WO2017182136A1 - Kraftstoff für luft- und raumfahrtfahrzeuge - Google Patents

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WO2017182136A1
WO2017182136A1 PCT/EP2017/025068 EP2017025068W WO2017182136A1 WO 2017182136 A1 WO2017182136 A1 WO 2017182136A1 EP 2017025068 W EP2017025068 W EP 2017025068W WO 2017182136 A1 WO2017182136 A1 WO 2017182136A1
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organic hydrogen
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Stephan MARKUS
Markus Rasch
Sarah Gruber
Johannes HELL
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    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/04—Liquid carbonaceous fuels essentially based on blends of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L2230/00—Function and purpose of a components of a fuel or the composition as a whole
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L2270/00—Specifically adapted fuels
    • C10L2270/04—Specifically adapted fuels for turbines, planes, power generation

Definitions

  • the invention relates to the use of a special fuel for aircraft and space vehicles.
  • Kerosene As fuel or fuel for aircraft and spacecraft, so in particular for aircraft and space ferries, kerosene is mainly used so far. Kerosene has an energy density of 40,000 to 41,000 kJ / kg at a density of 0.75-0.8 kg / l.
  • Dual-substance systems so-called Diergole used, which are characterized by a higher energy density.
  • Basis of this binary system are usually conventional liquid fuels, such as kerosene or alcohols, which are mixed with liquefied gases, in particular hydrogen and / or oxygen.
  • the overall weight of the missile is, inter alia, decisive for the economy of the flight, the flight behavior and the flight duration. It is therefore advantageous to use a fuel with the highest possible energy density.
  • Object of the present invention is therefore to provide a fuel that is easier to store and has a higher energy efficiency than conventional fuels.
  • the object is achieved by using a liquid organic hydrogen carrier as fuel for aircraft or spacecraft.
  • the liquid organic hydrogen carrier is hydrogenated with hydrogen.
  • the liquid organic hydrogen carrier should be fully hydrogenated. This advantageously corresponds to a saturation of 0.1 to 20%, in particular 5 to 10% and preferably 6 to 8%, for example 7% hydrogen.
  • the percentages are percentages based on the weight, ie weight percent (wt .-%).
  • hydrogenation is to be understood here as the addition of hydrogen by chemical reaction to the hydrogen carrier. The hydrogen is then chemically bound in the hydrogen carrier.
  • Liquid organic hydrogen carriers also referred to in German as LOHC (liquid organic hydrogen carrier) are substances which can be hydrogenated with hydrogen and thus store it. Both the hydrogenation and the dehydrogenation of the substance is usually carried out by catalysis and at high
  • Liquid organic hydrogen carriers are preferably liquid both in the hydrogenated and in the dehydrogenated state, so that easy handling by
  • dibenzyltoluene is used as the liquid organic hydrogen carrier.
  • dibenzyltoluene-containing substances are also suitable.
  • preference may be given to using hydrocarbon-containing compounds which contain aromatic groups and / or multiple bonds if it is possible to attach a significant number of hydrogens, which may be present below
  • Liquid organic hydrogen carriers are so far mainly as
  • Hydrogen storage used They are not used as fuel themselves. So for example, in the prior art, the hydrogen carrier is hydrogenated to
  • Hydrogen easier to transport At the site of the hydrogen is released by a dehydrogenation reaction, so that the hydrogen can be used in a fuel cell or an internal combustion engine.
  • the dehydrogenated hydrogen carrier is stored separately and can later be hydrogenated again.
  • the liquid organic hydrogen carrier can be circulated in this way.
  • the hydrogenated liquid organic hydrogen carrier is used as a fuel in an internal combustion engine or an internal combustion engine.
  • the hydrogen is therefore not separated from the hydrogen carrier and then used as fuel.
  • Hydrogen carrier preferably loaded with hydrogen, used as fuel and implemented in an internal combustion engine or an internal combustion engine. In comparison with the previous uses of liquid organic hydrogen carriers, the dehydrogenation step is eliminated.
  • Hydrogen carrier is higher.
  • unhydrogenated dibenzyltoluene which can be used as a hydrogen carrier, has a similar energy density as kerosene of 40,000 kJ / kg.
  • Dibenzyltoluol is hydrogenated, which in a complete hydrogenation 7 wt .-%
  • Hydrogenated dibenzyltoluene additionally has a density of 1 kg / L, in contrast to kerosene at 0.8 kg / L. With less weight and less volume of the fuel, the same power of the drive can be achieved when using hydrogenated liquid organic hydrogen carriers.
  • the energy density can be increased by 15-20% by the hydrogenation of the liquid organic hydrogen carrier. So weight can be saved to the same extent, as less for the same range Fuel is needed. Conversely, with the same weight, that is the same
  • Amount of fuel, the range and / or the possible payload are increased.
  • Hydrogen carrier as fuel in aerospace vehicles if structurally the same drives are used, summarized as follows:
  • the performance of these vehicles can be increased.
  • the weight of fuel can be increased by up to 20% and the required volume of fuel by up to 40% compared to conventional fuels such as kerosene,
  • Petrol or diesel can be reduced.
  • connected devices such as fuel injection or booster systems, are sized smaller, resulting in additional cost and weight savings.
  • Airplanes are understood to be primarily airplanes, but other engines powered by internal combustion engines or aircraft turbines may also benefit from this invention.
  • aerospace vehicles are mainly understood rockets and space shuttle, especially those that can be used multiple times.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers als Kraftstoff für Luftfahrzeuge oder Raumfahrtfahrzeuge.

Description

Beschreibung Kraftstoff für Luft- und Raumfahrtfahrzeuqe
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines speziellen Kraftstoffes für Luftfahrzeuge und Raumfahrtfahrzeuge.
Als Treibstoff oder Kraftstoff für Luftfahrzeuge und Raumfahrtfahrzeuge, also insbesondere für Flugzeuge und Raumfähren, wird bisher vor allem Kerosin verwendet. Kerosin hat eine Energiedichte von 40000 bis 41000 kJ/kg bei einer Dichte von 0,75-0,8 kg/l.
Bei Raketen und Raumfähren, angetrieben mit flüssigem Treibstoff, werden
Zweistoffsysteme, sogenannte Diergole verwendet, die sich durch eine höhere Energiedichte auszeichnen. Basis dieses Zweistoffsystems sind in der Regel herkömmliche flüssige Brennstoffe, wie Kerosin oder Alkohole, welche mit verflüssigten Gasen, insbesondere Wasserstoff und/oder Sauerstoff gemischt werden. Die
Handhabung derartiger Gemische ist schwierig, da eine Entmischung vermieden werden muss. Zudem muss der Treibstoff bei niedrigen Temperaturen gehandhabt werden, um ein Verdampfen der verflüssigten Gase zu vermeiden.
Bei der Luft- und Raumfahrt ist zudem das Gesamtgewicht des Flugkörpers unter anderem entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Fluges, das Flugverhalten und die Flugdauer. Es ist also von Vorteil einen Treibstoff mit möglichst großer Energiedichte zu verwenden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb einen Kraftstoff anzugeben, der einfacher zu lagern ist und eine höhere Energieeffizienz als herkömmliche Kraftstoffe aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein flüssiger organischer Wasserstoffträger als Kraftstoff für Luftfahrzeuge oder Raumfahrtfahrzeuge verwendet wird. Vorteilhafterweise ist der flüssige organische Wasserstoffträger mit Wasserstoff hydriert. Insbesondere sollte der flüssige organische Wasserstoffträger vollständig hydriert sein. Dies entspricht vorteilhaftweise einer Sättigung von 0,1 bis 20 %, insbesondere 5 bis 10 % und bevorzugt 6 bis 8 %, beispielsweise 7 % Wasserstoff. Bei den Prozentangaben handelt es sich um Prozentangaben basierend auf dem Gewicht, also Gewichtsprozent (Gew.-%).
Unter dem Begriff Hydrierung soll hierbei die Addition von Wasserstoff durch chemische Reaktion an den Wasserstoffträger verstanden werden. Der Wasserstoff ist dann in dem Wasserstoffträger chemisch gebunden.
Flüssige organische Wasserstoffträger, auch im Deutschen oft als LOHC (liquid organic hydrogen carrier) bezeichnet, sind Stoffe, welche mit Wasserstoff hydriert werden können und diesen somit speichern. Sowohl die Hydrierung als auch die Dehydrierung des Stoffes erfolgt in der Regel durch Katalyse und bei hohen
Temperaturen (100 - 400 °C) und Drücken (1 bis 70 bar), weshalb sich die flüssigen organischen Wasserstoffträger in normaler Umgebung als stabile Speichersysteme erweisen. Der Wasserstoff wird unter normalen Lagerbedingungen nicht abgegeben. Der Wasserstoff ist fest gebunden und kann nicht verdampfen. Im Gegensatz zum Einsatz von Gemischen, beispielsweise den Diergolen, muss kein großer Aufwand bezüglich der Lagerbedingungen getätigt werden.
Flüssige organische Wasserstoffträger sind bevorzugt sowohl im hydrierten wie auch im dehydrierten Zustand flüssig, so dass eine einfache Handhabung durch
herkömmliche Pumpen und Betankungssysteme möglich ist.
Vorteilhafterweise wird als flüssiger organischer Wasserstoffträger Dibenzyltoluol eingesetzt. Es eignen sich jedoch auch dibenzyltoluolhaltige Stoffe. Zudem können bevorzugt kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen, welche aromatische Gruppen und/oder Mehrfachbindungen enthalten, eingesetzt werden, wenn eine signifikante Anzahl an Wasserstoff gebunden werden kann, welches unter
Umgebungsbedingungen nicht abgespalten wird.
Flüssige organische Wasserstoffträger werden bisher vor allem als
Wasserstoffspeicher eingesetzt. Sie werden nicht selbst als Kraftstoff verwendet. So wird im Stand der Technik beispielsweise der Wasserstoffträger hydriert, um
Wasserstoff leichter transportieren zu können. Am Einsatzort wird der Wasserstoff durch eine Dehydrierungsreaktion freigesetzt, so dass der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Der dehydrierte Wasserstoffträger wird separat gespeichert und kann später wieder hydriert werden. Der flüssige organische Wasserstoffträger kann so im Kreislauf gefahren werden.
Bei der hier vorliegenden Erfindung hingegen wird der hydrierte flüssige organische Wasserstoffträger in einem Verbrennungsmotor oder einer Verbrennungsmaschine als Treibstoff eingesetzt. Der Wasserstoff wird also nicht erst vom Wasserstoffträger getrennt und dann als Treibstoff eingesetzt. Erfindungsgemäß wird der
Wasserstoffträger, bevorzugt mit Wasserstoff beladen, als Treibstoff verwendet und in einem Verbrennungsmotor oder einer Verbrennungsmaschine umgesetzt. Im Vergleich zu den bisherigen Verwendungen von flüssigen organischen Wasserstoffträgern entfällt der Dehydrierungsschritt.
Die Vorteile gegenüber anderen Treibstoffen ergeben sich dadurch, dass die
Energiedichte also der Brennwert des hydrierten flüssigen organischen
Wasserstoffträgers höher ist.
So hat beispielsweise nicht hydriertes Dibenzyltoluol, welches als Wasserstoffträger verwendet werden kann, eine ähnliche Energiedichte wie Kerosin von 40000 kJ/kg. Wird Dibenzyltoluol hydriert, was bei einer vollständigen Hydrierung 7 Gew.-%
Wasserstoff entspricht, erhöht sich die Energiedichte auf 47000-48500 kJ/kg. 7 Gew.- % Wasserstoff ergeben einen erhöhten Brennwert von 2 kWh/kg.
Hydriertes Dibenzyltoluol weist zusätzlich eine Dichte von 1 kg/L im Gegensatz zu Kerosin mit 0,8 kg/L auf. Bei weniger Gewicht und weniger Volumen des Treibstoffes kann so bei der Verwendung von hydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträgern die gleiche Leistung des Antriebes erreicht werden.
Bei dem dargestellten Beispiel kann die Energiedichte durch die Hydrierung des flüssigen organischen Wasserstoffträgers um 15-20 % erhöht werden. In gleichem Maße kann also Gewicht eingespart werden, da für die gleiche Reichweite weniger Treibstoff benötigt wird. Umgekehrt kann bei gleichem Gewicht, also gleicher
Treibstoffmenge, die Reichweite und/oder die mögliche Zuladung erhöht werden.
So lassen sich die Vorteile bei der Verwendung von flüssigen organischen
Wasserstoffträgers als Treibstoff bei Luft- und Raumfahrtfahrzeugen, wenn konstruktiv die gleichen Antriebe verwendet werden, wie folgt zusammenfassen:
• Die Leistung dieser Fahrzeuge kann gesteigert werden. Das mitzuführende Gewicht an Treibstoff kann um bis zu 20 % und das notwendige Volumen an Treibstoff um bis zu 40 % gegenüber herkömmlichen Treibstoffen wie Kerosin,
Benzin oder Diesel verringert werden.
• Durch das geringere Volumen des Treibstofftanks können auch
angeschlossene Apparate, wie beispielsweise die Treibstoffeinspritzung oder die Druckerhöhungsanlagen kleiner dimensioniert werden, was zu zusätzlichen Kosten- und Gewichtseinsparungen führt.
• Insbesondere bei Fahrzeugen, die zum Transport eingesetzt werden, ist es von Vorteil, dass Gewicht beim Treibstoff eingespart werden kann, da sich dadurch die mögliche Zuladung erhöht. Als Luftfahrzeuge werden vor allem Flugzeuge verstanden, aber auch andere mit Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen betriebene Maschinen können von dieser Erfindung profitieren. Als Raumfahrtfahrzeuge werden vor allem Raketen und Raumfähren verstanden, insbesondere solche die mehrfach verwendet werden können.

Claims

Patentansprüche
1 . Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers als Kraftstoff für Luftfahrzeuge oder Raumfahrtfahrzeuge.
2. Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige organische Wasserstoffträger mit Wasserstoff hydriert ist.
3. Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger organischer
Wasserstoffträger Dibenzyltoluol eingesetzt wird.
4. Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wasserstoffträger in einem Verbrennungsmotor oder einer
Verbrennungsmaschine als Treibstoff eingesetzt wird.
5. Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige organische Wasserstoffträger mit 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere mit 5 bis
10 Gew.-% und bevorzugt mit 6 bis 8 Gew.-% Wasserstoff gesättigt wird.
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