AT8638U1 - Kryo-speicher mit supraleitender windung für kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Kryogener Speicher für Kraftfahrzeuge, bestehend im Wesentlichen aus einem Innenbehälter und einem diesen umschließenden Aussenbehälter, wobei der Innenbehälter ein tiefkaltes verflüssigtes Gas enthält und in dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Aussenbehälter eine Superisolation vorgesehen ist. Um die Reichweite und Leistung eines so betriebenen Kraftfahrzeuges weiter zu vergrößern, ist innerhalb des Aussenbehälters eine supraleitende Windungseinheit angeordnet ist, die durch das tiefkalte verflüssigte Gas direkt oder indirekt auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur gebracht wird, und dass diese Windungseinheit mit einem elektrischen Generator verbunden ist.

Description

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Die Erfindung betrifft kryogene Speicher für Kraftfahrzeuge, die im Wesentlichen aus einem Innenbehälter und einem diesen umschließenden Aussenbehälter bestehen, wobei der Innenbehälter ein tiefkaltes verflüssigtes Gas enthält und in dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Aussenbehälter eine Superisolation vorgesehen ist. Bei dem verflüssigten Gas han-5 delt es sich vorzugsweise, aber nicht unbedingt, um Wasserstoff, der wegen seiner hohen Energiedichte und umweltfreundlichen Verbrennung ein besonders brauchbarer Energieträger ist. Die Verbrennung kann sowohl eine „heisse“ Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine, als auch eine „kalte“ Verbrennung in einer Brennstoffzelle sein. In letzterem Fall erfolgt der Antrieb des Kraftfahrzeuges durch einen von den Brennstoffzellen gespeisten Elektromotor. 10

Sollen derartige Energieträger für den mobilen Einsatz geeignet sein, müssen sie, von wirtschaftlichen Gesichtspunkten abgesehen, bei möglichst geringem Gewicht dem Fahrzeug eine ausreichende Reichweite verleihen. Das heisst, das Fahrzeug muss mit der im Speicher enthaltenen Füllmenge möglichst lange und über eine möglichst lange Fahrstrecke das Auslangen 15 finden. Für die Speicherung tiefkalt verflüssigter Gase erfordert das vor allem eine hochwirksame Wärmeisolation.

Um die Reichweite und Leistung eines so betriebenen Kraftfahrzeuges weiter zu vergrößern, kann bei kryogenen Speichermedien ein neuer Weg eingeschlagen werden. Es ist Ziel der 20 Erfindung, einen solchen anzugeben. Dazu wird ein Gedankensprung zum Energiehaushalt des Fahrzeuges im Fährbetrieb vollzogen. Dieser führt zu der Zielsetzung, den von dem Fahrzeug mitgeführten Energieträger möglichst gut auszunutzen.

Eine bekannte Maßnahme besteht darin, die Bremsenergie rückzugewinnen und zu speichern. 25 Die Rückgewinnung der beim Bremsen vernichteten kinetischen Energie des Kraftfahrzeuges bewirkt eine fühlbare Verbesserung der Energieausnutzung, ist aber mit den Nachteilen eines Akkumulators erkauft.

Diese Maßnahme kann in einem Kraftfahrzeug mit elektromotorischem Antrieb aus von Brenn-30 stoffzellen geliefertem Strom umgesetzt werden, indem der Elektromotor beim Verzögern des Fahrzeuges als Generator betrieben und der so erzeugte Strom in einem Akkumulator gespeichert wird. Dieser liefert beim Beschleunigen zusätzlichen Strom, sodass die Brennstoffzellen nicht für Höchstlast dimensioniert werden brauchen. 35 In Kraftfahrzeugen mit sogenanntem Hybrid-Antrleb ist eine für den Dauerbetrieb mit einem bei Umgebungstemperatur flüssigen konventionellen Brennstoff ausgelegte kleinere Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine vorgesehen, die als Motor und beim Bremsen als Generator betrieben werden kann. Zusätzlich kann sie auch bei geringem Leistungsbedarf, von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, Strom erzeugen. So kann die Verbren-40 nungskraftmaschine in einem verbrauchsgünstigen Betriebspunkt betrieben werden. Der so erzeugte und in einem Akkumulator gespeicherte Strom liefert zum Beschleunigen zusätzliche Leistung. Akkumulatoren sind aber schwer und sperrig und ihre Kapazität ist begrenzt.

Erfindungsgemäß wird bei einem Kraftfahrzeug, dessen Energieträger ein tiefkaltes verflüssig-45 tes Gas ist, der von einem Generator erzeugte elektrische Strom nicht in einem Akkumulator, sondern in dem Kryospeicher gespeichert. Dazu ist innerhalb des Aussenbehälters eine supraleitende Windungseinheit angeordnet, die durch das tiefkalte verflüssigte Gas direkt oder indirekt auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur gebracht wird, und ist diese Windungseinheit mit einem elektrischen Generator und einem Stromverbraucher verbunden. 50

Dabei wird elektrische Energie auf induktiver Basis gespeichert, unter Benutzung eines unter der Bezeichnung SMES (=Superconducting Magnetic Energy Storage) aus wissenschaftlichen Publikationen an sich bereits bekannten Effektes. Siehe die Artikel in „Scientia Electrica“, Band 23 (Heft 4, 1977), Seiten 113 bis 136 und „Appl. Phys. Lett.“ 51 (20. Juli 1987), Seiten 203 und 55 204. In der DE 37 39 411 ist weiters eine spezielle Ausführungsform einer SMES beschrieben. 3 AT 008 638 U1

Der zum Speichern in die supraleitende Windungseinheit eingeleitete Strom baut ein Magnetfeld auf, welches das eigentliche „Speichermedium“ ist. Die gespeicherte Energiemenge ist proportional der Induktivität der Windungseinheit und dem Quadrat der Stromstärke. Im Speicherbetrieb fließt der Strom, angetrieben durch das Magnetfeld, in der kurzgeschlossenen 5 Windungseinheit im Kreis, was dank der Supraleitung widerstandslos ist. Zum Entladen wird eine elektrische Last in den Kreislauf geschaltet, das Magnetfeld wird abgebaut und gibt so die in ihm gespeicherte Energie frei. Ausserdem braucht eine supraleitende Windung keinen Magnetkern. io Der Kryospeicher erfüllt somit eine doppelte Speicherfunktion, ohne den sonst bei Supraleitern erforderlichen Aufwand für die Erzeugung der Tieftemperatur, weil eine tiefkalte Flüssigkeit bereits vorhanden ist. So ist ohne zusätzlichen Raumbedarf und ohne zusätzliches Gewicht ein Stromspeicher geschaffen. Die Speicherung von Strom mittels SMES bietet im Vergleich mit Akkumulatoren noch weitere Vorteile: Ihre Speicherkapazität ist ausserordentlich groß und bei 15 entsprechender Ausbildung der Windungseinheit ist sie sehr schnell auf- und entladbar. Sie kann also im Fährbetrieb sehr schnell eine große zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung stellen.

In einer praktischen Umsetzung ist die Windungseinheit in einem Stromkreis mit ersten Schal-2o tern angeordnet, der im Ladebetrieb durch den Generator und im Entladebetrieb durch den Stromverbraucher führt und ist die Windungseinheit im Speicherbetrieb über eine Kurzschlussverbindung und einen zweiten Schalter kurzgeschlossen (Anspruch 2). Der Stromverbraucher ist entweder ein mit dem Generator vereinigter Elektromotor (Anspruch 3) oder er ist selbst als Generator betreibbar (Anspruch 4). 25

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Windungseinheit in dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Aussenbehälter in wärmeleitender Verbindung mit dem Innenbehälter angeordnet (Anspruch 5). Das vereinfacht die Herstellung und die elektrischen Leitungsverbindungen. Vorzugsweise umschlingt die Windungseinheit den Innenbehälter zumindest teilweise 30 (Anspruch 6).

In einer Weiterbildung besteht die Windungseinheit aus mehreren Lagen mit jeweils entgegengesetzter Stromrichtung (Anspruch 7). So heben sich die magnetischen Feldlinien gegenseitig auf und es kann sich kein nach aussen wirkendes Streufeld ausbilden. Das ist ein wesentlicher 35 Vorteil, wenn sich in der Nähe des Speichers elektronische Bauteile befinden, die durch das Streufeld beeinträchtigt werden könnten.

In einer abgewandelten Ausführungsform ist die Windungseinheit im Inneren des Innenbehälters angeordnet (Anspruch 8). Dadurch kann die Wärmeleitung auf kürzestem Weg erfolgen, 40 wodurch das Temperaturgefälle kleiner ist. Dadurch können Supraleiter mit höherer kritischer Stromdichte oder mit tieferer Sprungtemperatur eingesetzt werden. Allerdings ist die Fertigung des Speichersystems aufwändiger.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Kurzschlussverbindung supraleitend ausgebildet, wobei 45 der die Kurzschlussverbindung herstellende beziehungsweise unterbrechende zweite Schalter von einem beheizbaren Supraleiter gebildet ist (Anspruch 9). Damit wird zweierlei erreicht: Der Kurzschlusskreis ist durchgehend supraleitend, dadurch treten im Speicherbetrieb überhaupt keine Verluste auf, und der Schalter kommt ohne bewegliche Bauteile aus, die bei Tiefsttempe-ratur besonders anfällig wären. Ersteres bedeutet, dass auch bei sehr lange anhaltendem Spei-50 cherbetrieb die gespeicherte Energiemenge nicht abnimmt. Aus Gründen der Betriebssicherheit ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, die ersten Schalter so auszubilden, dass sie in Ruhestellung unterbrochen sind. Ein elektrischer Leiter ist nämlich immer auch ein Wärmeleiter. Wenn dieser unterbrochen ist, kann keine Umgebungswärme in den Speicher eingeleitet werden, was zur Reduktion der Ausdampfverluste im Stillstand beiträgt. 55

Claims (9)

1. 4 AT 008 638 U1 Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar: Fig. 1: Schematisch einen erfindungsgemäßen Speicher. 5 Fig. 2: Die zugehörige elektrische Schaltung schematisch in einer ersten Stellung. Fig. 3: Wie Fig 2, in einer zweiten Stellung. In Fig. 1 ist der Außenbehälter eines kryogenen Speichers mit 1 und der Innenbehälter mit 2 bezeichnet. Letzterer enthält ein tiefkaltes verflüssigtes Gas, zum Beispiel Wasserstoff. Zwi-io sehen Außenbehälter und Innenbehälter ist eine Superisolation vorgesehen. Sie besteht in der Regel aus aufeinanderfolgenden isolierenden und reflektierenden Schichten im Vakuum. Der Innenbehälter 2 ist von einer Windungseinheit 6 umgeben. Diese ist von Gleichstrom durchflossen und besteht aus einem supraleitenden Werkstoff. Weil die Windungseinheit 6 am Innenbehälter anliegt, wird sie durch die Wand des Innenbehälters 2 hindurch vom flüssigen Medium so 15 stark abgekühlt, dass sie in den supraleitenden Zustand gerät, in dem sie einem durchfließenden Gleichstrom keinen Widerstand entgegensetzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Windung aus zwei gegenläufigen Windungen 6a, 6b deren magnetische Feldlinien einander nach aussen gegenseitig aufheben, um so kein nach außen wirkendes Streufeld auszubilden. 20 Die Windungseinheit 6 wird von einer Stromquelle 10 über einen Gleichrichter 11 und eine Schaltergruppe 12 mit Gleichstrom versorgt bzw. liefert einen solchen, wie noch zu beschreiben. Die Schaltergruppe 12 besteht aus mindestens einem Schalter 12a, der die Verbindung zum Gleichrichter 11 herstellt und einem Schalter 12b, der die Windungseinheit 6 kurz schließt. 25 Fig. 2 zeigt grob vereinfacht die Schaltung. Ein Stromerzeuger und ein Stromverbraucher ist hier vereinfachend als Motor- Generatoreinheit 20 bezeichnet, und in den meisten Anwendungsfällen auch tatsächlich eine solche. Von dem erfindungsgemäßen Speicher ist nur die Windungseinheit 6 zu sehen. In Fig. 2 ist der Schalter 12b geöffnet und der Schalter 12a geschlossen, sodass ein großer Stromkreis 21 entsteht. Wenn die Motor- Generatoreinheit als 30 Generator arbeitet, liefert sie Strom in die Windungseinheit 6, welche sehr schnell ein Magnetfeld aufbaut und den zugeführten elektrischen Strom in diesem Magnetfeld speichert. Wird die Motorgetriebeeinheit 20 als Motor betrieben, so entnimmt sie der Windungseinheit 6 den Strom, unter Abbau des speichernden Magnetfeldes. 35 Fig. 3 zeigt dieselbe Schaltung im Speicherbetrieb, das heißt wenn weder Strom zugeführt noch Strom verbraucht wird. Dieser wird durch Öffnen des ersten Schalters 12a und Schließen des zweiten Schalters 12b erreicht. In diesem ist ein kleiner Stromkreis 22 gebildet, in dem der Strom beinahe widerstandslos im Kreise fließt. Wenn auch die Leitungen des kleinen Stromkreises 22 supraleitend sind, praktisch ganz widerstandslos. Die Supraleitung erlaubt eine 40 Gestaltung der Schalter, insbesondere des Schalters 12b ohne bewegliche Teile, indem der supraleitende Teil des Schalters mittels einer kleinen Heizwendel beheizbar ist. Dann ist er in unbeheiztem Zustand offen und in beheiztem Zustand geschlossen. 45 Ansprüche: 1. Kryogener Speicher für Kraftfahrzeuge, bestehend im Wesentlichen aus einem Innenbehälter und einem diesen umschließenden Aussenbehälter, wobei der Innenbehälter ein tiefkaltes verflüssigtes Gas enthält und in dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Aus-50 senbehälter eine Superisolation vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Aussenbehälters eine supraleitende Windungseinheit angeordnet ist, die durch das tiefkalte verflüssigte Gas direkt oder indirekt auf eine Temperatur unter ihrer Sprungtemperatur gebracht wird, und dass diese Windungseinheit mit einem elektrischen Generator verbunden ist. 55 5 AT 008 638 U1
2. 2. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungseinheit in einem Stromkreis mit ersten Schaltern angeordnet ist, der im Ladebetrieb durch den Generator und im Entladebetrieb durch den Stromverbraucher führt und dass die Windungseinheit im Speicherbetrieb über eine Kurzschlussverbindung und einen zweiten Schalter 5 kurzgeschlossen ist.
3. 3. Kryogener Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverbraucher ein Elektromotor ist, der mit dem Generator vereinigt ist. io 4. Kryogener Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor selbst als Generator betreibbar ist.
4. 5. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungseinheit in dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Aussenbehälter in wärmeleitender Ver- 15 bindung mit dem Innenbehälter angeordnet ist.
5. 6. Kryogener Speicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungseinheit den Innenbehälter zumindest teilweise umschlingt.
6. 7. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungseinheit aus mehreren Lagen mit jeweils entgegengesetzter Stromrichtung besteht.
7. 8. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungseinheit im Inneren des Innenbehälters angordnet ist. 25
8. 9. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussverbindung supraleitend ausgebildet ist, wobei der zweite Schalter von einem beheizbaren Supraleiter gebildet ist.
9. 10. Kryogener Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schalter so ausgebildet sind, dass sie in Ruhestellung unterbrochen sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 55