Betankungsanlage 41 transportiert. Das Kohlendioxid 24 wiederum, gegebenenfal ls mit Anteilen an Kohlenmonoxid und unreagiertem Treibstoff, das vom Fahrzeug 3 in die Betankungsanlage 41 abgeführt worden ist, wird über geeignete Mittel zur Anlage 6 transportiert, wo es in den geschlossenen Kreislauf der Anlage 6 eingespeist wird.
Besonders geeignet ist eine Betankungsanlage 41 beispielsweise für öffentl iche Busbetriebe einer Stadt. In der Regel werden deren Busse ausschliesslich in den betriebseigenen Betan- kungsanlagen betankt. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl umzurüstenden Betan- kungsanlagen 41 können also viele Fahrzeuge 3 erreicht werden. Dies führt zu tieferen Investitionskosten in eine entsprechende Cesamtanlage.
In räumlich klar definierten Gebieten, beispielsweise einer Stadt, können die Rückführung des Kohlendioxids und/oder die Versorgung mit Treibstoff auch über ein geeignetes Versorgungsnetz 5 erfolgen. Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder fl üssigen Betriebstoffen für dieses Verfahren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückführungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.
Figur 6 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines solchen Versorgungsnetzes zur Durchführung eines erfindungsgemässen Versorgungsverfahrens. Im gezeigten Beispiel verfügt das System über zwei ringförmige Netze. In ein erstes Versorgungsnetz 51 wird von einer Pro- duktionsanlage 6 mit geschlossenem Kreislauf gasförmiger oder fl üssiger Trei bstoff 20 eingespeist. Aus diesem Netz 51 beziehen verschiedene Betankungsanlagen 41 die gasförmigen Treibstoffe. Ebenfal ls an das Netz 51 angeschlossen ist ein erster Zwischenspeicher 81 und ein Strom kraftwerk 43, in welchem mittels einer erfindungsgemässen Vorrichtung wie beispielsweise in Figur 4A dargestel lt ein Stromgenerator betrieben wird.
Zusätzlich ist ein zweites Rückführungsnetz 52 vorhanden, in welches die Betankungsanlagen 41 und das Strom kraftwerk 43 das anfallende Kohlendioxid 24 einspeisen. Dieses wird wiederum in die Produktionsanlage 6 zurückgefördert. Ein zweiter Zwischenspeicher 82 dient der Erhöhung der Kapazität des zweiten Netzes. Zusätzlich ist in der gezeigten Variante auch ein Endlager 44 für Kohlendioxid vorgesehen. Kohlendioxid kann aus dem zweiten Netz abgezweigt und unter Druck in ein ausgeschöpftes Erdöl lager gepumpt werden, wo es dann dauerhaft verbleibt.
Wird eine erfindungsgemässe Vorrichtung direkt an ein solches erfindungsgemässes Versorgungssystem 5 angeschlossen, so kann auf einen Betriebsstofftank 31 und/oder Gasspeicher 1 5 für das Kohlendioxid ganz verzichtet werden, da das feste Leitungssystem diese Funktion übernimmt. Dies ist beispielsweise bei der Stromproduktionsanlage 43 in Figur 6 der Fall.
Bezugszeichenl
I Vorrichtung
I I Brennkammer
I I I Zyl inder
1 1 2 Kol ben
1 2 Austrittsvorrichtung, Entl üftungsvorrichtung
1 3 Wärmetauscher
14 Vorrichtung zur Verdichtung, Verdichter
1 5 Gasspeicher
1 6 Zufuhrvorrichtung für Sauerstoff
1 7 Zufuhrvorrichtung für Wasser
1 8 Zufuhrvorrichtung für Treibstoff
20 Betriebsstoff, Trei bstoff
21 , 21 ' , 21 " Reaktionsprodukte, Produktgas, Verbrennungsgas, Abgas
22 Sauerstoff
23, 23 ' Wasser
24 Kohlendioxid
25 Wasserstoff
27 kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe
3 Fahrzeug, mobi le oder stationäre Maschine
31 Treibstofftank
32 Sauerstofftank
41 Betankungsanlage
43 Anlage zur Strom Produktion
44 Endlager für Kohlendioxid
5 Versorgungssystem
51 Versorgungsnetz Treibstoff
52 Rückführungsnetz Kohlendioxid
6 Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen
61 a Erste Stufe zur Erzeugung von Synthesegasgemisch
61 b Zweite Stufe zur Erzeugung von Synthesegasgemisch
62 Dritte Stufe zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffderivaten und anderen
Wertsstoffen
63 Pyrolysekoks
64 Pyrolysegas
65 Synthesegasgemisch
66 Rücklaufgase mit Kohlendioxid
71 Vorrichtung Brennkammer
Zyl inder
Kol ben
Austrittsvorrichtung, Entl üftungsvorrichtung
Brenner
Flamme
Zufuhrvorrichtung für Sauerstoff
Zufuhrvorrichtung für Wasser
Zufuhrvorrichtung für Betriebsstoff
Turbine
Verdichter
Kondensator/Economizer
Generatorvorrichtung
externer Kühl kreislauf
elektrische Energie
Prozessdampf
mechanische Energie
Erster Speicher, Speicher für Betriebsstoffe
Zweiter Speicher, Speicher für Abgase

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie, wobei die Vorrichtung (1 ) die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu einem Abgas (21 ) im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezieht, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1 4) zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases (21 ) und einen Speicher (1 5) zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases (21 ).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffantei l von > 95%, und/oder mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel betrei bbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (1 3) zur Abkühl ung des Abgasstromes (21 ) vor und/oder nach der Vorrichtung (1 4) zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases (21 ).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Abscheidung von Wasser (23) aus dem Abgas (21 ).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) als Brennstoffzel le oder als Wärmekraftmaschine oder als Heizvorrichtung ausgestaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) als Wärmekraftmaschine ausgestaltet ist, und dass diese Wärmekraftmaschine eine Verbrennungskraftmaschine ist, beispielsweise ein Kol benmotor oder eine Turbine, mit mindestens einer Brennkammer (1 1 ) zur Verbrennung von Betriebsstoff (20) mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff (22), mit Mitteln zur Umsetzung des entstehenden Gasdrucks bzw. Casvolumens in mechanische Arbeit, mit einer Zufuhrvorrichtung (1 6) zum Einbringen von Sauerstoff (22) in die Brennkammer (1 1 ), und mit einer Austrittsvorrichtung (1 2) zur Entfernung der Abgase (21 ) aus der Brennkammer (1 1 ), wobei stromabwärts an die Austrittsvorrichtung (1 2) ein Verdichter (1 4) zur Verdichtung der Abgase (21 ) und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase (21 ) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Zufuhrvorrichtung (1 7) zum Einbringen von Wasser (23) in die Brennkammer (1 1 ) und/oder in den Abgasstrom
(21 ) nach dem Austritt aus der Brennkammer (1 1 ).
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) als Heizvorrichtung ausgestaltet ist, mit mindestens einer Brennkammer (1 1 ) zur Verbrennung von Betriebsstoff (20) mit sauerstoffangereicherter Luft oder Sauerstoff (22), mit Mitteln zur Übertragung der entstehenden thermischen Energie auf ein fluides Wärmetransportmedium, mit einer Zufuhrvorrichtung (1 6) zum Einbringen von Sauerstoff
(22) in die Brennkammer (1 1 ), und mit einer Austrittsvorrichtung (1 2) zur Entfernung der Abgase (21 ) aus der Brennkammer (1 1 ), wobei stromabwärts an die Austrittsvorrichtung (1 2) ein Verdichter (1 4) zur Verdichtung der Abgase (21 ) und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur tei lweisen Kondensation der Abgase (21 ) vorgesehen sind.
9. Maschine (3), insbesondere eine mobi le oder stationäre Maschine, mit einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Vorrichtung oder Anlage zum Heizen von Gebäuden, insbesondere eine Heizzentrale, mit einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8.
1 1 . Betankungsanlage (41 ) zur Betankung einer mobilen Maschine (3) oder Anlage mit einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit gasförmigen oder fl üssigen Betriebstoffen (20), gekennzeichnet durch Mittel zur Entnahme von verdichteten Gasen (21 ), insbesondere Kohlendioxid (24), aus einem Speicher (1 5) der mobilen Maschine (3) oder Anlage.
1 2. Betankungsanlage nach Anspruch 1 1 , gekennzeichnet durch Mittel zum Betanken der mobilen Maschine (3) mit Sauerstoff (22) oder sauerstoffangereicherter Luft.
1 3. Versorgungssystem (5) zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer (41 , 43, 3) mit gasförmigen und/oder fl üssigen Betriebstoffen (20), gekennzeichnet durch ein erstes Versorgungsnetz (51 ) für den Transport der Betriebsstoffe (20) von einer oder mehreren Produktionsanlagen (6) und/oder von einem oder mehreren ersten Speichern (81 ) zu den Abnehmern (41 , 43, 3), und ein zweites Rückführungsnetz (52), zum Rücktransport von Abgasen (21 ), insbesondere Kohlendioxid (24), von den Abnehmern (41 , 43, 3) zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern (82).
14. Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie, bei welchem die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu einem Abgas (21 ) im wesentl ichen bestehend aus Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase (21 ) verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher (1 5) aufgefangen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel sauerstoffangereicherte Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffantei l von > 95%, oder reiner Sauerstoff (22) verwendet wird. 6. Verfahren nach Anspruch 1 4 oder 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichteten Abgase (21 ) vor und/oder nach der Verdichtung und/oder Kondensation abgekühlt werden. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 4 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abgasen (21 ) Wasser auskondensiert und/oder abgeschieden wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 4 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Brennstoffzelle oder einer Wärmekraftmaschine oder einer Heizvorrichtung durchgeführt wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffe (20) mit einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen (27) hergestellt werden, bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe (27) pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen; in einer zweiten Stufe der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast wird, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden; und in einer dritten Stufe das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe (20) umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas (66) aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird, und die drei Stufen einen geschlossenen Kreislauf bi lden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mindestens ein Tei l der Abgase (21 ) in einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen (27) verwertet werden, bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe (27) pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen; in einer zweiten Stufe der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast wird, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden; und in einer dritten Stufe das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebstoffe (20) umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas (66) aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird, und die drei Stufen einen geschlossenen Kreislauf bi lden; und wobei die Abgase in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe und/oder die dritte Stufe eingespeist werden.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase (21 ) in das Rücklaufgas (66) eingespeist werden.
22. Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer (41 , 43, 3), welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 durchführen, mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen (20) für dieses Antriebsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnehmer (41 , 43, 3) mit einem ersten Versorgungsnetz (51 ) mit gasförmigen und/oder fl üssigen Betriebstoffen (20) aus einer oder mehreren Produktionsanlagen (6) und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern (81 ) versorgt werden, und dass mit einem zweiten Rückführungsnetz (52) mindestens ein Tei l der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase (21 ), insbesondere Kohlendioxid (24), von den Abnehmern (41 , 43, 3) zu einer oder mehreren Produktionsanlagen (6) zurückgeführt und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern (82) zurückgeführt werden.
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