WO2022152759A2 - Verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine eines wasserfahrzeugs - Google Patents

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    • F02B2075/1808—Number of cylinders two

Definitions

  • the invention relates to the use of methanol, in particular one produced in a globally CCh-neutral manner, as a fuel for an internal combustion engine of a watercraft.
  • the invention also relates to a method for operating an internal combustion engine of a watercraft and a watercraft with a sustainable propulsion system.
  • Mobility is one of the most important prerequisites for economic success, employment and prosperity. At the same time, however, mobility also means a heavy environmental impact from transport systems and from the global traffic volume, which has increased continuously over the past decades. The efficiency of internal combustion engines has improved significantly and they have become cleaner and quieter. Due to the increased traffic, however, large quantities of greenhouse gases and air pollutants are still being produced and released into the atmosphere. With the increase in traffic, the energy consumption of traffic in Germany, for example, has more than tripled since 1960. Traffic is currently responsible for around a fifth of greenhouse gas emissions in Germany. What applies to the environmental and climate pollution in Germany also applies to the global climate situation, which suffers significantly from the burning of fossil fuels in shipping. This applies not only to commercial shipping, but also to a particular extent to leisure shipping.
  • the annual greenhouse gas emissions in the transport sector are to be reduced from currently around 160 million tons of CCh equivalents to 95 to 98 million tons of CO2 equivalents in 2030, for example with the climate protection plan 2050 adopted in Germany .
  • the European Commission is also pursuing the goal of decarbonising the European mobility system by 2050, i.e. making it greenhouse gas-neutral. Success depends on whether the measures taken to achieve these goals are supported by broad sections of society and whether these measures are economical are.
  • the central goal is to ensure that the current mobility needs of broad sections of the population are met in the most environmentally friendly way possible. This means that a successful mobility solution not only has to be technically feasible and target-oriented, but also has to be measured against the costs of current mobility solutions.
  • methanol plays an important role as a fuel.
  • the production of methanol takes place through the synthesis of hydrogen and carbon dioxide, which are obtained regeneratively or in a greenhouse gas-neutral manner.
  • WO 2018/112654 A1 describes a method in which hydrogen is produced by electrolysis and carbon dioxide is obtained by direct separation from the ambient air, which is used to produce methanol.
  • the known method is not suitable for providing an energy source in sufficient quantity and with the required economic efficiency in order to noticeably reduce the impact on the climate and at the same time meet current mobility needs.
  • the object of the invention is to provide a way of operating watercraft in a climate-friendly manner. Furthermore, the object of the invention is to specify a climate-friendly operating method for watercraft and a watercraft with a climate-friendly propulsion system.
  • the invention is based on the idea of specifying the use of methanol in an internal combustion engine, in particular a power generator, of a watercraft, in particular powered by hybrid electricity, the methanol being produced in a process in which
  • the hydrogen and the carbon dioxide are supplied to a methanol synthesis unit for the production of methanol and are synthesized therein to form methanol and
  • a photovoltaic unit absorbs solar energy and converts it into electrical energy.
  • the electrolysis unit, the carbon dioxide sorption unit and the methanol synthesis unit are operated by the electrical energy generated in the photovoltaic unit.
  • methanol which is produced by the method steps described above, a watercraft can be operated in a climate-friendly, in particular climate-neutral manner.
  • this technology offers potential for achieving climate-neutral leisure mobility and climate-neutral goods transport.
  • the methanol which is preferably CCh-neutrally produced in regions with high annual solar radiation, for example in Saudi Arabia, Oman, Australia or other regions that have continuously high solar radiation, is easy to transport and store. Therefore, methanol is particularly suitable as an energy source that can be used worldwide.
  • methanol has a sufficient energy density so that it can be used sensibly for shipping. Refueling is also much faster than charging a battery, so that such a drive concept can be expected to be more widely accepted, especially in commercial shipping. This applies in particular to the operation of light ferries or pleasure boats.
  • a preferred embodiment provides that the water is first desalinated in a seawater desalination unit and then fed to the electrolysis unit, the seawater desalination unit being operated mainly, in particular completely, by the electrical energy generated in the photovoltaic unit.
  • the photovoltaic unit can have an output, in particular peak output, of at least 1.0 gigawatt, in particular at least 1.3 gigawatt, in particular at least 1.5 gigawatt.
  • the seawater desalination unit for producing desalinated water preferably has a capacity of at least 900,000 tons of seawater per year.
  • the electrolysis unit can be connected by at least one pipeline to the seawater desalination unit for the supply of water, in particular desalinated water.
  • the carbon dioxide sorption unit for sorption of carbon dioxide from the ambient air can have an extraction capacity of at least 400,000 tons of carbon dioxide per year, in particular at least 600,000 tons of carbon dioxide per year from the ambient air.
  • the methanol synthesis unit can be connected by at least one pipeline to the electrolysis unit for the supply of hydrogen and by at least one pipeline to the carbon dioxide sorption unit for the supply of carbon dioxide.
  • the seawater desalination unit, the electrolysis unit, the carbon dioxide sorption unit and the methanol synthesis unit can each be connected to the photovoltaic unit for power supply and can be arranged in a coherent system area with the photovoltaic unit.
  • the methanol is produced in a region with high solar radiation, in particular solar radiation of more than 2000 kWh/m 2 a, in particular more than 2300 kWh/m 2 a, in particular more than 2500 kWh/m 2 a .
  • the photovoltaic unit can absorb at least 1500 kWh/m 2 a, in particular at least 2000 kWh/m 2 a, in particular at least 2300 kWh/m 2 a, in particular at least 2500 kWh/m 2 a, in particular at least 2700 kWh/m 2 a be adapted to solar energy.
  • the methanol synthesis unit can have an output capacity of at least 300,000 tons, in particular at least 450,000 tons, of regeneratively produced methanol per year. A discharge capacity of 450,000 tons of renewably produced methanol per year is particularly preferred.
  • the process-technically relevant units of the system can each be connected to the photovoltaic unit for power supply and can be arranged together with the photovoltaic unit in a coherent system area. This means that the individual units are arranged in close proximity to each other and combined in a uniform system. It is not necessary for the investment area to be closed.
  • the individual units can be separated from one another, for example, by supply roads that run through the plant. This ensures that the transport of material flows and the power supply between the units takes place with the lowest possible losses.
  • the system as a whole is constructed in such a way that it can be positioned in a location-optimized manner and operated independently.
  • the particular advantage of the combination of the seawater desalination unit and the photovoltaic unit is that the system can be set up in geographical regions, such as the Middle East or Africa, which have both high levels of solar radiation and access to seawater, so that on the one hand the energy supply to the system is provided by the photovoltaic unit and on the other hand the provision of sufficiently large amounts of water for the electrolysis unit is made possible in an economical manner.
  • the system By supplying power to the electrolysis unit, which is provided exclusively by the photovoltaic unit, the system produces hydrogen in a regenerative manner.
  • the carbon dioxide required for the production of methanol can be extracted from the ambient air of the plant by the carbon dioxide sorption unit.
  • methanol production takes place in a regenerative manner without the generation of carbon dioxide. Rather, the carbon dioxide concentration in the atmosphere is even reduced by removing the carbon dioxide from the ambient air.
  • the plant is therefore suitable for being part of a climate-neutral energy system that forms a global carbon dioxide cycle with regeneratively produced methanol as an energy source.
  • the system enables the economic efficiency of the measures taken, which is necessary for the implementation of the climate targets mentioned above. Compared to the production and use of hydrogen for fuel cells, the conversion losses increase due to the additional process steps required for the synthesis of methanol. However, this is offset by much greater economic advantages in terms of the global infrastructure costs that arise when burning methanol compared to purely electric drives or fuel cell technology. The costs for complex charging stations or for the technically complex storage of hydrogen are eliminated when regeneratively produced methanol is burned. The storage and transport of methanol does not require any special measures and is comparable to the handling of conventional fuels.
  • Another advantage of regeneratively produced methanol compared to the energy sources hydrogen or batteries is that the energy density of methanol at 4.35 kWh/liter is much higher than that of high-pressure hydrogen (800 bar) at 1.25 kWh/liter. liquid hydrogen with 2.36 kWh/litre and batteries with 0.5 kWh/litre.
  • a comparison of current energy prices which is intended to give an approximate indication of the energy costs of a plant for the regenerative production of methanol, shows that the photovoltaic unit provided as part of the plant is an important component in order not only to produce synthetic fuel in a regenerative way, but this can also be produced so economically that the fuel can assert itself in competition with other energy sources.
  • the energy prices for wind energy (2.39 EURct/kWh) and hydropower energy (1.71 EURct/kWh) are currently (2020) already well below the energy prices for fossil fuels and, of course, nuclear energy.
  • the energy price for generating electricity from photovoltaics is even lower, at 1.14 EURct/kWh for electricity generated in regions with high and long periods of sunshine, such as the Middle East or Africa.
  • Photovoltaic systems for example with an installed capacity of 2 gigawatts, already exist there and are able to produce electricity at the price mentioned above.
  • the system can be designed to be installed in regions in which large areas cannot be used for agriculture because these are deserts or steppes, so that sufficiently large areas are available for a correspondingly large photovoltaic unit.
  • the power, in particular the peak power of the photovoltaic unit is preferably at least 1.0 gigawatt, in particular at least 1.3 gigawatt, in particular at least 1.5 gigawatt.
  • the seawater desalination unit for the production of desalinated water is designed for a capacity of at least 900,000 tons of seawater per year.
  • the carbon dioxide sorption unit is preferably designed for an extraction capacity of at least 400,000 tons of carbon dioxide per year, in particular at least 600,000 tons of carbon dioxide per year from the ambient air.
  • the seawater desalination unit and the carbon dioxide sorption unit are thus matched in terms of performance to the methanol synthesis unit, which has a delivery capacity of at least 300,000 tons, in particular at least 450,000 tons of regeneratively produced methanol per year.
  • the electricity required for the power supply of the above process units, including the electrolysis unit, is provided by the photovoltaic unit, which is capable of absorbing at least 1500 kWh/m 2 a, in particular at least 2000 kWh/m 2 a, in particular at least 2300 kWh/m 2 a, in particular at least 2500 kWh / m 2 a, in particular at least 2700 kWh / m 2 a solar energy is adapted.
  • the unit kWh/m 2 a means kilowatt hours per square meter and year.
  • the system can form the basic unit for a larger system complex with several systems that are designed in accordance with the system described above. This means that the production of methanol can be scaled up in larger quantities, so that with a corresponding number of plants, a large, and in particular the entire, energy requirement of the world population can be covered.
  • the invention is also based on the idea of specifying a method for operating an internal combustion engine of a watercraft, in particular on inland waters, in which
  • the hydrogen and the carbon dioxide are supplied to a methanol synthesis unit for the production of methanol and synthesized therein to form methanol,
  • a photovoltaic unit absorbs solar energy and converts it into electrical energy.
  • the electrolysis unit, the carbon dioxide sorption unit and the methanol synthesis unit are operated by the electrical energy generated in the photovoltaic unit, the methanol produced being transported by means of a distribution system to at least one tank of the watercraft and, if required, fed from the tank to the internal combustion engine and therein for generation mechanical energy is burned.
  • the internal combustion engine is part of a power unit of a hybrid-electrically powered watercraft, with the mechanical energy of the internal combustion engine being converted into electrical drive energy for the propulsion of the watercraft in the power unit.
  • the distribution system is preferably adapted to distribute the regeneratively produced methanol from the dispensing device to end users for incineration of the regeneratively produced methanol.
  • the distribution system is designed, for example, in the form of a logistics network in which the methanol is transported in tankers to gas stations, preferably in ports.
  • the tank, in particular a methanol fuel tank, of the watercraft can be filled up with methanol at the filling stations.
  • the distribution system can be preceded by a transport system which is connected or can be connected to the methanol synthesis unit of the plant according to the invention and is adapted to transport the methanol produced regeneratively by the methanol synthesis unit from the methanol synthesis unit to at least one delivery device.
  • the transport system can be stationary or mobile, involving, for example, pumps and pipelines or transport by tankers.
  • the tankers can also be operated using the method described here. Transport systems that are known per se, for example for the transport of crude oil, can be used here.
  • the dispensing device may be a storage tank at a port or at a pumping station.
  • Combustion of the regeneratively produced methanol produces carbon dioxide, which is released into the atmosphere.
  • the desired carbon dioxide cycle is closed by the carbon dioxide sorption unit separating the carbon dioxide that has gotten into the atmosphere directly or indirectly from it and using it for the methanol production process.
  • the methanol produced in this way and thus the carbon dioxide used for its production are returned to the carbon dioxide cycle.
  • the water is desalinated in a seawater desalination unit and then fed to the electrolysis unit, the seawater desalination unit being operated mainly, in particular completely, by the electrical energy generated in the photovoltaic unit.
  • the methanol is used as the main fuel in the internal combustion engine.
  • the methanol therefore does not form an additive that is mixed with another fuel. Rather, the methanol is used in such a way that the internal combustion engine is operated directly with it.
  • the internal combustion engine is preferably a reciprocating engine which is operated with a compression ratio of at least 14:1, in particular at least 16:1, in particular at least 18:1, in particular at least 20:1.
  • the reciprocating engine can in particular be a four-stroke gasoline engine.
  • a portion of the methanol can be split in a splitting unit into a synthesis gas that comprises or consists of hydrogen and carbon monoxide, and the synthesis gas alone or together with the methanol can be fed into the reciprocating engine, the splitting unit in the watercraft, in particular between a tank and the reciprocating engine , is arranged.
  • the synthesis gas can increase the ignitability of the methanol fuel and thus contribute to even more efficient operation of the reciprocating engine.
  • a further aspect of the invention relates to a watercraft with a drive system, the drive system having a power unit, at least one drive battery and at least one electric motor which draws electrical energy from the drive battery.
  • the generator comprises a two-cylinder reciprocating engine with two cylinder-piston units in tandem arrangement and at least one generator for generating electrical energy, each cylinder-piston unit having a crankshaft and the crankshafts of both cylinder-piston units being mechanically coupled to one another are, and wherein at least one crankshaft, in particular both crankshafts respectively, is mechanically connected to the at least one generator.
  • the two-cylinder reciprocating engine is preferably adapted for operation with methanol, in particular regeneratively produced methanol, as the main fuel.
  • the electric motor preferably acts via a gearbox or directly on a drive shaft of a propeller. When the watercraft is in operation, the propeller can rotate freely in the water or be integrated into a water jet propulsion system.
  • a tank can be provided which is fluidly connected to the two-cylinder reciprocating piston engine and at least partially, preferably completely, filled with regeneratively produced methanol. It is possible for the drive system to have a plurality of generators, each of which is electrically connected to a common drive battery or to a number of separate drive batteries.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a plant for the production of a globally usable energy source according to a preferred exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a perspective view of a plant for the production of a globally usable energy carrier according to a further preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a plan view of a flat system area of the system according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through the planar system area of the system according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a flow chart of the method for producing a globally usable energy carrier with the system according to FIG. 1 or the system according to FIG. 2 and
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a power unit of a watercraft according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows the embodiment of a plant 10, which is designed for the production of a globally usable energy source in the form of methanol.
  • the system 10 includes an electrolysis unit 11, a carbon dioxide sorption unit 12, a seawater desalination unit 27 and a methanol synthesis unit 34.
  • a photovoltaic unit 24 is provided for the power supply of the above-mentioned units, which is electrically connected to the corresponding units 11, 12, 27, 34 .
  • the plant components mentioned above are arranged on a coherent plant site, so that the exchange of material and energy flows between the various units and the power supply take place with the lowest possible losses.
  • the shape of the plant is not limited to the shape shown in FIG.
  • the electrolysis unit 11 is connected to the seawater desalination unit 27 by at least one pipeline (not shown) for the supply of water, in particular desalinated water.
  • the desalinated water is fed to the electrolysis unit 11 through the pipeline.
  • the methanol synthesis unit 34 is connected to the electrolysis unit 11 on the one hand by at least one pipeline and to the carbon dioxide sorption unit 12 on the other hand by at least one additional pipeline. Through the two pipelines produced in the electrolysis unit 11 and hydrogen the carbon dioxide separated in the carbon dioxide sorption unit 12 is fed to the methanol synthesis unit 34 . In the methanol synthesis unit 34, methanol is produced therefrom.
  • the seawater desalination unit can be designed in such a way that it can absorb and desalinate at least 900000 t seawater per year.
  • the carbon dioxide sorption unit can be designed for an extraction capacity of at least 400,000 tons of carbon dioxide per year, in particular at least 600,000 tons of carbon dioxide per year, which is removed from the ambient air.
  • the methanol synthesis unit 34 is adapted to produce at least 300,000 t, in particular 450,000 t, of regeneratively produced methanol per year.
  • the photovoltaic unit 24 can have an output of approximately 1.5 GW and, depending on the solar radiation, can absorb at least 1500 kWh/m 2 a.
  • the photovoltaic unit 24 is preferably adapted to absorb at least 2500 kWh/m 2 a.
  • the electrolysis unit 11 is designed to split a quantity of water M HZO into an oxygen subset M02 and a hydrogen subset by electrolysis.
  • the electrolysis unit 11 thus forms a unit for water electrolysis.
  • the electrolysis unit 11 is connected to a water supply line 13 for receiving the amount of water M H2O.
  • a pump unit 25 is arranged between the electrolysis unit 11 and the water supply line 13 .
  • the pump unit 25 has at least one pump for transporting water from a water reservoir 26 .
  • the water reservoir 26 can be a sea of sea water. Alternatively, the water reservoir 26 may be a fresh water lake. It is also possible that the water supply line 13 is connected to a river to take fresh water for water electrolysis.
  • the water supply line 13 is connected to a sea for taking sea water.
  • the system 10 is preferably arranged near the coast in order to keep the distance to the water supply, in particular the water supply line 13, short.
  • the pump unit 25 is designed to pump seawater out of the sea and to make it available to other system parts or units for further processing to deliver.
  • the system 10 has a seawater desalination unit 27 .
  • the seawater desalination unit 27 is connected to the pump unit 25 by at least one pipeline.
  • the seawater desalination unit 27 is adapted to separate out a specific proportion of salt from the conveyed quantity of seawater M HZO so that the seawater has a reduced salt content after the desalination process by the seawater desalination unit 27 .
  • the amount of desalinated seawater M H 2O corresponds to the amount of water M H 2O that is broken down by the electrolysis unit 11 into an oxygen subset MO2 and a hydrogen subset.
  • the electrolysis unit 11 is connected to the seawater desalination unit 27 by at least one pipeline. In order to convey the desalinated seawater from the seawater desalination unit 27 to the electrolysis unit 11, at least one further pump can be interposed.
  • the electrolysis unit 11 is designed to split the amount of water M H2O taken up into a hydrogen subset and an oxygen subset MO2.
  • the hydrogen portion is fed to the methanol synthesis unit 34 .
  • the oxygen subset M02 is released into the environment.
  • the electrolysis unit 11 is preferably adapted to separate an oxygen partial quantity MO2 of at least 1.2 kg and a quantity of hydrogen of at least 0.15 kg, in particular 0.19 kg, from a quantity of water M H2O of at least 1.5 kg.
  • the electrolysis unit 11 has an oxygen outlet 16 which opens into the outside atmosphere.
  • the plant 10 has a hydrogen transport device for supplying the hydrogen to the methanol synthesis unit 34, which is not shown.
  • the plant 10 prefferably has a hydrogen store so that the methanol synthesis unit 34 can be supplied with hydrogen as continuously as possible.
  • the carbon dioxide sorption unit 12 has an air inlet 14 for supplying the ambient air UL and a downstream sorber device 15 . It is possible for the carbon dioxide sorption unit 12 to have one or more air inlets 14 .
  • the Sorber 15 is with the Air inlet 14 connected.
  • the sorber device 15 is adapted to extract an amount of carbon dioxide from the ambient air UL.
  • the carbon dioxide sorption unit 12 further has an air outlet 17 oriented upward in the vertical direction.
  • the air outlet 17 serves to discharge the exhaust air UL′, the carbon dioxide concentration of which is lower than the carbon dioxide concentration of the ambient air UL.
  • the air outlet 17 is part of a chimney 19.
  • the sorber device 15 is arranged between the air inlet 14 and the air outlet 17 .
  • the ambient air UL flows through the air inlet 14 to the sorber device 15, which separates, in particular filters, a certain amount of carbon dioxide from the air UL, with the filtered output air UL' flowing after the sorber device 15 through the air outlet 17 into the outside atmosphere.
  • the sorber device 15 In general, it is possible for several air inlets 14, several sorber devices 15 and several air outlets 17 to be provided.
  • FIG. 1 shows the external structure of the carbon dioxide sorption unit 12 as an example.
  • the air outlet 17 also opens into the outside atmosphere, just like the oxygen outlet 16.
  • the system 10 also includes a carbon dioxide transport device, not shown, which is designed to make the quantity of carbon dioxide separated from the ambient air UL available to a carbon dioxide store and/or the methanol synthesis unit 34 for further processing.
  • the purpose of the carbon dioxide store is to ensure that the methanol synthesis unit 34 is supplied with carbon dioxide as continuously as possible.
  • the carbon dioxide sorption unit 12 can have an extraction capacity of at least 400,000 tons, in particular 600,000 tons, of carbon dioxide per year. In other words, the carbon dioxide sorption unit 12 can be designed to process at least 1500 megatons of ambient air per year. Specifically, the carbon dioxide sorption unit 12 is preferably adapted to extract at least 1.4 kg of carbon dioxide from at least 3300 kg of ambient air.
  • the system 10 has a flat system area 23 .
  • the flat plant area 23 directly adjoins the electrolysis unit 11 .
  • a power generation unit 31 which is a photovoltaic unit 24 , is arranged on the flat system area 23 .
  • the photovoltaic unit 24 is connected to the respective units of the system 10 for power supply.
  • the photovoltaic unit 24 is adapted in such a way that the entire system 10 can be operated in an energy self-sufficient manner. This means that the electrical power for operating the entire system 10 can be provided exclusively by solar energy using the photovoltaic unit 24 . In other words, preferably no fossil energy sources are used for the operation of the system 10 .
  • the flat plant area 23 can have a longitudinal extent 32 of approximately 5000 meters and a transverse extent 33 of approximately 2000 meters.
  • the planar plant area of the plant 10 is preferably formed over an area of 10 square kilometers.
  • the plant area shown in FIG. 1 including the electrolysis unit 11 can have a partial longitudinal extension 29 of approximately two kilometers. Other partial longitudinal, longitudinal and transverse extensions 29, 32, 33 are possible.
  • the sea water desalination unit 27 described above is connected to a water return line 28 through which a quantity of sea water M'HZO to be returned with an increased salt content is returned to the sea. Specifically, a specific salt content is extracted from the amount of seawater removed and then returned to the sea with part of the amount of seawater removed as the amount of water M'HZO to be returned. This provides a water cycle that is harmless to nature.
  • the preferred location of the system 10 is near the coast of a sea.
  • the system 10 is particularly preferably set up in a desert.
  • a methanol delivery line 35 may connect the system 10 to a methanol delivery point, such as at a port.
  • the system 10 according to FIG. 1 is a large power plant.
  • the system 10 can have at least one assembly area 18 which is connected to a foundation of a building and/or a structure.
  • the Electrolysis unit 11 and / or the carbon dioxide sorption unit 12 are arranged in a common building or in separate buildings.
  • the power supply unit 31 preferably has a power store, not shown, which is adapted to power the system 10 in night-time operation.
  • FIG. 2 shows a system 10 in which the individual carbon dioxide sorption unit 12 is replaced by a plurality of carbon dioxide sorption units 12 .
  • the respective carbon dioxide sorption unit 12 according to FIG. 2 has a chimney 19 and a flow channel 21 running transversely to the chimney 19 . This can be clearly seen in FIG. 4, for example.
  • the flow channel 21 is connected to the chimney 19 at a region of the chimney which is arranged at the bottom in the installed position.
  • a sorber device 15 is arranged between the flow channel 21 and the chimney 19 and is designed to extract a quantity of carbon dioxide from the ambient air UL.
  • the sorber device 15 is formed by an amine exchanger. Other types of sorbers are possible.
  • the chimneys 19 are arranged along the longitudinal extent 32 of the planar contact area 23 .
  • the flat contact area 23 has a surface 22 arranged at the top in the installed position.
  • the surface 22 arranged at the top is dark-colored, at least in sections, in order to absorb solar energy.
  • the flow channels 21 are arranged below the surface 22 arranged at the top.
  • a plurality of air inlets 14 are formed in the surface 22 arranged at the top for supplying ambient air UL into the flow channels 21 .
  • the air inlets 14 form passage openings through the surface 22 arranged at the top. These are shown in FIG. 3 only on the first flow channel 21 for the sake of better illustration. The number of air inlets 14 is also variable.
  • ambient air flows through the air inlets 14 into the flow channel 21 and then through the sorber device 15.
  • the exhaust air UL′ with a reduced carbon dioxide concentration flows into the chimney 19 and through the air outlet 17 into the outside atmosphere.
  • the temperature of the ambient air UL in the flow channel 21 is preferably approx. 60°C.
  • the arrangement of the chimney with the flow channel 21 and the dark-colored surface 22 produces natural ventilation. In other words, no fan or blower is required for the supply of the ambient air UL into the flow channel 21 and for the flow through the sorber device 15 and the outflow of the cleaned ambient air UL′ from the chimney 19 .
  • Fig. 3 shows a plan view of the flat system area 23 of the system 10 according to Fig. 2.
  • the numbering from 1 to 40 shown along the longitudinal extension 32 represents the number of chimneys 19 arranged on the longitudinal extension 32.
  • the lines running transversely to the longitudinal extension 32 show schematic separations between the individual flow channels 21.
  • the individual flow channels 21 are each associated with a chimney 19.
  • a sorber device 15 is arranged between the flow channel 21 and the chimney 19 .
  • the longitudinal extension 32 of the planar installation area 23 is approximately 5000 meters and the transverse extension 33 of the planar installation area 23 is approximately 2000 meters.
  • a total of forty chimneys 19 with a total of forty flow channels 21 are provided in the flat system area 23 . These have a combined discharge capacity of discharged air UL' of at least 1800 megatons per year.
  • the chimneys 19 have a diameter D which is 25 meters.
  • the diameter D refers to that area of the chimney 19 in which the air outlet 17 is formed.
  • the air outlet 17 is formed at a free end of the chimney 19 .
  • the respective chimney 19 has a height H of 100 meters. This creates an optimal shape for the chimney effect for natural ventilation. Other dimensions of the chimneys 19 are possible.
  • chimneys 19 each with an associated flow channel 21 , can be arranged in the flat system area 23 .
  • the flat contact area 23 is provided with a photovoltaic unit 24 on the surface 22 arranged at the top.
  • a photovoltaic unit 24 is arranged on the surface 22 arranged at the top of the flat system area 23 .
  • the photovoltaic unit 24 preferably has an output of 1.5 gigawatts per year.
  • the carbon dioxide sorption unit 12 and the photovoltaic unit 24 spatially form a common unit.
  • the plant 10 is supplied with an amount of approximately 2 kg of seawater and desalinated in the seawater desalination unit 27 .
  • Approx. 1.13 kg of desalinated water are produced in the process.
  • the residual salt water (approx. 0.87 kg) is returned to the sea through the water return line 28 .
  • the desalinated water and any additional amounts of water that occur in later process steps are split into hydrogen (approx. 0.19 kg) and oxygen (approx. 1.5 kg).
  • the carbon dioxide sorption unit 12 takes in about 3371.75 kg of air through the air inlet 14 and extracts about 1.38 kg of carbon dioxide therefrom.
  • Hydrogen and carbon dioxide are fed to the methanol synthesis unit and processed there into 1 kg of methanol.
  • the excess heat produced during the synthesis is fed to the carbon dioxide sorption unit 12 .
  • the synthesis also produces water in an amount of approx. 0.56 kg, which is fed to the electrolysis unit.
  • the photovoltaic system converts around 51 kWh of solar energy into around 12.83 kWh of usable electricity.
  • the generator 120 includes a two-cylinder reciprocating engine 121 with a first cylinder-piston unit 122 and a second cylinder-piston unit 123.
  • Each of the cylinder-piston units 122, 123 includes a piston 124 which is guided in a cylinder 125.
  • the piston 124 is coupled to a connecting rod 126 that connects the piston 124 to a crankshaft 127 .
  • the crankshafts 127 are aligned parallel to one another and carry each spur gears 127a, which have an external toothing.
  • the externally toothed spur gears 127a mesh so that the spur gears 127a rotate in opposite directions.
  • Each spur gear 127a is coupled to a generator 130 via a toothed belt 128 .
  • a total of two generators 130 are provided.
  • the generators 130 also include balancing weights 130a, which bring about a balancing of the inertia forces and the inertia moments.
  • the generator set 120 further includes a cam belt 131 connecting one of the crankshafts 127 to camshafts 132 .
  • a camshaft 132 is assigned to each cylinder-piston unit 122, 123 in each case.
  • the camshafts 132 each act on valves 133, with each cylinder-piston unit preferably having four valves 133 each.
  • an oil pan 134 is provided, in which an oil pump 135 is arranged.
  • the oil pump 135 is driven by an oil pump belt 136 connecting the oil pump 135 to one of the crankshafts 127 .
  • the oil pump 135 is preferably connected to a different crankshaft 127 than the camshafts 132 .
  • An oil filter 137 is also arranged on the oil pan 134 .
  • the power unit 120 has a particularly compact design. It manages with relatively few parts and is therefore maintenance-friendly and has a low weight.
  • the two-cylinder reciprocating engine is particularly low-noise and low-vibration.
  • the two-cylinder reciprocating engine can be encapsulated in a housing, in which case the housing can also contribute to the low level of noise and vibration.
  • the propulsion system of a watercraft may include multiple generator sets 120 that cooperate to produce electricity and feed propulsion batteries.
  • the cylinders 125 of the cylinder-piston units 122, 123 are arranged in an offset manner with respect to one another.
  • the center axes of the cylinders 125 are at a smaller distance from one another than the center axes of the crankshafts 127 .
  • the connecting rods 126 are at the top dead center of the pistons 124, as shown in FIG is slightly inclined towards each other. This massively reduces the vibrations when the motor starts up. In particular, when starting the power unit 120, starting moments of inertia are reduced in this way, so that the otherwise known starting vibrations do not occur.
  • the power unit 120 is preferably operated to drive a watercraft and, via the generators 130, provides the electrical energy that is required for ferry operation in order to use the electric motors.
  • a 48 volt, 400 volt or 800 volt system is preferably integrated as the electrical system.
  • the drive batteries are preferably dimensioned in such a way that the watercraft can travel between 10 km and 120 km, in particular between 20 km and 100 km, in particular between 25 km and 60 km, exclusively electrically, i.e. without operating the power generator.
  • the generator set 120 is powered by the renewably produced methanol.
  • a corresponding tank is provided for this purpose, which takes up regeneratively produced methanol or is filled with it. In this way, a particularly economical and at the same time climate-friendly operation of the watercraft is possible.
  • the invention offers a technically feasible and economical solution to the acute climate problem, which can be implemented within a reasonable time frame due to the scalability of the systems described.
  • the invention takes into account the geographical opportunities that certain regions of the world offer and impresses with its simplicity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Wasserfahrzeugs, insbesondere auf Binnengewässern, bei dem - in einer Elektrolyseeinheit (11) zur Herstellung von Wasserstoff Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird,- eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) aus der Umgebungsluft Kohlenstoffdioxid extrahiert, - einer Methanolsyntheseeinheit (34) zur Herstellung von Methanol der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid zugeführt und darin zu Methanol synthetisiert werden,- eine Photovoltaikeinheit (24) Sonnenenergie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, wobei die Elektrolyseeinheit (11), die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) und die Methanolsyntheseeinheit (34) durch die in der Photovoltaikeinheit (24) erzeugte elektrische Energie betrieben werden, wobei das hergestellte Methanol mittels eines Verteilsystems zu wenigstens einem Tank des Wasserfahrzeugs transportiert und von dem Tank bedarfsweise der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und darin zur Erzeugung mechanischer Energie verbrannt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Wasserfahrzeugs
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von, insbesondere global CCh-neutral hergestelltem, Methanol als Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor eines Wasserfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Wasserfahrzeugs und ein Wasserfahrzeug mit einem nachhaltigen Antriebssystem.
Mobilität, insbesondere auch von Gütern, ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für wirtschaftlichen Erfolg, Beschäftigung und Wohlstand. Mobilität bedeutet zugleich aber auch eine starke Umweltbelastung durch Verkehrssysteme und durch die in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich angestiegene, globale Verkehrsleistung. Zwar hat sich die Effizienz von Verbrennungsmotoren deutlich verbessert und diese sind sauberer und leiser geworden. Durch die gestiegene Verkehrsleistung werden aber weiterhin große Mengen an Klimagasen und Luftschadstoffen erzeugt und in die Atmosphäre abgegeben. Mit der Zunahme der Verkehrsleistung hat sich der Energieverbrauch des Verkehrs bspw. in Deutschland seit 1960 mehr als verdreifacht. Aktuell ist der Verkehr für etwa ein Fünftel der Treibhausgasemissionen in Deutschland verantwortlich. Was für die Umwelt- und Klimabelastung in Deutschland gilt, gilt auch für die globale Klimasituation, die wesentlich unter der Verbrennung fossiler Brennstoffe im Schiffsverkehr leidet. Dies betrifft nicht nur die Berufsschifffahrt, sondern im besonderen Maße auch die Freizeitschifffahrt.
Um dieser negativen Entwicklung entgegenzuwirken und Klimaschäden zu begrenzen, sollen bspw. mit dem in Deutschland beschlossenen Klimaschutzplan 2050 die jährlichen Treibhausgas-Emissionen im Verkehrssektor von aktuell rund 160 Millionen Tonnen CCh-Äquivalente auf 95 bis 98 Millionen Tonnen CO2- Äquivalente im Jahr 2030 gesenkt werden. Die Europäische Kommission verfolgt ebenfalls das Ziel, das europäische Mobilitätssystem bis zum Jahr 2050 zu dekarbonisieren, also treibhausgasneutral zu gestalten. Der Erfolg hängt davon ab, ob die für das Erreichen dieser Ziele getroffenen Maßnahmen von breiten Gesellschaftsschichten getragen werden und ob diese Maßnahmen wirtschaftlich sind. Zentrales Ziel ist es, die heutigen Mobilitätsbedürfnisse breiter Bevölkerungsgruppen in Zukunft in einer möglichst umweltverträglichen Weise zu gewährleisten. Das bedeutet, dass eine erfolgreiche Mobilitätslösung nicht nur technisch machbar und zielführend sein muss, sondern sich auch an den Kosten aktueller Mobilitätslösungen messen lassen muss.
Die Verwendung synthetisch hergestellter Brennstoffe ist ein wichtiger Baustein bei der Entwicklung neuer Mobilitätskonzepte. Dabei spielt Methanol als Brennstoff eine wichtige Rolle. Die Herstellung von Methanol erfolgt durch die Synthese von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, die regenerativ bzw. treibhausgasneutral gewonnen werden. Dazu ist bspw. in WO 2018/112654 Al ein Verfahren beschrieben, bei dem Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt und Kohlenstoffdioxid durch direkte Abscheidung aus der Umgebungsluft gewonnen wird, die zur Erzeugung von Methanol verwendet werden. Das bekannte Verfahren ist allerdings nicht dazu geeignet, einen Energieträger in ausreichender Menge und mit der erforderlichen Wirtschaftlichkeit bereitzustellen, um in spürbarem Ausmaß die Klimabelastungen zu verringern und gleichzeitig den aktuellen Mobilitätsbedürfnissen zu genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, Wasserfahrzeuge klimafreundlich zu betreiben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein klimafreundliches Betriebsverfahren für Wasserfahrzeuge sowie ein Wasserfahrzeug mit einem klimafreundlichen Antriebssystem anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Verwendung gemäß Patentanspruch 5 und ein Wasserfahrzeug gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, eine Verwendung von Methanol in einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Stromaggregat, eines, insbesondere hybridelektrisch angetriebenen, Wasserfahrzeugs anzugeben, wobei das Methanol in einem Verfahren hergestellt wird, bei dem
- in einer Elektrolyseeinheit zur Herstellung von Wasserstoff Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, - eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit aus der Umgebungsluft Kohlenstoffdioxid extrahiert,
- einer Methanolsyntheseeinheit zur Herstellung von Methanol der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid zugeführt und darin zu Methanol synthetisiert werden und
- eine Photovoltaikeinheit Sonnenenergie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt.
Die Elektrolyseeinheit, die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit und die Methanolsyntheseeinheit werden dabei durch die in der Photovoltaikeinheit erzeugte elektrische Energie betrieben.
Durch die Verwendung von Methanol, dass durch die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte hergestellt wird, kann ein Wasserfahrzeug klimafreundlich, insbesondere klimaneutral, betrieben werden. Insofern bietet diese Technologie Potential, um eine klimaneutrale Freizeitmobilität und einen klimaneutralen Gütertransport zu erreichen. Das Methanol, das vorzugsweise in Regionen mit hoher jährlicher Sonneneinstrahlung CCh-neutral erzeugt wird, beispielsweise in Saudi-Arabien, dem Oman, Australien oder sonstigen Regionen, die eine kontinuierlich hohe Sonneneinstrahlung haben, ist leicht zu transportieren und zu lagern. Daher eignet sich Methanol besonders als weltweit einsetzbarer Energieträger.
Ferner weist Methanol eine ausreichende Energiedichte auf, so dass es für den Schiffsverkehr sinnvoll genutzt werden kann. Auch das Betanken erfolgt deutlich schneller als das Laden eines Akkumulators, so dass ein solches Antriebskonzept eine höhere Akzeptanz, insbesondere in der Berufsschifffahrt, erwarten lässt. Dies gilt insbesondere für den Betrieb von leichten Fähren oder Ausflugsschiffen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wasser zunächst in einer Meerwasserentsalzungseinheit entsalzt und anschließend der Elektrolyseeinheit zugeführt wird, wobei die Meerwasserentsalzungseinheit hauptsächlich, insbesondere vollständig, durch die in der Photovoltaikeinheit erzeugte elektrische Energie betrieben wird. Die Photovoltaikeinheit kann zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom eine Leistung, insbesondere Spitzenleistung, von mindestens 1,0 Gigawatt, insbesondere mindestens 1,3 Gigawatt, insbesondere mindestens 1,5 Gigawatt aufweisen. Vorzugsweise hat die Meerwasserentsalzungseinheit zur Herstellung von entsalztem Wasser eine Aufnahmekapazität von mindestens 900000 Tonnen Meerwasser pro Jahr. Die Elektrolyseeinheit kann zur Herstellung von Wasserstoff durch wenigstens eine Rohrleitung mit der Meerwasserentsalzungseinheit zur Versorgung mit Wasser, insbesondere mit entsalztem Wasser, verbunden sein. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit zur Sorption von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft kann eine Extraktionsleistung von mindestens 400000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr, insbesondere von mindestens 600000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr, aus der Umgebungsluft haben. Die Methanolsyntheseeinheit kann zur Herstellung von Methanol durch wenigstens eine Rohrleitung mit der Elektrolyseeinheit zur Versorgung mit Wasserstoff und durch wenigstens eine Rohrleitung mit der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit zur Versorgung mit Kohlenstoffdioxid verbunden sein.
Die Meerwasserentsalzungseinheit, die Elektrolyseeinheit, die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit und die Methanolsyntheseeinheit können jeweils mit der Photovoltaikeinheit zur Stromversorgung verbunden und in einem zusammenhängenden Anlagenbereich mit der Photovoltaikeinheit angeordnet sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Methanol in einer Region mit hoher Sonneneinstrahlung, insbesondere einer Sonneneinstrahlung von mehr als 2000 kWh/m2a, insbesondere mehr als 2300 kWh/m2a, insbesondere mehr als 2500 kWh/m2a, hergestellt wird. Dazu kann die Photovoltaikeinheit zur Aufnahme von mindestens 1500 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2000 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2300 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2500 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2700 kWh/m2a Sonnenenergie angepasst sein.
Die Methanolsyntheseeinheit kann eine Abgabekapazität von mindestens 300000 Tonnen, insbesondere von mindestens 450000 Tonnen, regenerativ hergestelltem Methanol pro Jahr aufweisen. Eine Abgabekapazität von 450000 Tonnen regenerativ hergestelltem Methanol pro Jahr ist besonders bevorzugt. Die prozesstechnisch relevanten Einheiten der Anlage können jeweils mit der Photovoltaikeinheit zur Stromversorgung verbunden und zusammen mit der Photovoltaikeinheit in einem zusammenhängenden Anlagebereich angeordnet sein. Das bedeutet, dass die einzelnen Einheiten in räumlicher Nähe zueinander angeordnet und in einer einheitlichen Anlage zusammengefasst sind. Es ist nicht erforderlich, dass der Anlagebereich geschlossen ist. Die einzelnen Einheiten können beispielsweise durch Versorgungsstraßen voneinander getrennt sein, die durch die Anlage verlaufen. Damit wird erreicht, dass der Transport von Stoffströmen und die Stromversorgung zwischen den Einheiten mit möglichst geringen Verlusten erfolgt.
Außerdem wird dadurch erreicht, dass die Anlage als Ganzes so aufgebaut ist, dass diese standortoptimiert positioniert und autark betrieben werden kann. Der besondere Vorteil der Kombination der Meerwasserentsalzungseinheit und der Photovoltaikeinheit besteht darin, dass die Anlage in geographischen Regionen, wie im Nahen Osten oder Afrika, aufgestellt werden kann, die sowohl eine hohe Sonneneinstrahlung als auch Zugang zu Meerwasser haben, sodass einerseits die Energieversorgung der Anlage durch die Photovoltaikeinheit und andererseits die Bereitstellung von ausreichend großen Wassermengen für die Elektrolyseeinheit in wirtschaftlicher Weise ermöglicht wird.
Durch die Stromversorgung der Elektrolyseeinheit, die ausschließlich durch die Photovoltaikeinheit erfolgt, wird mit der Anlage auf regenerative Weise Wasserstoff hergestellt. Das für die Methanolherstellung erforderliche Kohlenstoffdioxid kann der Umgebungsluft der Anlage durch die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit entzogen werden. Durch die Kombination der beiden Einheiten in der Anlage erfolgt die Methanolherstellung auf regenerative Weise ohne Erzeugung von Kohlenstoffdioxid. Vielmehr wird sogar durch die Entnahme des Kohlenstoffdioxids aus der Umgebungsluft die Kohlenstoffdioxid- konzentration in der Atmosphäre verringert. Die Anlage ist damit geeignet, ein Teil eines klimaneutralen Energiesystems zu sein, das einen globalen Kohlenstoffdioxidkreislauf mit regenerativ hergestelltem Methanol als Energieträger ausbildet. Dies bedeutet, dass die aus der Umgebungsluft entnommene Kohlenstoffdioxidmenge nicht entsorgt oder verklappt werden muss, wie dies üblicherweise der Fall ist, beispielsweise bei der bekannten Lagerung von Kohlenstoffdioxid in tief gelegenen Gesteinsschichten, wobei dies bspw. als zusätzliche Maßnahme nicht ausgeschlossen ist. Das aus der Umgebungsluft sorbierte Kohlenstoffdioxid ist ein wertvoller Stoff, der in der Anlage zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffes, nämlich Methanol verwendet wird und so einem Kohlenstoffdioxidkreislauf zugeführt werden kann.
Die für die Umsetzung der weiter oben genannten Klimaziele erforderliche Wirtschaftlichkeit der getroffenen Maßnahmen wird durch die Anlage ermöglicht. Zwar steigen im Vergleich zur Herstellung und Verwendung von Wasserstoff für Brennstoffzellen die Umwandlungsverluste durch die zusätzlichen Prozessschritte, die für die Synthetisierung von Methanol erforderlich sind. Dem stehen aber sehr viel größere wirtschaftliche Vorteile mit Blick auf die globalen Infrastrukturkosten gegenüber, die bei der Verbrennung von Methanol im Vergleich zu rein elektrischen Antrieben oder der Brennstoffzellentechnologie entstehen. Die Kosten für aufwändige Ladestationen oder für die technisch aufwändige Speicherung von Wasserstoff entfallen bei der Verbrennung von regenerativ hergestelltem Methanol. Die Lagerung und der Transport von Methanol erfordern keine besonderen Maßnahmen und sind mit der Handhabung herkömmlicher Kraftstoffe vergleichbar. Ein weiterer Vorteil von regenerativ hergestelltem Methanol im Vergleich zu den Energiequellen Wasserstoff oder Batterien besteht darin, dass die Energiedichte von Methanol mit 4,35 kWh/Liter sehr viel höher ist, als von Hochdruckwasserstoff (800 bar) mit 1,25 kWh/Liter, flüssigem Wasserstoff mit 2,36 kWh/Liter und Batterien mit 0,5 kWh/Liter.
Ein Vergleich der aktuellen Energiepreise, der einen ungefähren Anhaltspunkt für die Energiekosten einer Anlage zur regenerativen Herstellung von Methanol geben soll, zeigt, dass die im Rahmen der Anlage vorgesehene Photovoltaikeinheit eine wichtige Komponente ist, um nicht nur auf regenerative Weise synthetischen Kraftstoff herzustellen, sondern diesen auch so wirtschaftlich herzustellen, dass der Kraftstoff sich im Wettbewerbskampf mit anderen Energiequellen durchsetzen kann. Die Energiepreise für Windenergie (2,39 EURct/kWh) und Wasserkraftenergie (1,71 EURct/kWh) liegen aktuell (2020) bereits weit unter den Energiepreisen für fossile Brennstoffe und natürlich Nuklearenergie. Allerdings ist der Energiepreis für die Stromherstellung durch Photovoltaik noch niedriger und liegt bei 1,14 EURct/kWh für Strom, der in Regionen mit einer hohen und langen Sonneneinstrahlung, wie im Nahen Osten oder Afrika, erzeugt wird. Photovoltaikanlagen bspw. mit einer installierten Leistung von 2 Gigawatt existieren dort bereits und sind in der Lage Strom zu dem vorstehend genannten Preis zu produzieren. Die Anlage kann insofern dazu konzipiert sein, in Regionen installiert zu werden, in denen große Flächen landwirtschaftlich nicht genutzt werden können, weil diese Wüsten oder Steppen sind, sodass ausreichend große Flächen für eine entsprechend große Photovoltaikeinheit bereitstehen. Vorzugsweise beträgt die Leistung, insbesondere die Spitzenleistung der Photovoltaikeinheit mindestens 1,0 Gigawatt, insbesondere mindestens 1,3 Gigawatt, insbesondere mindestens 1,5 Gigawatt. Die Meerwasserentsalzungseinheit zur Herstellung von entsalztem Wasser ist für eine Aufnahmekapazität von mindestens 900000 Tonnen Meerwasser pro Jahr ausgelegt. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit ist vorzugsweise für eine Extraktionsleistung von mindestens 400000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr, insbesondere von mindestens 600000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr aus der Umgebungsluft ausgelegt. Die Meerwasserentsalzungseinheit und die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit sind damit leistungsmäßig auf die Methanolsyntheseeinheit abgestimmt, die eine Abgabekapazität von mindestens 300000 Tonnen, insbesondere von mindestens 450000 Tonnen regenerativ hergestellten Methanol pro Jahr aufweist. Der für die Stromversorgung der vorstehend genannten Prozesseinheiten einschließlich der Elektrolyseeinheit erforderliche Strom wird durch die Photovoltaikeinheit bereitgestellt, die zur Aufnahme von mindestens 1500 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2000 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2300 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2500 kWh/m2a, insbesondere mindestens 2700 kWh/m2a Sonnenenergie angepasst ist. Die Einheit kWh/m2a bedeutet Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.
Die Anlage kann die Basiseinheit für einen größeren Anlagenkomplex mit mehreren Anlagen bilden, die entsprechend der vorab beschriebenen Anlage ausgebildet sind. Damit lässt sich die Methanolherstellung in größeren Mengen skalieren, sodass bei einer entsprechenden Anlagenanzahl ein großer, insbesondere der gesamte Energiebedarf der Weltbevölkerung gedeckt werden kann.
Die Erfindung beruht ferner auf dem Gedanken, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Wasserfahrzeugs, insbesondere auf Binnengewässern, anzugeben, bei dem
- in einer Elektrolyseeinheit zur Herstellung von Wasserstoff Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, - eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit aus der Umgebungsluft Kohlenstoffdioxid extrahiert,
- einer Methanolsyntheseeinheit zur Herstellung von Methanol der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid zugeführt und darin zu Methanol synthetisiert werden,
- eine Photovoltaikeinheit Sonnenenergie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt.
Erfindungsgemäß werden die Elektrolyseeinheit, die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit und die Methanolsyntheseeinheit durch die in der Photovoltaikeinheit erzeugte elektrische Energie betrieben, wobei das hergestellte Methanol mittels eines Verteil systems zu wenigstens einem Tank des Wasserfahrzeugs transportiert und von dem Tank bedarfsweise dem Verbrennungsmotor zugeführt wird und darin zur Erzeugung mechanischer Energie verbrannt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine Teil eines Stromaggregats eines hybridelektrisch angetriebenen Wasserfahrzeugs, wobei im Stromaggregat die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine in elektrische Antriebsenergie für den Vortrieb des Wasserfahrzeugs umgewandelt wird.
Das Verteilsystem ist vorzugsweise dazu angepasst, das regenerativ hergestellte Methanol von der Abgabevorrichtung an Endverbraucher zur Verbrennung des regenerativ hergestellten Methanol zu verteilen. Das Verteilsystem ist beispielsweise in Form eines Logistiknetzes ausgebildet, bei dem das Methanol in Tankzügen zu Tankstellen, vorzugsweise in Häfen, transportiert wird. An den Tankstellen kann der Tank, insbesondere ein Methanol-Kraftstofftank, des Wasserfahrzeugs mit Methanol betankt werden.
Dem Verteilsystem kann ein Transportsystem vorgeschaltet sein, das mit der Methanolsyntheseeinheit der erfindungsgemäßen Anlage verbunden oder verbindbar und dazu angepasst ist, das durch die Methanolsyntheseeinheit regenerativ hergestellte Methanol von der Methanolsyntheseeinheit zu wenigstens einer Abgabevorrichtung zu transportieren. Das Transportsystem kann stationär oder mobil sein und beispielsweise Pumpen und Rohrleitungen oder den Transport durch Tankschiffe umfassen. Die Tankschiffe können ebenfalls durch das hier beschriebene Verfahren betrieben werden. Hierbei kann auf an sich bekannte Transportsysteme, beispielsweise für den Transport von Rohöl zurückgegriffen werden. Die Abgabevorrichtung kann ein Speichertank in einem Hafen oder an einer Pumpstation sein.
Bei der Verbrennung des regenerativ hergestellten Methanols entsteht Kohlenstoffdioxid, das in die Atmosphäre gelangt. Der angestrebte Kohlenstoffdioxidkreislauf wird dadurch geschlossen, dass die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit das in die Atmosphäre gelangte Kohlenstoffdioxid direkt oder indirekt aus dieser wieder abscheidet und für den Methanolherstellungsprozess verwendet. Das so hergestellte Methanol und damit das für dessen Herstellung verwendete Kohlenstoffdioxid wird dem Kohlenstoffdioxidkreislauf wieder zugeführt.
Dass die das Methanol nutzenden Wasserfahrzeuge und der Ort der Herstellung des Methanols räumlich weit voneinander getrennt sind, ist unerheblich, da es um die Gesamtbilanz des in der Atmosphäre befindlichen Kohlenstoffdioxids geht, die durch Ausbildung des geschlossenen Kohlenstoffdioxidkreislaufes konstant bleibt. Es ist sogar möglich, die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre zu senken, wenn die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit einen Überschuss an Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernt, der nicht in den Kreislauf durch Methanol als Energieträger zurückgegeben wird. Das überschüssige Kohlenstoffdioxid wird dann anderweitig entsorgt, beispielsweise durch die bereits auf Island praktizierte Lagerung in tief gelegenen Gesteinsschichten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wasser in einer Meerwasserentsalzungseinheit entsalzt und anschließend der Elektrolyseeinheit zugeführt, wobei die Meerwasserentsalzungseinheit hauptsächlich, insbesondere vollständig, durch die in der Photovoltaikeinheit erzeugte elektrische Energie betrieben wird.
Zum Verständnis der Erfindung ist es wesentlich, dass das Methanol in der Verbrennungskraftmaschine als Hauptkraftstoff verwendet wird. Das Methanol bildet also keinen Zusatzstoff, der einem weiteren Kraftstoff zugemischt wird. Vielmehr wird das Methanol so verwendet, dass die Verbrennungskraftmaschine unmittelbar damit betrieben wird.
Die Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise ein Hubkolbenmotor, der mit einem Kompressionsverhältnis von mindestens 14: 1, insbesondere mindestens 16: 1, insbesondere mindestens 18: 1, insbesondere mindestens 20: 1, betrieben wird. Der Hubkolbenmotor kann insbesondere ein Viertakt-Ottomotor sein.
Derzeit hat der Dieselmotor bei Wasserfahrzeugen einen hohen Marktanteil. Die Verwendung von Methanol ermöglicht aber den Betrieb eines Ottomotors mit einer sonst unüblich hohen Verdichtung. Bei der hohen Verdichtung wird, insbesondere in einem Betrieb bei einem ausgeglichenen Verbrennungsluftverhältnis ( = 1), eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads erreicht. Damit kann eine hohe Leistung in einem Viertakt-Ottomotor bei niedrigen Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Gleichzeitig entfällt ein Großteil der bei Dieselmotoren erforderlichen und sehr aufwändigen Abgasnachbehandlung, was Raum und Gewicht spart und somit weiter die Effizienz des Wasserfahrzeugs steigert. Insbesondere wird auf diese Weise Raum zur Verfügung gestellt, um eine Antriebsbatterie für einen Hybrid-Antriebsstrang in das Wasserfahrzeug zu integrieren.
Ein Teil des Methanols kann in einer Spalteinheit in ein Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst oder daraus besteht, aufgespalten und das Synthesegas alleine oder zusammen mit dem Methanol in den Hubkolbenmotor geleitet werden, wobei die Spalteinheit im Wasserfahrzeug, insbesondere zwischen einem Tank und dem Hubkolbenmotor, angeordnet ist. Das Synthesegas kann die Zündwilligkeit des Methanol-Kraftstoffs erhöhen und somit zu einem noch effizienteren Betrieb des Hubkolbenmotors beitragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit einem Antriebssystem, wobei das Antriebssystem ein Stromaggregat, wenigstens eine Antriebsbatterie und wenigstens einen Elektromotor aufweist, der elektrische Energie aus der Antriebsbatterie bezieht. Das Stromaggregat umfasst einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor mit zwei Zylinder-Kolbeneinheiten in Tandemanordnung und wenigstens einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei jede Zylinder-Kolbeneinheit eine Kurbelwelle aufweist und die Kurbelwellen beider Zylinder-Kolbeneinheiten miteinander mechanisch gekoppelt sind, und wobei wenigstens eine Kurbelwelle, insbesondere beide Kurbelwellen jeweils, mechanisch mit dem wenigstens einen Generator verbunden ist.
Der Zweizylinder-Hubkolbenmotor ist vorzugsweise für den Betrieb mit Methanol, insbesondere regenerativ hergestelltem Methanol, als Haupt-Kraftstoff angepasst. Vorzugsweise wirkt der Elektromotor über ein Getriebe oder direkt auf eine Antriebswelle eines Propellers. Der Propeller kann im Betrieb des Wasserfahrzeugs frei im Wasser drehen oder in einen Wasserstrahlantrieb integriert sein.
Ferner kann ein Tank vorgesehen sein, der mit dem Zweizylinder-Hubkolbenmotor fluidverbunden und zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit regenerativ hergestelltem Methanol befüllt ist. Es ist möglich, dass das Antriebssystem mehrere Stromaggregate aufweist, die jeweils mit einer gemeinsamen oder mehreren separaten Antriebsbatterien elektrisch verbunden sind.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Zweizylinder-Hubkolbenmotor des zuvor beschriebenen Wasserfahrzeugs nach dem vorangestellt beschriebenen Verfahren betrieben wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
In diesen zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Anlage zur Herstellung eines global nutzbaren Energieträgers nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Anlage zur Herstellung eines global nutzbaren Energieträgers nach einem weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen flächigen Anlagenbereich der Anlage gemäß Fig. 2; Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch den flächigen Anlagenbereich der Anlage gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines global nutzbaren Energieträgers mit der Anlage nach Fig. 1 oder der Anlage nach Fig. 2 und
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Stromaggregats eines erfindungsgemäßen Wasserfahrzeugs nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Anlage 10, die für die Herstellung eines global nutzbaren Energieträgers in der Form von Methanol konzipiert ist. Die Anlage 10 umfasst eine Elektrolyseeinheit 11, eine Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12, eine Meerwasserentsalzungseinheit 27 sowie eine Methanolsyntheseeinheit 34. Für die Stromversorgung der vorstehend genannten Einheiten ist eine Photovoltaikeinheit 24 vorgesehen, die mit den entsprechenden Einheiten 11, 12, 27, 34 elektrisch verbunden ist.
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, sind die vorstehend erwähnten Anlagenkomponenten auf einem zusammenhängenden Anlagengelände angeordnet, sodass der Austausch der Stoff- und Energieströme zwischen den verschiedenen Einheiten und die Stromversorgung mit möglichst geringen Verlusten erfolgen. Die Form der Anlage ist nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Form beschränkt.
Die Elektrolyseeinheit 11 ist für die Versorgung mit Wasser, insbesondere mit entsalztem Wasser, mit der Meerwasserentsalzungseinheit 27 durch wenigstens eine Rohrleitung (nicht dargestellt) verbunden. Durch die Rohrleitung wird das entsalzte Wasser der Elektrolyseeinheit 11 zugeführt. Die Methanolsyntheseeinheit 34 ist einerseits durch wenigstens eine Rohrleitung mit der Elektrolyseeinheit 11 und andererseits durch mindestens eine weitere Rohrleitung mit der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 verbunden. Durch die beiden Rohrleitungen wird der in der Elektrolyseeinheit 11 hergestellte Wasserstoff und das in der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 abgeschiedene Kohlenstoffdioxid der Methanolsyntheseeinheit 34 zugeführt. In der Methanolsyntheseeinheit 34 wird daraus Methanol hergestellt.
Die Meerwasserentsalzungseinheit kann so ausgelegt sein, dass diese mindestens 900000 t Meerwasser pro Jahr aufnehmen und entsalzen kann. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit kann auf eine Extraktionsleistung von mindestens 400000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr, insbesondere von mindestens 600000 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr ausgelegt sein, das aus der Umgebungsluft entnommen wird. Die Methanolsyntheseeinheit 34 ist dazu angepasst, mindestens 300000 t, insbesondere 450000 t regenerativ erzeugtes Methanol pro Jahr herzustellen.
Die Photovoltaikeinheit 24 kann eine Leistung von ca. 1,5 GW aufweisen und je nach Sonneneinstrahlung mindestens 1500 kWh/m2a aufnehmen. Für den in Fig. 1 gewählten Standort im Nahen Osten ist die Photovoltaikeinheit 24 vorzugsweise dazu angepasst, mindestens 2500 kWh/m2a aufzunehmen.
Die Elektrolyseeinheit 11 ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge M HZO durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zu zerlegen. Die Elektrolyseeinheit 11 bildet somit eine Einheit zur Wasserelektrolyse. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit einer Wasserzuführleitung 13 zur Aufnahme der Wassermenge M H2O verbunden. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, ist zwischen der Elektrolyseeinheit 11 und der Wasserzuführleitung 13 eine Pumpeneinheit 25 angeordnet. Die Pumpeneinheit 25 weist wenigstens eine Pumpe zur Beförderung von Wasser aus einem Wasserreservoir 26 auf. Das Wasserreservoir 26 kann ein Meer mit Meerwasser sein. Alternativ kann das Wasserreservoir 26 ein See mit Süßwasser sein. Es ist auch möglich, dass die Wasserzuführleitung 13 mit einem Fluss verbunden ist, um Süßwasser für die Wasserelektrolyse zu entnehmen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage 10 ist die Wasserzuführleitung 13 mit einem Meer zur Entnahme von Meerwasser verbunden. Die Anlage 10 ist vorzugsweise in Küstennahe angeordnet, um die zu überwindende Distanz zur Wasserzufuhr, insbesondere die Wasserzuführleitung 13 kurzzuhalten.
Die Pumpeneinheit 25 ist dazu ausgebildet, Meerwasser aus dem Meer zu fördern und weiteren Anlagenteilen bzw. Einheiten zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Um das Meerwasser für den Elektrolysevorgang durch die Elektrolyseeinheit 11 aufzubereiten, weist die Anlage 10 eine Meerwasserentsalzungseinheit 27 auf. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit der Pumpeneinheit 25 durch wenigstens eine Rohrleitung verbunden. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist dazu angepasst, aus der geförderten Meerwassermenge M HZO einen bestimmten Salzanteil herauszutrennen, so dass das Meerwasser nach dem Entsalzungsvorgang durch die Meerwasserentsalzungseinheit 27 einen verringerten Salzgehalt aufweist. Die entsalzte Meerwassermenge M H2O entspricht der Wassermenge M H2O, die durch die Elektrolyseeinheit 11 in eine Sauerstoffteilmenge M02 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit der Meerwasserentsalzungseinheit 27 durch mindestens eine Rohrleitung verbunden. Um das entsalzte Meerwasser von der Meerwasserentsalzungseinheit 27 zu der Elektrolyseeinheit 11 zu fördern, kann wenigstens eine weitere Pumpe zwischengeschaltet sein.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Elektrolyseeinheit 11 dazu ausgelegt, die aufgenommene Wassermenge M H2O in eine Wasserstoffteilmenge und eine Sauerstoffteilmenge M02 zu zerlegen. Die Wasserstoffteilmenge wird der Methanolsyntheseeinheit 34 zugeführt. Die Sauerstoffteilmenge M02 wird an die Umgebung abgegeben. Die Elektrolyseeinheit 11 ist vorzugsweise dazu angepasst, aus einer aufgenommenen Wassermenge M H2O von mindestens 1,5 kg eine Sauerstoffteilmenge M02 von mindestens 1,2 kg und eine Wasserstoffmenge von mindestens 0,15 kg, insbesondere von 0,19 kg abzutrennen. Zur Abgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M02 weist die Elektrolyseeinheit 11 einen Sauerstoffauslass 16 auf, der in die Außenatmosphäre mündet. Die Anlage 10 weist eine Wasserstofftransporteinrichtung zur Zufuhr des Wasserstoffs zur Methanolsyntheseeinheit 34 auf, die nicht dargestellt ist.
Es ist möglich, dass die Anlage 10 einen Wasserstoffspeicher aufweist, so dass die Methanolsyntheseeinheit 34 möglichst kontinuierlich mit Wasserstoff versorgt werden kann.
Gemäß Fig. 1 weist die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen Lufteinlass 14 zur Zufuhr der Umgebungsluft UL und eine nachgeordnete Sorbereinrichtung 15 auf. Es ist möglich, dass die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen oder mehrere Lufteinlässe 14 aufweist. Die Sorbereinrichtung 15 ist mit dem Lufteinlass 14 verbunden. Die Sorbereinrichtung 15 ist dazu angepasst, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 weist des Weiteren einen Luftauslass 17 auf, der in Vertikalrichtung nach oben ausgerichtet ist. Der Luftauslass 17 dient zur Abgabe der Abgabeluft UL', deren Kohlenstoffdioxidkonzentration geringer ist als die Kohlenstoffdioxidkonzentration der Umgebungsluft UL. Der Luftauslass 17 ist Teil eines Kamins 19.
Konkret ist die Sorbereinrichtung 15 zwischen dem Lufteinlass 14 und dem Luftauslass 17 angeordnet. Im Betrieb strömt die Umgebungsluft UL durch den Lufteinlass 14 zu der Sorbereinrichtung 15, die eine bestimmte Kohlenstoffdioxidmenge aus der Luft UL abtrennt, insbesondere filtert, wobei die gefilterte Abgabeluft UL' nach der Sorbereinrichtung 15 durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre strömt. Generell ist es möglich, dass mehrere Lufteinlässe 14, mehrere Sorbereinrichtungen 15 und mehrere Luftauslässe 17 vorgesehen sind.
Konkret ist in Fig. 1 ein einzelner Kamin 19 mit einer Höhe H von 200 Meter dargestellt, der exemplarisch den äußeren Aufbau der Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12 zeigt. Der Luftauslass 17 mündet, wie in Fig. 1 dargestellt, ebenfalls wie der Sauerstoffauslass 16, in die Außenatmosphäre.
Die Anlage 10 umfasst des Weiteren eine nicht gezeigte Kohlenstoffdioxid- transporteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die aus der Umgebungsluft UL abgetrennte Kohlenstoffdioxidmenge einem Kohlenstoffdioxidspeicher und/oder der Methanolsyntheseeinheit 34 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Der Kohlenstoffdioxidspeicher dient dazu, eine möglichst kontinuierliche Versorgung der Methanolsyntheseeinheit 34 mit Kohlenstoffdioxid sicherzustellen.
Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 kann eine Extraktionsleistung einer Kohlenstoffdioxidmenge pro Jahr von mindestens 400000 Tonnen, insbesondere 600000 Tonnen aufweisen. Mit anderen Worten kann die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12 dazu ausgelegt sein, eine Umgebungsluftmenge pro Jahr von mindestens 1500 Megatonnen zu verarbeiten. Konkret ist die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12 vorzugsweise dazu angepasst, aus einer Umgebungsluftmenge von mindestens 3300 kg eine Kohlenstoffdioxidmenge von mindestens 1,4 kg zu extrahieren. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Anlage 10 einen flächigen Anlagenbereich 23 auf. Der flächige Anlagenbereich 23 schließt an die Elektrolyseeinheit 11 direkt an. Auf dem flächigen Anlagenbereich 23 ist eine Stromerzeugungseinheit 31 angeordnet, die eine Photovoltaikeinheit 24 ist. Die Photovoltaikeinheit 24 ist mit den jeweiligen Einheiten der Anlage 10 zur Stromversorgung verbunden. Die Photovoltaikeinheit 24 ist derart angepasst, dass die gesamte Anlage 10 energieautark betrieben werden kann. Darunter ist zu verstehen, dass der elektrische Strom zum Betrieb der gesamten Anlage 10 ausschließlich durch Sonnenenergie mittels der Photovoltaikeinheit 24 bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten werden für den Betrieb der Anlage 10 vorzugsweise keine fossilen Energiequellen verwendet.
Der flächige Anlagenbereich 23 kann eine Längserstreckung 32 von zirka 5000 Meter und eine Quererstreckung 33 von zirka 2000 Meter aufweisen. Mit anderen Worten ist der flächige Anlagenbereich der Anlage 10 vorzugsweise auf einer Fläche von 10 Quadratkilometer ausgebildet. Der in Fig. 1 gezeigte Anlagenbereich beinhaltend die Elektrolyseeinheit 11 kann eine Teillängserstreckung 29 von zirka zwei Kilometer aufweisen. Andere Teillängs-, Längs- und Quererstreckungen 29, 32, 33 sind möglich.
Die vorstehend beschriebene Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit einer Wasserrückführleitung 28 verbunden, durch die eine rückzuführende Meerwassermenge M'HZO mit erhöhtem Salzgehalt in das Meer zurückgeführt wird. Konkret wird aus der entnommenen Meerwassermenge ein bestimmter Salzgehalt extrahiert und anschließend mit einem Teil der entnommenen Meerwassermenge als rückzuführende Wassermenge M 'HZO wieder in das Meer zurückgeführt. Dadurch ist ein Wasserkreislauf bereitgestellt, der für die Natur unschädlich ist.
Der bevorzugte Aufstellungsort der Anlage 10 ist in Küstennähe eines Meeres. Besonders bevorzugt ist die Anlage 10 in einer Wüste aufgebaut. Eine Methanolabgabeleitung 35 kann die Anlage 10 mit einer Methanolabgabestelle, beispielsweise in einem Hafen, verbinden.
Die Anlage 10 gemäß Fig. 1 ist ein Großkraftwerk. Die Anlage 10 kann wenigstens einen Montagebereich 18 aufweisen, der mit einem Fundament eines Gebäudes und/oder eines Bauwerks verbunden ist. Generell ist es möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 und/oder die Kohlendioxid-Sorptionseinheit 12 in einem gemeinsamen Gebäude oder in separaten Gebäuden angeordnet sind.
Die Stromversorgungseinheit 31 weist bevorzugt einen nicht dargestellten Stromspeicher auf, der zur Stromversorgung der Anlage 10 im Nachtbetrieb angepasst ist.
Fig. 2 zeigt im Unterschied zu Fig. 1 eine Anlage 10, bei der die einzelne Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 durch mehrere Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheiten 12 ersetzt ist. Die jeweilige Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 gemäß Fig. 2 weist einen Kamin 19 und einen quer zum Kamin 19 verlaufenden Strömungskanal 21 auf. Dies ist beispielsweise in Fig. 4 gut erkennbar. Der Strömungskanal 21 ist mit dem Kamin 19 an einem in Einbaulage unten angeordneten Bereich des Kamins mit diesem verbunden. Zwischen dem Strömungskanal 21 und dem Kamin 19 ist eine Sorbereinrichtung 15 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Sorbereinrichtung 15 ist durch einen Amintauscher gebildet. Andere Typen von Sorbereinrichtungen sind möglich.
Wie die Figuren 2, 3 zeigen, sind die Kamine 19 entlang der Längserstreckung 32 des flächigen Anlagebereichs 23 angeordnet. Der flächige Anlagebereich 23 weist eine in Einbaulage oben angeordnete Fläche 22 auf. Die oben angeordnete Fläche 22 ist zumindest abschnittsweise dunkelfarbig ausgebildet, um Sonnenergie zu sorbieren. Die Strömungskanäle 21 sind in Einbaulage unterhalb der oben angeordneten Fläche 22 angeordnet. Zum Zuführen von Umgebungsluft UL in die Strömungskanäle 21 sind in der oben angeordneten Fläche 22 mehrere Lufteinlässe 14 ausgebildet. Die Lufteinlässe 14 bilden Durchgangsöffnungen durch die oben angeordnete Fläche 22. Diese sind in Fig. 3 der besseren Darstellung halber lediglich am ersten Strömungskanal 21 gezeigt. Ebenfalls ist die Anzahl der Lufteinlässe 14 variabel.
Im Betrieb strömt Umgebungsluft durch die Lufteinlässe 14 in den Strömungskanal 21 und anschließend durch die Sorbereinrichtung 15. Nach der Sorbereinrichtung 15 strömt die Abgabeluft UL' mit reduzierter Kohlenstoffdioxidkonzentration in den Kamin 19 und durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre. Durch die dunkelfarbige oben angeordnete Fläche 22 erwärmt sich im Betrieb die unterhalb der Oberfläche 22 im Strömungskanal 21 befindliche Umgebungsluft. Die Temperatur der Umgebungsluft UL im Strömungskanal 21 beträgt vorzugsweise ca. 60 °C. Bei einer Außentemperatur der Umgebungsluft UL von ca. 40 °C wird durch die Anordnung des Kamins mit dem Strömungskanal 21 sowie der dunkelfarbigen Oberfläche 22 eine natürliche Ventilation erzeugt. Mit anderen Worten ist für die Zuführung der Umgebungsluft UL in den Strömungskanal 21 sowie für die Durchströmung der Sorbereinrichtung 15 und die Ausströmung der gereinigten Umgebungsluft UL' aus dem Kamin 19 kein Ventilator beziehungsweise Gebläse notwendig.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den flächigen Anlagenbereich 23 der Anlage 10 gemäß Fig. 2. Die entlang der Längserstreckung 32 dargestellte Nummerierung von 1 bis 40 stellt die Anzahl der an der Längserstreckung 32 angeordneten Kamine 19 dar. Die quer zur Längserstreckung 32 verlaufenden Linien zeigen schematische Abtrennungen zwischen den einzelnen Strömungskanälen 21. Die einzelnen Strömungskanäle 21 sind jeweils einem Kamin 19 zugeordnet. Dabei ist jeweils eine Sorbereinrichtung 15 zwischen dem Strömungskanal 21 und dem Kamin 19 angeordnet. Die Längserstreckung 32 des flächigen Anlagenbereichs 23 beträgt zirka 5000 Meter und die Quererstreckung 33 des flächigen Anlagenbereichs 23 zirka 2000 Meter. Insgesamt sind in dem flächigen Anlagenbereich 23 vierzig Kamine 19 mit insgesamt vierzig Strömungskanälen 21 vorgesehen. Diese haben eine gemeinsame Abgabeleistung von Abgabeluft UL' von mindestens 1800 Megatonnen pro Jahr.
Um dies zu erreichen, weisen die Kamine 19 einen Durchmesser D auf, der 25 Meter beträgt. Der Durchmesser D bezieht sich auf jenen Bereich des Kamins 19, in dem der Luftauslass 17 ausgebildet ist. Der Luftauslass 17 ist an einem freien Ende des Kamins 19 ausgebildet. Ferner weist der jeweilige Kamin 19 eine Höhe H von 100 Meter auf. Dadurch ist eine optimale Form für die Kaminwirkung zur natürlichen Ventilation ausgebildet. Andere Abmessungen der Kamine 19 sind möglich.
Des Weiteren können mehr oder weniger als vierzig Kamine 19 mit jeweils zugehörigem Strömungskanal 21 im flächigen Anlagenbereich 23 angeordnet sein.
Der flächige Anlagebereich 23 ist, wie in Fig. 4 zu sehen ist, an der oben angeordneten Fläche 22 mit einer Photovoltaikeinheit 24 versehen. Mit anderen Worten ist auf der oben angeordneten Fläche 22 des flächigen Anlagenbereichs 23 eine Photovoltaikeinheit 24 angeordnet. Die Photovoltaikeinheit 24 weist bevorzugt eine Leistung von 1,5 Gigawatt pro Jahr auf. Bei der Anlage 10 gemäß Fig. 2 bilden somit die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 und die Photovoltaikeinheit 24 räumlich eine gemeinsame Einheit. Die Photovoltaikeinheit
24 bildet eine Stromversorgungseinheit 31 zum energieautarken Betreiben der gesamten Anlage 10.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorstehend beschriebenen Anlagen 10 gemäß den Fig. 1 und 2 bis auf die beschriebenen Unterschiede identisch sind.
Das mit der Anlage 10 gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 durchführbare Verfahren wird anhand des Flussdiagramms gemäß Fig. 5 erläutert:
Zur Herstellung einer Menge von 1 kg Methanol wird der Anlage 10 eine Menge von ca. 2 kg Meerwasser zugeführt und in der Meerwasserentsalzungseinheit 27 entsalzt. Dabei werden ca. 1,13 kg entsalztes Wasser erzeugt. Das Restsalzwasser (ca. 0,87 kg) wird durch die Wasserrückführleitung 28 ins Meer zurückgeführt. In der Elektrolyseeinheit wird das entsalzte Wasser und ggf. weitere Wassermengen, die bei späteren Prozessschritten anfallen, in Wasserstoff (ca. 0,19 kg) und Sauerstoff (ca. 1,5 kg) aufgespaltet. Die Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12 nimmt durch den Lufteinlass 14 eine Luftmenge von ca. 3371,75 kg auf und extrahiert daraus eine Menge von ca. 1,38 kg Kohlenstoffdioxid. Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden der Methanolsyntheseeinheit zugeführt und dort zu 1 kg Methanol verarbeitet. Die bei der Synthese entstehende überschüssige Wärme wird der Kohlenstoffdioxid- Sorptionseinheit 12 zugeführt. Bei der Synthese entsteht ferner Wasser in einer Menge von ca. 0,56 kg, die der Elektrolyseeinheit zugeführt werden. Für diese Prozessschritte werden von der Photovoltaikanlage ca. 51 kWh Sonnenenergie in ca. 12.83 kWh nutzbare Stromenergie umgewandelt.
In Fig. 6 ist ein Stromaggregat 120 für ein erfindungsgemäßes Wasserfahrzeug gezeigt. Das Stromaggregat 120 umfasst einen Zweizylinder-Hubkolbenmotor 121 mit einer ersten Zylinderkolbeneinheit 122 und einer zweiten Zylinderkolbeneinheit 123. Jede der Zylinderkolbeneinheiten 122, 123 umfasst einen Kolben 124, der in einem Zylinder 125 geführt ist. Der Kolben 124 ist mit einer Pleuelstange 126 gekoppelt, die den Kolben 124 mit einer Kurbelwelle 127 verbindet. Die Kurbelwellen 127 sind parallel zueinander ausgerichtet und tragen jeweils Stirnräder 127a, die eine Außenverzahnung aufweisen. Die außenverzahnten Stirnräder 127a greifen ineinander, so dass sich die Stirnräder 127a gegenläufig drehen.
Jedes Stirnrad 127a ist über einen Zahnriemen 128 mit einem Generator 130 gekoppelt. Insgesamt sind zwei Generatoren 130 vorgesehen. Die Generatoren 130 umfassen außerdem Ausgleichsgewichte 130a, die einen Ausgleich der Massenkräfte und der Massenmomente bewirken.
Das Stromaggregat 120 umfasst ferner einen Nockenriemen 131, der eine der Kurbelwellen 127 mit Nockenwellen 132 verbindet. Jeder Zylinderkolbeneinheit 122, 123 ist jeweils eine Nockenwelle 132 zugeordnet. Die Nockenwellen 132 wirken jeweils auf Ventile 133, wobei jede Zylinderkolbeneinheit vorzugsweise jeweils vier Ventile 133 aufweist.
Ferner ist eine Ölwanne 134 vorgesehen, in welcher eine Ölpumpe 135 angeordnet ist. Die Ölpumpe 135 wird über einen Ölpumpenriemen 136 angetrieben, der die Ölpumpe 135 mit einer der Kurbelwellen 127 verbindet. Vorzugsweise ist die Ölpumpe 135 mit einer anderen Kurbelwelle 127 verbunden als die Nockenwellen 132. An der Ölwanne 134 ist darüber hinaus ein Ölfilter 137 angeordnet.
Wie in Fig. 6 gut erkennbar ist, ist das Stromaggregat 120 besonders kompakt aufgebaut. Es kommt mit relativ wenigen Teilen aus und ist insofern wartungsfreundlich und weist ein geringes Gewicht auf. Der Zweizylinder- Hubkolbenmotor ist besonders lärm- und vibrationsarm. Zusätzlich kann der Zweizylinder-Hubkolbenmotor in einem Gehäuse gekapselt sein, wobei das Gehäuse zusätzlich zur Lärm- und Vibrationsarmut beitragen kann. Das Antriebssystem eines Wasserfahrzeugs kann mehrere Stromaggregate 120 aufweisen, die zur Erzeugung von Strom Zusammenwirken und Antriebsbatterien speisen.
In Fig. 6 ist außerdem erkennbar, dass die Zylinder 125 der Zylinderkolbeneinheiten 122, 123 zueinander verschränkt angeordnet sind. Insbesondere weisen die Mittelachsen der Zylinder 125 einen kleineren Abstand als die Mittelachsen der Kurbelwellen 127 zueinander auf. Dadurch stehen die Pleuelstangen 126 beim oberen Totpunkt der Kolben 124, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, leicht schräg zueinander geneigt. Damit werden beim Anlauf des Motors die Vibrationen massiv reduziert. Insbesondere beim Start des Stromaggregats 120 werden auf diese Weise Anlauf-Massenmomente reduziert, so dass es nicht zu den sonst bekannten Anlauf-Vibrationen kommt.
Für den Antrieb eines Wasserfahrzeugs wird das Stromaggregat 120 vorzugsweise betrieben und stellt über die Generatoren 130 die elektrische Energie bereit, die für den Fährbetrieb erforderlich ist, um die Elektromotoren zu nutzen. Dabei ist als elektrisches System vorzugsweise ein 48 Volt-, 400 Volt- oder 800 Volt-System integriert. Die Antriebsbatterien sind vorzugsweise so dimensioniert, dass das Wasserfahrzeug zwischen 10 km und 120 km, insbesondere zwischen 20 km und 100 km, insbesondere zwischen 25 km und 60 km, ausschließlich elektrisch, d.h. ohne Betrieb des Stromaggregats fahren kann.
Vorzugsweise wird das Stromaggregat 120 durch das regenerativ hergestellte Methanol betrieben. Dazu ist ein entsprechender Tank vorgesehen, der regenerativ hergestelltes Methanol aufnimmt bzw. damit gefüllt ist. Auf diese Weise ist ein besonders wirtschaftlicher und zeitgleich klimafreundlicher Betrieb des Wasserfahrzeugs möglich.
Die Erfindung bietet, wie anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiele erläutert, eine technisch machbare und wirtschaftliche Lösung für das akute Klimaproblem, die auf Grund der Skalierbarkeit der beschriebenen Anlagen in einem angemessenen zeitlichen Rahmen umgesetzt werden kann. Die Erfindung berücksichtigt die geografischen Chancen, die bestimmte Regionen dieser Erde bieten und besticht durch Ihre Einfachheit.
Bezuaszeichenliste
10 Anlage
11 Elektrolyseeinheit
12 Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit
13 Wasserzuführleitung
14 Lufteinlass
15 Sorbereinrichtung
16 Sauerstoffauslass
17 Luftauslass
18 Montagebereich
19 Kamin
21 Strömungskanal
22 oben angeordnete Fläche
23 flächiger Anlagenbereich
24 Photovoltaikeinheit
25 Pumpeneinheit
26 Wasserreservoir
27 Meerwasserentsalzungseinheit
28 Wasserrückführleitung
29 Teillängserstreckung
31 Stromerzeugungseinheit
32 Längserstreckung
33 Quererstreckung
34 Methanolsyntheseeinheit
35 Methanolabgabeleitung
120 Stromaggregat
121 Zweizylinder-Hubkolbenmotor
122 erste Zylinder-Kolbeneinheit
123 zweite Zylinder-Kolbeneinheit
124 Kolben
125 Zylinder
126 Pleuelstange
127 Kurbelwelle
127a Stirnrad
128 Zahnriemen
130 Generator 130a Ausgleichsgewicht
131 Nockenriemen
132 Nockenwelle
133 Ventil
134 Ölwanne
135 Ölpumpe
136 Ölpumpenriemen
137 Ölfilter
UL Umgebungsluft mit erhöhter Kohlenstoffdioxidkonzentration
UL' Abgabeluft mit gesenkter Kohlenstoffdioxidkonzentration
D Durchmesser
H Höhe
MH2O entnommene Wassermenge
M'H2O rückgeführte Wassermenge
MO2 Sauerstoffteilmenge

Claims

24
ANSPRÜCHE Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Wasserfahrzeugs, insbesondere auf Binnengewässern, bei dem
- in einer Elektrolyseeinheit (11) zur Herstellung von Wasserstoff Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird,
- eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) aus der Umgebungsluft Kohlenstoffdioxid extrahiert,
- einer Methanolsyntheseeinheit (34) zur Herstellung von Methanol der Wasserstoff und das Kohlenstoffdioxid zugeführt und darin zu Methanol synthetisiert werden,
- eine Photovoltaikeinheit (24) Sonnenenergie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, wobei die Elektrolyseeinheit (11), die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) und die Methanolsyntheseeinheit (34) durch die in der Photovoltaikeinheit (24) erzeugte elektrische Energie betrieben werden, wobei das hergestellte Methanol mittels eines Verteilsystems zu wenigstens einem Tank des Wasserfahrzeugs transportiert und von dem Tank bedarfsweise der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und darin zur Erzeugung mechanischer Energie verbrannt wird. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Verbrennungskraftmaschine Teil eines Stromaggregats (120) eines hybridelektrisch angetriebenen Wasserfahrzeugs ist, wobei im Stromaggregat (120) die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine in elektrische Antriebsenergie für den Vortrieb des Wasserfahrzeugs umgewandelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wasser in einer Meerwasserentsalzungseinheit (27) entsalzt und anschließend der Elektrolyseeinheit (11) zugeführt wird, wobei die Meerwasserentsalzungseinheit (27) hauptsächlich, insbesondere vollständig, durch die in der Photovoltaikeinheit (24) erzeugte elektrische Energie betrieben wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Verbrennungsmaschine ein Hubkolbenmotor (121) ist, der mit einem Kompressionsverhältnis von mindestens 14:1, insbesondere mindestens 16:1, insbesondere mindestens 18:1, insbesondere mindestens 20:1, betrieben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u rch geken nzeich net, dass ein Teil des Methanols in einer Spalteinheit in ein Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst oder daraus besteht, aufgespalten und das Synthesegas alleine oder zusammen mit dem Methanol in den Hubkolbenmotor geleitet wird, wobei die Spalteinheit im Wasserfahrzeug, insbesondere zwischen einem Tank und dem Hubkolbenmotor, angeordnet ist. Verwendung von Methanol als Kraftstoff in einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Stromaggregat (120), eines, insbesondere hybridelektrisch angetriebenen, Wasserfahrzeugs, wobei das Methanol in einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird. Verwendung nach Anspruch 6, dad u rch geken nzeich net, dass das Wasser in einer Meerwasserentsalzungseinheit (27) entsalzt und anschließend der Elektrolyseeinheit (11) zugeführt wird, wobei die Meerwasserentsalzungseinheit (27) hauptsächlich, insbesondere vollständig, durch die in der Photovoltaikeinheit (24) erzeugte elektrische Energie betrieben wird. Wasserfahrzeug, insbesondere hybridelektrisch angetriebenes Wasserfahrzeug, mit einem Antriebssystem, wobei das Antriebssystem ein Stromaggregat (120), wenigstens eine Antriebsbatterie und wenigstens einen Elektromotor aufweist, der elektrische Energie aus der Antriebsbatterie bezieht, wobei das Stromaggregat einen Zweizylinder- Hubkolbenmotor (121) mit zwei Zylinder-Kolbeneinheiten (122, 123) in Tandemanordnung und wenigstens einen Generator (130) zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst, wobei jede Zylinder-Kolbeneinheit (122, 123) eine Kurbelwelle (127) aufweist und die Kurbelwellen (127) beider Zylinder- Kolbeneinheiten (122, 123) miteinander mechanisch gekoppelt sind, und wobei wenigstens eine Kurbelwelle (127), insbesondere beide Kurbelwellen (127) jeweils, mechanisch mit dem wenigstens einen Generator (130) verbunden ist. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dad u rch geken nzeich net, dass der Elektromotor über ein Getriebe oder direkt auf eine Antriebswelle eines Propellers wirkt. Wasserfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, geken nzeich net durch einen Tank, der mit dem Zweizylinder-Hubkolbenmotor (121) fluidverbunden und zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit regenerativ hergestelltem Methanol befüllt ist. Verfahren zum Betreiben eines Wasserfahrzeugs nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Zweizylinder-Hubkolbenmotor (121) mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird.
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