WO2007030846A2 - Verfahren zur erzeugung elektrischer energie, verfahren zum betrieb eines elektrisch betriebenen kraftfahrzeuges, sowie vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie und elektrofahrzeug - Google Patents

Verfahren zur erzeugung elektrischer energie, verfahren zum betrieb eines elektrisch betriebenen kraftfahrzeuges, sowie vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie und elektrofahrzeug Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • Method for generating electrical energy Method for operating an electrically operated motor vehicle, and device for generating electrical
  • the invention relates to a method for generating electrical energy, comprising the exothermic, at most catalytic decomposition of a medium, preferably hydrogen peroxide, with the addition of water, wherein the directly resulting from the medium and the water steam is used to drive a steam engine, which with a power generator is connected, a method for operating an electrically operated motor vehicle, comprising the generation of electrical energy on board the motor vehicle and the supply of this energy in at least one electric motor, and a device for generating electrical energy, each with a reservoir for hydrogen peroxide and water, a decomposting - Or combustion chamber, possibly with a catalyst, for the decomposition of hydrogen peroxide, and fed from the Decompostierhunt steam engine with attached generator, and control devices for the introduced into the Decompostierhunt water toffperoxid and water, and an electric vehicle with at least one electric motor and at least one accumulator for supplying the electric motor with electrical energy.
  • a medium preferably hydrogen peroxide
  • the invention relates to a method for generating electrical energy, comprising the exothermic, at most catalytic decomposition of a medium, preferably hydrogen peroxide, with the addition of water, wherein the directly resulting from the medium and the water steam is used to drive a steam engine, which with a power generator is connected, a method for operating an electrically operated motor vehicle, comprising the generation of electrical energy on board the motor vehicle and the supply of this energy in at least one electric motor, and a device for generating electrical energy, each with a reservoir for hydrogen peroxide and water, a decomposting - Or combustion chamber, possibly with a catalyst, for the decomposition of hydrogen peroxide, and fed from the Decompostierhunt steam engine with attached generator, and control devices for the introduced into the Decompostierhunt water toffperoxid and water, and an electric vehicle with at least one electric motor and at least one accumulator for supplying the electric motor with electrical energy.
  • a medium preferably hydrogen peroxide
  • the "feed water” By passing the exhaust steam from the steam engine, the "feed water” is preheated.
  • the recovered energy (during braking, etc.) is stored in heating rods, which are covered with heat-storing material.Thus, these heating rods will have reached a temperature in a short time Sheath together with the heating rods will melt.
  • the object of the present invention was therefore a method for power generation which is suitable especially for use in electric vehicles and an optimized method for operating such a vehicle.
  • Another object of the invention was a device for generating electrical energy, in particular for installation in electric vehicles, and also compared to conventional designs improved electric vehicle.
  • the method described above is characterized in that highly concentrated medium, preferably hydrogen peroxide, decomposes and the steam is condensed after exiting the steam engine and recycled to the process. Due to the inventively closed water cycle with limited and essentially unchangeable amount, typically about 60 kg of water in the H 2 O - tank, on the one hand the independence of external water supply is given as well as the ability to condition this water to the optimum temperature for the process.
  • highly concentrated medium preferably hydrogen peroxide
  • the condensed vapor is added to the exothermic decomposition of the medium, so that there is a cycle working with lowest losses.
  • the energy content of the steam is used after exiting the steam engine for preheating the water.
  • the losses are kept as low as possible on energy or not usable for the generation of heat energy but still useful in the process.
  • Another advantage in the sense of a closed loop as possible with the lowest possible need for external supply is given when repercussed during the decomposition of the medium oxygen in the process.
  • hydrogen peroxide is decomposed with a concentration of at least about 70%, preferably of at least about 80%.
  • a concentration of at least about 70% preferably of at least about 80%.
  • temperatures of more than 600 ° C. may suddenly be reached. This allows the addition of the stoichiometrically correct amount of water, whereby the resulting steam can then be used for further energy production and emits a large part of its energy in the form of hydrodynamic and thermodynamic work.
  • the steam of a steam piston machine is abandoned, in particular a correspondingly slow-running piston engine whose torque is more or less constant and not speed-dependent.
  • Steam piston machines also have the advantage that they have a very high efficiency in long-stroke operation and can be flanged directly to the generator, so that an intermediate gear can be avoided.
  • the object is achieved in that the electrical energy is generated according to one of the preceding paragraphs and fed into at least one accumulator, wherein the electrical energy for at least one electric motor is removed from the accumulator. Due to the decoupling of power generation and supply of the or all electric motors results in an optimization of the operation of the vehicle. For example, a power of the electric motors of a total of about 75 hp, a generator with about 25 hp power consumption is sufficient, since he only has to constantly charge the batteries.
  • the above-described device for generating electrical energy is to achieve the goal set according to the invention characterized in that the steam engine is designed as a steam piston engine, and that a line for the expanded steam leads to a cooling or condensing device, the deduction with the control device for the Addition of water is connected. Due to the return of the steam and the thus closed water cycle, an external water supply can be avoided or severely limited. For the process itself, there are the advantages that the circulating water in the process can be brought by the heat energy generated at the optimum temperature for the process.
  • the use of a steam piston engine with its more or less constant and not speed-dependent torque leads, especially in slow-motion to a very high efficiency, which also contributes that the efficiency of the intermediate gear can be avoided by the possibility of direct flanging to the generator.
  • the withdrawal of the cooling or condensation device is also connected to the reservoir for water, so that not currently used water is not lost, but is kept in the tank for further use available.
  • the efficiency of the device can be increased with simultaneous structural simplification, that the crankshaft of the steam piston engine directly drives the generator and continues as the drive shaft of the generator.
  • an electric vehicle with at least one electric motor and at least one accumulator for supplying the electric motor with electrical energy
  • said object is erf ⁇ ndungshunt characterized in that an apparatus for generating electrical energy according to one of the preceding paragraphs is provided, which for charging the at least one accumulator alone with connected to this accumulator.
  • the power generation is thus decoupled from the supply of the or all electric motors and each area can be optimized for itself.
  • the power generation system does not have to directly supply the power for the electric motors, so that the control is much easier, but only constantly charge the batteries.
  • a tank 2 is an exothermic, catalytically, decomposing medium, preferably high-percentage H 2 O 2 (preferably with a saturation over 70%) injected into a combustion or decomposition chamber 5 via a controller 4.
  • H 2 O 2 preferably high-percentage
  • a controller 4 e.g., a thermocouple
  • H 2 O 2 preferably with a saturation over 70%
  • the hydrogen peroxide can also be used in other forms, for example in powder or tablet form, and, after being introduced into the decomposting chamber 5, brought into contact with water by, for example, a screw conveyor.
  • saturated steam with a temperature of about 136 ° C. which preferably drives a steam piston machine 10 and emits a large part of its energy in the form of hydrodynamic and thermodynamic work, is produced ,
  • the vapor is preferably a residual temperature of about 105 0 C at atmospheric pressure and subsequently cooled in the cooler 11 preferably below 100 0 C.
  • the condensed water is discharged into the tank 1 and the oxygen formed in the decomposition of the hydrogen peroxide in the tank 2 for the H 2 O 2 and / or again via the controller 3 and 4 in the combustion or decomposting 5 injected.
  • this prevents the H 2 O 2 tank 2 from having to absorb air from outside, and secondly, the oxygen recovered is stored and can be released with H 2 O 2 during refueling and fed to other uses. Excess water vapor and excess oxygen can be released into the atmosphere without harmful side effects.
  • less decomposition-capable H 2 O 2 must be injected during the running process and in turn converted into saturated water vapor.
  • the energy required for the operation of, for example, an electric vehicle is generated by means of at least one generator 9 which is directly, i. Flanged directly without intermediate gear, operated by the steam piston engine 10.
  • This steam piston engine 10 with its constant torque characteristic is operated at lower, preferably also constant, speeds for the generators 9, which in turn is advantageous for the operation of a generator (9).
  • the damping machine can be structurally designed optimally for exactly this speed range.
  • the electrical energy generated by the generators 9 is stored in rechargeable batteries 7, of which batteries 7, the one or more electric motors 8, which are the sole drive of the vehicle, are fed.
  • the advantage here is that batteries can deliver extremely high power for a short time.
  • the mode of operation during commissioning of a vehicle with the drive system according to the invention could be represented as follows, assuming fully charged accumulators 7.
  • the drive is taken at start by turning a switch and / or pressing a variable resistor in operation.
  • a preferably electronic control unit 6 monitors the state of charge of the batteries 7. If this drops below a predefined value, the steam engine 10 is put into operation by injecting H 2 O 2 from tank 2 via regulator 4 into the combustion / decomposting chamber 5.
  • the same control unit 6 monitors the pressure and temperature of the combustion / decomposting chamber 5 and regulates the injection of H 2 O 2 from tank 2 via controller 4 and / or H 2 O from tank 1 via regulator 3 in the correct ratio. If the temperature rises too high, more H 2 O will be injected.
  • non-high temperature resistant materials stainless steel, duralumin, ceramics and polymers.
  • all components are preferably designed heat-insulated.
  • Another advantage of the invention is that, in the event of an accident, H 2 O 2 is released into the environment and may self-decompose due to the natural presence of catalysts (chlorophyll, rust, platinum, high-percentage silver, blood, etc.) due to the free expansion and in this case uninhibited expansion possibility of H 2 O 2 , only temperatures around 60 0 C can be achieved.
  • catalysts chlororophyll, rust, platinum, high-percentage silver, blood, etc.

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Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst die exotherme, allenfalls katalytische Zersetzung eines Mediums, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, unter Zugabe von Wasser und die Nutzung des Dampfes zum Antrieb einer Dampfmaschine, welche mit einem Stromgenerator verbunden ist. Um das Verfahren speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu verbessern, wird hoch konzentriertes Medium, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, zersetzt und der Dampf nach Austritt aus der Dampfmaschine kondensiert und in das Verfahren rückgeführt. Der Betrieb eines Elektrofahrzeuges wird vorteilhafterweise derart gestaltet, dass die elektrische Energie wie oben erläutert erzeugt und in zumindest einen Akkumulator eingespeist wird, wobei die elektrische Energie für zumindest einen Elektromotor aus dem Akkumulator entnommen wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, Verfahren zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges, sowie Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer
Energie und Elektrofahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend die exotherme, allenfalls katalytische Zersetzung eines Mediums, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, unter Zugabe von Wasser, wobei der aus dem Medium und dem Wasser unmittelbar entstehende Dampf zum Antrieb einer Dampfmaschine genutzt wird, welche mit einem Stromgenerator verbunden ist, ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges, umfassend die Erzeugung elektrischer Energie an Bord des Kraftfahrzeuges und die Einspeisung dieser Energie in zumindest einen Elektromotor, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit je einem Vorratsbehälter für Wasserstoffperoxid und Wasser, einer Dekompostier- bzw. Brennkammer, allenfalls mit einem Katalysator, für die Zersetzung des Wasserstoffperoxides, und einer aus der Dekompostierkammer gespeisten Dampfmaschine mit angeschlossenem Generator, sowie Regeleinrichtungen für das in die Dekompostierkammer einzubringende Wasserstoffperoxid und Wasser, und ein Elektrofahrzeug mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Akkumulator zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie.
Es sind mehrere Hybridantriebe (Diesel- Elektro- und Benzin- Elektro) bekannt. Des weiteren ist seit 1940 ein Antrieb von Ing. Walther für U-Boote und Flugzeuge mittels H2O2 bekannt. Die NASA experimentierte kurz nach dem 2. Weltkrieg mit H202-Raketen bzw. es wurde ein Gemisch aus Kerosin und H2O2 benutzt - ähnlich dem Walther-Antrieb „heiße Version" mit H2O2 und Diesel. Heute gibt es H2O2 betriebene Torpedos und den James Bond - Raketenrucksack". Elektroautomobile sind aber über das „Spielstadium" bis heute nicht wirklich hinausgekommen, wenn man vom elektrisch betriebenen Postpaketwagen von Prof. F. Porsche in der Nachkriegszeit absieht.
Der Elektroantrieb weist zwar gegenüber dem Verbrennungsmotor als Vorteile erstens die Abgasfreiheit und zweitens die im Vergleich nahezu umgekehrte Drehmomentscharakteristik auf (Verbrennungskraftmotoren haben ihr größtes Drehmoment meist in einem Drehzahlbereich über 2.500 min"1, während Elektromotoren ihr größtes Drehmoment im untersten Drehzahlbereich besitzen). Die Problematik heutiger Elektroantriebe ist aber die geringe Reichweite, es sei denn man würde die benötige elektrische Energie just in dem Moment erzeugen, wo sie gebraucht wird. Letzteres ist das erklärte Ziel des Antriebs mittels Brennstoffzelle und Wasserstoff. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass Wasserstoff entweder dauernd auf minus 256°C gekühlt werden muss (das heißt auch, wenn ein Fahrzeug nicht in Betrieb ist müsste die Wasserstoffkühlung weiter laufen) bzw. der Wasserstoff müsste unter höchstem Druck flüssig gehalten werden. In beiden Fällen käme es im Falle eines Verkehrsunfalls mit größter Wahrscheinlichkeit zu einem Supergau. Die landläufig vertretene Meinung, dass sich
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend die exotherme, allenfalls katalytische Zersetzung eines Mediums, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, unter Zugabe von Wasser, wobei der aus dem Medium und dem Wasser unmittelbar entstehende Dampf zum Antrieb einer Dampfmaschine genutzt wird, welche mit einem Stromgenerator verbunden ist, ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges, umfassend die Erzeugung elektrischer Energie an Bord des Kraftfahrzeuges und die Einspeisung dieser Energie in zumindest einen Elektromotor, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit je einem Vorratsbehälter für Wasserstoffperoxid und Wasser, einer Dekompostier- bzw. Brennkammer, allenfalls mit einem Katalysator, für die Zersetzung des Wasserstoffperoxides, und einer aus der Dekompostierkammer gespeisten Dampfmaschine mit angeschlossenem Generator, sowie Regeleinrichtungen für das in die Dekompostierkammer einzubringende Wasserstoffperoxid und Wasser, und ein Elektrofahr- zeug mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Akkumulator zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie.
Es sind mehrere Hybridantriebe (Diesel- Elektro- und Benzin- Elektro) bekannt. Des weiteren ist seit 1940 ein Antrieb von Ing. Walther für U-Boote und Flugzeuge mittels H2O2 bekannt. Die NASA experimentierte kurz nach dem 2. Weltkrieg mit H202-Raketen bzw. es wurde ein Gemisch aus Kerosin und H2O2 benutzt - ähnlich dem Walther-Antrieb „heiße Version" mit H2O2 und Diesel. Heute gibt es H2O2 betriebene Torpedos und den James Bond - Raketenrucksack". Elektroautomobile sind aber über das „Spielstadium" bis heute nicht wirklich hinausgekommen, wenn man vom elektrisch betriebenen Postpaketwagen von Prof. F. Porsche in der Nachkriegszeit absieht.
Der Elektroantrieb weist zwar gegenüber dem Verbrennungsmotor als Vorteile erstens die Abgasfreiheit und zweitens die im Vergleich nahezu umgekehrte Drehmomentscharakteristik auf (Verbrennungskraftmotoren haben ihr größtes Drehmoment meist in einem Drehzahlbereich über 2.500 min"1, während Elektromotoren ihr größtes Drehmoment im untersten Drehzahlbereich besitzen). Die Problematik heutiger Elektroantriebe ist aber die geringe Reichweite, es sei denn man würde die benötige elektrische Energie just in dem Mo- ment erzeugen, wo sie gebraucht wird. Letzteres ist das erklärte Ziel des Antriebs mittels Brennstoffzelle und Wasserstoff.
Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass Wasserstoff entweder dauernd auf minus 2560C gekühlt werden muss (das heißt auch, wenn ein Fahrzeug nicht in Betrieb ist müsste die Wasserstoffkühlung weiter laufen) bzw. der Wasserstoff müsste unter höchstem Druck flüssig gehalten werden. In beiden Fällen käme es im Falle eines Verkehrsunfalls mit größter Wahrscheinlichkeit zu einem Supergau. Die landläufig vertretene Meinung, dass sich das aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Knallgas verflüchtigen würde, ist zwar unrichtig, alleine das Verbot für Flüssiggas betriebene Kraftfahrzeuge in nahezu sämtlichen Tiefgaragen und/oder Tunnels führt die Wasserstofftheorie ad Absurdum.
Eine simple Dampf kolbenmaschine, die mit z.B. H2O2 und einer zusätzlichen Flüssigkeit, z.B. H2O betrieben wird, ist in der US 6 250 078 B geoffenbart. Hierbei wird die verbleibende Restenergie einfach ausgestoßen. Zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges ist dieser Antrieb ungeeignet, da beispielsweise bei einer angestrebten Leistung von 75 PS an der Antriebswelle ca. 120 kg H2O2 pro Stunde „verfeuert" werden müssten, weil im „Dampfkessel" immer entsprechende Leistung vorhanden sein muss und die Regelung der abzugebenden Leistung nicht über die „Heizung" stattfinden kann, da dies zu schwerfällig wäre (die Reaktionszeit wäre viel zu lange).
Eine exotherme Zersetzung von H2O2 findet auch in der Energieerzeugungsanlage gemäß der GB 1 292 046 A statt, wo jedoch Wasser von außen zugeführt wird, welches daher immer die Umgebungstemperatur haben wird. Die Abgabe von Temperaturenergie an die Umwelt sollte aber möglichst vermieden werden, um so wenig H2O2 wie nur irgendwie möglich zu verbrauchen. Gemäß der GB 1 292 046 A wird darüber hinaus eine Turbine angetrieben. Diese benötigt aber auch entsprechend mehr Dampf als eine Kolbenmaschine und läuft nur in hohen Drehzahlbereichen mit entsprechend brauchbarem Wirkungsgrad (Spaltverluste). Eine sehr hohe Drehzahl ist wiederum zum Betrieb von Generatoren (insbesondere wenn diese klein sein sollen) kontraproduktiv, d.h. es muss ein entsprechendes Getriebe zwischengeschaltet werden, wo dann aber rasch die Grenzen des Machbaren bezüglich Verzahnung erreicht werden. Zusätzlich kommt es zu entsprechend langen Anlauf- und Endphasen, wo die Turbine nicht die konstante Drehzahl hat, die für den Betrieb des Generators notwendig sind, was wiederum entsprechend hohen Verbrauch an Wasserstoffperoxid zur Folge hat.
In der US 6 282 900 Bl ist eine Anlage geoffenbart, bei der in einem Reaktor Carbid und Wasser unter Erzeugung von Acetylen zersetzt werden, wonach das Acetylen verfeuert und zur Dampferzeugung aus Wasser herangezogen wird. Der in die Dampfmaschine, welche als Turbine ausgeführt ist, im von der Carbid-Wasser-Reaktion komplett getrennten Kreislauf entstehende Dampf wird nach Kondensation wieder rückgeführt. Die exotherme Zersetzung des Carbids mit dem Reaktions-Wasser wird zur Vorwärmung des Wassers im Dampfkreislauf genutzt.
In der DE 34 04 090 Al ist ein Dampfmotor beschrieben, bei dem Eisenoxyd und Koks miteinander reagieren, bei dem dann deren Reaktionswärme Wasser zum Verdampfen bringt, und dieser Dampf als auch das entstehende Kohlendioxid eine Dampfkolbenmaschine antreiben. Es handelt es sich also um eine Dampfmaschine mit echter Verbrennung jenseits von 1000 C0, gezündet mittels Lichtbogens, ähnlich dem Thermitschweißverfahren beim Schweißen von Eisenbahnschienen. Daher entstehen hier feste, zu entsorgende Rückstände, welche sich darüber hinaus etwa so verhalten wie Schleifmittel auf einer Schleifscheibe, was die Lauffähigkeit einer dadurch angetriebenen Maschine drastisch verkürzt. Durch Hindurchleiten des Abdampfes aus der Dampfmaschine wird das „Speisewasser" vorgewärmt. Die rückgewonnene Energie (beim Bremsen, etc.) wird in Heizstäben gespeichert, welche mit wärmespeicherndem Material ummantelt sind. Damit werden diese Heizstäbe in kurzer Zeit eine Temperatur erreicht haben, welche die Ummantelung samt der Heizstäbe zum Schmelzen bringen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war also ein speziell für den Einsatz in Elekt- rofahrzeugen geeignetes Verfahren zur Stromerzeugung und ein optimiertes Verfahren zu Betrieb eines derartigen Fahrzeuges. Ein weiteres Ziel der Erfindung war eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesonders für den Einbau in Elektrofahrzeuge, und auch ein gegenüber herkömmlichen Konstruktionen verbessertes Elektrofahrzeug.
Zu Lösung der gestellten Aufgabe ist das eingangs beschriebene Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass hoch konzentriertes Medium, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, zersetzt und der Dampf nach Austritt aus der Dampfmaschine kondensiert und in das Verfahren rückgeführt wird. Durch den erfindungsgemäß geschlossenen Wasserkreislauf mit begrenzter und im wesentlichen unveränderlicher Menge, typischerweise ca. 60 kg Wasser im H2O - Tank, ist einerseits die Unabhängigkeit von externer Wasserversorgung gegeben sowie auch die Möglichkeit, dieses Wasser auf für den Prozess optimale Temperatur zu konditionieren.
Vorteilhafterweise wird dabei der kondensierte Dampf zur exothermen Zersetzung des Mediums zugegeben, so dass ein mit geringsten Verlusten arbeitender Kreislauf vorliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energieinhalt des Dampfes nach Austritt aus der Dampfmaschine zur Vorwärmung des Wassers genutzt wird. Damit werden die Verluste auch an Energie möglichst gering gehalten bzw. wird nicht für die Stromerzeugung nutzbare Wärmeenergie doch noch im Prozess sinnvoll genutzt. Ein weiterer Vorteil im Sinn eines möglichst geschlossenen Kreislaufs mit geringstmöglichem Bedarf an externer Versorgung ist dann gegeben, wenn während der Zersetzung des Mediums entstehender Sauerstoff in das Verfahren rückgefühlt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Wasserstoffperoxid mit einer Konzentration von zumindest etwa 70 %, vorzugsweise von zumindest etwa 80 % zersetzt wird. Bei Dekompostierung von H2O2 mit einer Sättigung über 70 %, welches gleichzeitig daran gehindert sich ungehemmt ausdehnen zu können, werden unter Umständen schlagartig Temperaturen über 6000C erreicht. Dies ermöglicht die Hinzugabe der stöchiometrisch richtigen Menge Wasser, wobei der so entstandene Dampf dann zur weiteren Energiegewinnung genutzt werden kann und dabei einen Großteil seiner Energie in Form von hydrodynamischer und thermodynamischer Arbeit abgibt.
Vorteilhafterweise wird dabei der Dampf einer Dampfkolbenmaschine aufgegeben, insbesonders einer entsprechend langsam laufenden Kolbenmaschine, deren Drehmoment mehr oder weniger konstant und nicht drehzahlabhängig ist. Dampfkolbenmaschinen haben überdies den Vorteil, dass sie im Langsambetrieb einen sehr hohen Wirkungsgrad haben und direkt an den Generator geflanscht werden können, so dass ein Zwischengetriebe vermieden werden kann.
Beim eingangs beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die elektrische Energie gemäß einem der vorhergehenden Absätze erzeugt und in zumindest einen Akkumulator eingespeist wird, wobei die elektrische Energie für zumindest einen Elektromotor aus dem Akkumulator entnommen wird. Auf Grund der Entkoppelung von Stromerzeugung und Versorgung des oder aller Elektromotoren ergibt sich eine Optimierung für den Betrieb des Fahrzeuges. Für beispielsweise eine Leistung der E-Motoren von insgesamt ca. 75 PS ist ein Generator mit ca. 25 PS Leistungsaufnahme ausreichend, da er ja nur konstant die Akkus laden muss. Aus den Akkus können aber kurzfristig (für Beschleunigung oder Bergauf-Fahrt) durchaus 75 PS gezogen werden - sie werden dann nur rascher „leer". Beim Bremsen oder bei Bergabfahrt kommt von den E-Motoren mehr oder weniger der beim Beschleunigen oder Bergauffahren verbrauchte „Mehrstrom" ja wieder zurück an die Akkus, da E-Motoren umgekehrt ja als Generator verwendet werden können. Zusätzlich dazu könnten die Akkus des Fahrzeuges ja in der Garage bereits an der Steckdose aufgeladen werden - wenn heutige Elektroautos für ca. 2 Stunden Energie in den Akkus haben, sollte mit ca. 70 kg H2O2 an Bord eine Fahrzeit von etwa 6 Stunden erreichbar und damit ein Elektroauto auch im täglichen praktischen Einsatz verwendbar sein. Die eingangs erläuterte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie ist zum Erreichen des gesteckten Ziels erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfmaschine als Dampfkolbenmaschine ausgeführt ist, und dass eine Leitung für den entspannten Dampf zu einer Kühl- bzw. Kondensationseinrichtung führt, deren Abzug mit der Regeleinrichtung für die Zugabe von Wasser verbunden ist. Durch die Rückführung des Dampfes und den somit geschlossenen Wasserkreislauf kann eine externe Wasserversorgung vermieden bzw. stark begrenzt werden. Für den Prozess an sich ergeben sich die Vorteile, dass das im Verfahren zirkulierende Wasser durch die erzeugte Wärmeenergie auf für den Prozess optimale Temperatur gebracht werden kann. Die Verwendung einer Dampfkolbenmaschine mit ihrem mehr oder weniger konstanten und nicht drehzahlabhängigen Drehmoment führt, speziell im Langsambetrieb zu einem sehr hohen Wirkungsgrad, wozu auch beiträgt, dass durch die Möglichkeit der unmittelbaren Anflanschung an den Generator ein den Wirkungsgrad verringerndes Zwischengetriebe vermieden werden kann.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Abzug der Kühl- bzw. Kondensationseinrichtung auch mit dem Vorratsbehälter für Wasser verbunden ist, so dass auch momentan nicht gebrauchtes Wasser nicht verloren geht, sondern im Tank für weitere Verwendung zur Verfügung gehalten wird.
Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Abzug der Kühlbzw. Kondensationseinrichtung für gasförmigen Sauerstoff mit dem Vorratsbehälter für das Medium verbunden ist, werden die Vorteile des autarken, die Umwelt möglichst wenig beeinträchtigenden Systems weiter ausgebaut.
Der Wirkungsgrad der Vorrichtung kann bei gleichzeitiger baulicher Vereinfachung dadurch erhöht werden, dass die Kurbelwelle der Dampfkolbenmaschine unmittelbar den Generator antreibt bzw. sich als Antriebswelle des Generators fortsetzt.
Bei einem Elektrofahrzeug mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Akkumulator zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie wird das genannte Ziel erfϊndungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß einem der vorhergehenden Absätze vorgesehen ist, welche zur Aufladung des zumindest einen Akkumulators allein mit diesem Akkumulator verbunden ist. Die Stromerzeugung ist somit von der Versorgung des oder aller Elektromotoren entkoppelt und jeder Bereich kann für sich optimiert werden. Überdies muss das Energieerzeugungssystem nicht unmittelbar den Strom für die Elektromotoren liefern, so dass sich auch die Regelung wesentlich einfacher darstellt, sondern nur konstant die Akkus laden. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildung, welche eine schematische Darstellung des Energieerzeugungssystems bis hin zu den Elektromotoren eines Elektrofahrzeuges zeigt, näher erläutert.
Aus einem Tank 2 wird über einen Regler 4 ein sich exotherm, allenfalls katalytisch, zersetzendes Medium, vorzugsweise hochprozentiges H2O2 (vorzugsweise mit einer Sättigung über 70 %) in eine Brenn- bzw. Dekompostierkammer 5 eingespritzt. Unter bestimmten Bedingungen (Katalysator, z.B. aufgedampftes Platin, aber auch ausreichend hoher Temperatur) dekompostiert dieses H2O2, da es sich dabei um eine instabile Lösung handelt, in H2O und 0. Bei dieser Zersetzung wird Energie, unter Umständen schlagartig, in Form von Wärme frei, wenn die Reaktionsprodukte gleichzeitig daran gehindert werden, sich ungehemmt ausdehnen zu können, So können Temperaturen von über 6000C erreicht werden. Selbstverständlich kann das Wasserstoffperoxid auch in anderen Formen verwendet werden, beispielsweise in Pulver- oder Tablettenform, und nach Eintrag in die Dekompostierkammer 5 durch beispielsweise einen Schneckenförderer mit Wasser in Kontakt gebracht werden.
Bei Hinzugabe der stöchiometrisch richtigen Menge H2O aus dem Tank 1 über den Regler 3 entsteht gesättigter Dampf mit einer Temperatur von ca. 136°C, welcher vorzugsweise eine Dampfkolbenmaschine 10 antreibt und dabei einen Großteil seiner Energie in Form von hydrodynamischer und thermodynamischer Arbeit abgibt.
Danach wird der Dampf vorzugsweise eine Resttemperatur von ca. 105 0C bei Normaldruck aufweisen und in weiterer Folge im Kühler 11 vorzugsweise unter 100 0C abgekühlt. Je nach Bedarf wird das kondensierte Wasser in den Tank 1 und der bei der Zersetzung des Wasserstoffperoxides entstandene Sauerstoff in den Tank 2 für das H2O2 abgegeben und/oder wiederum über die Regler 3 bzw. 4 in die Brenn- bzw. Dekompostierkammer 5 eingespritzt. Erstens wird dadurch verhindert, dass der H202-Tank 2 Luft von außen aufnehmen muß, und zweitens wird der gewonnene Sauerstoff gespeichert und kann beim Wiederauftanken mit H2O2 abgegeben und anderen Verwendungszwecken zugeführt werden. Überschüssiger Wasserdampf und überschüssiger Sauerstoff können ohne schädliche Nebenwirkungen in die Atmosphäre ausgeblasen werden. Der hohen Temperatur des Wassers entsprechend muss im laufenden Prozess weniger dekompostierfähiges H2O2 eingespritzt und wiederum in gesättigten Wasserdampf umgewandelt werden.
Um eine Dampfkolbenmaschine 10 mit ca. 25 PS zu betreiben, sind ca. 250 kg gesättigter Wasserdampf mit ca. 140 0C pro Stunde notwendig. Ausgangsseitig wird dieser Dampf immer noch über 105 0C haben. Bei Abkühlung im Kühler 11 auf unter 100 0C wird auch kolbenausgangsseitig Unterdruck erzeugt. Mit der Wärmeenergie des entspannten Dampfes kann vorteilhafterweise auch das Wasser im H2O Tank 1 erwärmt werden, so dass dieses mit ca. 95 0C in die Dekompostierkammer 5 eingespritzt und dem Wasserstoffperoxid zugegeben werden kann. Damit ist für gleiche Dampfmenge wie bei herkömmlichen Verfahren erfindungsgemäß weitaus weniger H2O2 (vergleichsweise nur 37,5 % der üblichen Menge) notwendig, wie aus der folgenden Tabelle zu ersehen ist.
H2O2 Verbrauch for 250 kg gesättigten Dampf mit ca. 140 °C
H2O2-
ZersetzungsDampf H3 to H2O Verbrauch/
H2O2 temperatur 140 C° 20 C° 95 C° Stunde
[kg] [C°] [kg] [kg] [kg] [kg]
1,00 700,00 5,83 4,83 42,86
1,00 700,00 15,56 14,56 16,07
Die für den Betrieb beispielsweise eines Elektrofahrzeuges benötigte Energie wird mittels zumindest eines Generators 9 erzeugt, der unmittelbar, d.h. ohne Zwischengetriebe direkt angeflanscht, von der Dampfkolbenmaschine 10 betrieben wird. Diese Dampfkolbenmaschine 10 mit ihrer konstanten Drehmomentcharakteristik wird mit für die Generatoren 9 niedriger, vorzugsweise auch konstanter Drehzahl betrieben, was wiederum für den Betrieb eines Generators (9) vorteilhaft ist. Des weiteren kann die Dämpfmaschine konstruktiv für genau diesen Drehzahlbereich optimal ausgelegt werden. Die von den Generatoren 9 erzeugte elektrische Energie wird in wiederaufladbaren Batterien 7 gespeichert, von welchen Batterien 7 der oder die Elektromotoren 8, die den alleinigen Antrieb des Fahrzeuges darstellen, gespeist werden. Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass Batterien kurzzeitig extrem hohe Leistungen abgeben können.
Die Funktionsweise bei Inbetriebnahme eines Fahrzeuges mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem könnte, unter der Annahme voll aufgeladener Akkumulatoren 7, wie folgt dargestellt werden. Der Antrieb wird beim Starten durch Umlegen eines Schalters und/oder Betätigen eines Regelwiderstandes in Betrieb genommen. Eine vorzugsweise elektronische Kontrolleinheit 6 überwacht dabei den Ladezustand der Batterien 7. Wenn dieser unter einen vordefinierten Wert abfällt, wird die Dampfmaschine 10 durch Einspritzen von H2O2 aus Tank 2 über Regler 4 in die Brenn~/Dekompostierungskammer 5 in Betrieb genommen. Dieselbe Kontrolleinheit 6 überwacht Druck und Temperatur der Brenn- /Dekompostierungskammer 5 und regelt die Einspritzung von H2O2 aus Tank 2 über Regler 4 und/oder H2O aus Tank 1 über Regler 3 im richtigen Verhältnis. Steigt die Temperatur zu hoch an, wird entsprechend mehr H2O eingespritzt.
Erfindungsgemäß ergibt sich daraus noch ein materialtechnischer Vorteil, weil hohe Temperaturen, wie sie z.B. in Verbrennungskraftmotoren vorkommen, gänzlich vermieden werden können. Dies ermöglicht den Einsatz von nicht-hochtemperaturbeständigen Materialien (Edelstahl, Duraluminϊum, Keramik und Polymere). Des weiteren ergibt sich erfϊndungs- gemäß der Vorteil, dass der größtmögliche Anteil der Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt wird und nicht wie z.B. beim Verbrennungskraftmotor der größte Teil der Wärmeenergie weggekühlt werden muss. Selbstverständlich sind alle Komponenten vorzugsweise wärmeisoliert ausgeführt.
Sobald die Batterien 7 vom Generator 9 - oder vom rückgeführten Strom der Motoren 8 aus Brems- oder Verzögerungsenergie gewonnen - voll geladen sind, wird die durch gezieltes Einspritzen von H2O über Regler 3 kontrollierte Kettenreaktion dadurch gestoppt, dass die Zufuhr von H2O2 durch Regler 4 unterbunden wird. Erfindungsgemäß wird dadurch die Unabhängigkeit von externen elektrischen Aufladequellen erreicht, was aber die Möglichkeit des Aufladens der Batterien 7 aus externen Quellen naturgemäß nicht ausschließt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass H2O2 im Falle eines Unfalls zwar in die Umwelt austritt und unter Umständen auf Grund des natürlichen Vorhandenseins von Katalysatoren (Chlorophyll, Rost, Platin, hochprozentiges Silber, Blut u.v.a.m.) die Selbstdekompostierung eintritt, wobei jedoch auf Grund der freien Ausdehnung und in diesem Fall ungehemmten Ausdehnungsmöglichkeit des H2O2, nur Temperaturen um die 60 0C erreicht werden.
Sinkt der Ladestand der Batterien 7 auf Grund des Verbrauches durch die Motoren 8 oder anderer Zusatzgeräte (Licht usw.) unter den vordefinierten Stand, setzt die Kontrolleinheit 6 den „Ladevorgang" wieder ein. Erfindungsgemäß ergibt sich hier zusätzlich der Vorteil, dass dies auch geschehen kann, während die Motoren 8 nicht betrieben werden. Der Ladevorgang kann zusätzlich durch Solarelemente unterstützt werden.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend die exotherme, allenfalls katalytische Zersetzung eines Mediums, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, unter Zugabe von Wasser, wobei der aus dem Medium und dem Wasser unmittelbar entstehende Dampf zum Antrieb einer Dampfmaschine genutzt wird, welche mit einem Stromgenerator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass hoch konzentriertes Medium, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, zersetzt und der Dampf nach Austritt aus der Dampfmaschine kondensiert und in das Verfahren rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kondensierte Dampf zur exothermen Zersetzung des Mediums zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieinhalt des Dampfes nach Austritt aus der Dampfmaschine zur Vorwärmung des Wassers genutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zersetzung des Mediums entstehender Sauerstoff in das Verfahren rückgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoffperoxid mit einer Konzentration von zumindest etwa 70 %, vorzugsweise von zumindest etwa 80 % zersetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf einer Dampfkolbenmaschine aufgegeben wird.
7. Verfahren zum Betrieb eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges, umfassend die Erzeugung elektrischer Energie an Bord des Kraftfahrzeuges und die Einspeisung dieser Energie in zumindest einen Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 erzeugt und in zumindest einen Akkumulator eingespeist wird, wobei die elektrische Energie für zumindest einen E- lektromotor aus dem Akkumulator entnommen wird.
8. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit je einem Vorratsbehälter für exotherm zersetzbares Medium, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, und Wasser, einer Dekompostier- bzw. Brennkammer, allenfalls mit einem Katalysator, für die Zersetzung des Mediums, und einer aus der Dekompostierkammer gespeisten Dampfmaschine mit angeschlossenem Generator, sowie Regeleinrichtungen für das in die Dekompostierkammer einzubringende Medium und Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfmaschine als Dampfkolbenmaschine ausgeführt ist, und dass eine Leitung für den entspannten Dampf zu einer Kühl- bzw. Kondensationseinrichtung führt, deren Abzug mit der Regeleinrichtung für die Zugabe von Wasser verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzug der Kühlbzw. Kondensationseinrichtung auch mit dem Vorratsbehälter für Wasser verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzug der Kühl- bzw. Kondensationseinrichtung für gasförmigen Sauerstoff mit dem Vorratsbehälter für das Medium verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle der Dampfkolbenmaschine unmittelbar den Generator antreibt bzw. sich als Antriebswelle des Generators fortsetzt.
12. Elektrofahrzeug mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Akkumulator zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 vorgesehen ist, welche zur Aufladung des zumindest einen Akkumulators allein mit diesem Akkumulator verbunden ist.
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