WO2013171107A2 - Betriebsstoffversorgungssystem für fahrzeuge mit kohlendioxidspeicherung - Google Patents

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to fuel supply systems for mobile drive devices.
  • State of the art :
  • Hydrocarbons from fossil sources is seg Weggegriffen, which has a.
  • Network of refueling systems are provided to the vehicles.
  • the oxygen required for the oxidation is supplied to the oxidation devices of the vehicles in the form of ambient air, with the result that the exhaust gas mass flow of the vehicles consists largely of nitrogen gas already predominantly contained in the ambient air.
  • This exhaust gas mass flow is emitted with the carbon dioxide contained in it from the vehicles and thus contributes to an increase in the carbon dioxide content of the atmosphere and to an increase in the atmospheric greenhouse effect.
  • the gas mixture removed from the vehicles and containing carbon dioxide is supplied to one or more production plants which synthesize a vehicle fuel from hydrocarbons from carbonaceous starting materials, which in turn can be supplied to vehicles.
  • this avoids carbon dioxide emissions in the production plants according to EP 2348254A1 and EP 2325288A1, carbon dioxide must nevertheless be taken from the carbon cycle existing between vehicles and fuel production plants and stored (EP 2348254A, 1st paragraph 31, 58), since the production plants for process energy production also other carbonaceous starting materials are supplied.
  • the hydrogen is generated by powered by renewable electricity electrolysis of water.
  • the industrial process from which the carbon dioxide-containing exhaust gas is withdrawn is not operated with those hydrocarbons produced by the proposed system itself. For this reason, if the hydrocarbons produced are used as fuel ("Gasoline Products" in US7989507B2. Fig. 1, Fig. 2, Fig. 5, Fig. 6) or otherwise reoxidized to carbon dioxide, and the said industrial one , carbon dioxide-producing process with fossil
  • Hydrocarbon is operated, not a sustainable avoidance of
  • the object of the invention is to provide a fuel supply system and a method for the energetic supply of mobile machinery and in particular of vehicles (water, land and aircraft) to provide a similar in comparison to today's systems and methods Antriebsleistüng and range of mobile machines while avoiding carbon dioxide emissions both in the earth's atmosphere as well as in the form of deposits in the ground or in water as possible.
  • This avoidance of carbon dioxide emissions relates to the operation of the mobile machines themselves, but also their fuel supply system (in particular the production of fuels).
  • the term "fuel” means a single combustible hydrocarbon compound or a mixture of several different combustible hydrocarbons Hydrocarbon compounds referred to, which can be generated by a single or multi-stage synthesis process of carbon dioxide and hydrogen, possibly also with additional supply of oxygen.
  • a fuel may be methane or methanol.
  • Machines (6) (hereinafter referred to as "vehicles"), which is based on an almost closed carbon cycle.
  • vehicles which is based on an almost closed carbon cycle.
  • the vehicles (6) resulting from the oxidation of fuel and stored in-vehicle carbon dioxide entirely for the synthesis of used new fuel and this again the vehicles (6) are fed so that no carbon dioxide is generated, which emits into the atmosphere, would have to be further processed or disposed of industrially,
  • the presented system is used to supply vehicles (6), which also use oxygen in the vehicles (8) as fuels for obtaining their driving energy in addition to flammable hydrocarbon compounds.
  • vehicles (6) which also use oxygen in the vehicles (8) as fuels for obtaining their driving energy in addition to flammable hydrocarbon compounds.
  • the combustible hydrocarbon compounds are oxidized with the supply of oxygen (8), whereby a product gas consisting essentially of carbon dioxide and water (13).
  • a product gas consisting essentially of carbon dioxide and water (13).
  • water (1 1) By cooling and / or compression of water (1 1) is deposited, so that concentrated carbon dioxide (9) is available for in-vehicle storage.
  • the oxidation device (12) in the vehicle may, for example, consist of one or more internal combustion engines (internal combustion engine, gas turbine), one or more fuel cells or combinations of the abovementioned possibilities.
  • the presented fuel supply system for vehicles includes one or more refueling devices (2) which can supply the described vehicles (6) with oxygen (8) and fuel (7) (each of a high degree of purity) and can discharge carbon dioxide (9) from the vehicles.
  • the oxygen and fuel supply takes place separately from each other either in gaseous or liquid form.
  • the supply system presented herein consists of one or more devices for splitting water into hydrogen and oxygen (4) and one or more fuel synthesis devices (3).
  • An inventive supply system can also
  • the concentrated carbon dioxide (9) taken from the vehicles is extracted from the individual refueling devices (2) of one or more synthesis devices
  • Synthesizers (3) in a matched to the respective fuel catalytic process fuel (7) are generally known: In the case of methane, for example, nickel-doped solid catalysts, in the case of methanol, for example, copper-doped solid catalysts are used. Such systems can be designed by a person skilled in the art and integrated into the overall process.
  • a fuel supply system falls in the devices for the synthesis of fuel from hydrogen and carbon dioxide (3) only water (1 1) as the only by-product.
  • the synthesis process for methane can be approximately by the following
  • the resulting water can be emitted from the fuel synthesis apparatus (3).
  • this water is supplied in a recirculation mass flow (1 la) partly or wholly to one or more plants for the splitting of water (4).
  • the fuel produced in the fuel synthesis devices (3) is, in gaseous or liquid form and after possible intermediate storage, the
  • a fuel supply system can provide all of the oxygen (8) required by the fuel oxidation vehicles to the vehicles (6) without additional oxygen production equipment.
  • the oxygen (8) produced in the devices for splitting water (4) is partly or wholly
  • the devices for splitting water (4) can be, for example, a
  • oxygen (8) from the water splitting devices (4) is additionally supplied to the fuel synthesis devices (3) to operate the fuel supply system with a fuel whose synthesis process requires the supply of oxygen gas.
  • dimethyl carbonate (CH 2 O) 2 CO can be produced:
  • the fuel synthesis devices (3) and the refueling devices (2) also meet their operating energy requirements from renewable energy sources (5).
  • the devices for synthesizing fuel (3) use the hydrogen (10) supplied to them with ambient air in, for example, an internal combustion engine or fuel cell
  • Refueling plants (2) their operating energy from the oxidation of a part of the fuel supplied to them by means of a part of the oxygen supplied to them and lead the resulting carbon dioxide to the synthesis apparatus for fuel (3), after an analogous to the described, in-vehicle water separation.
  • Water separation (14a) was performed.
  • the supply system In order to ensure an adequate supply of fuel to an increasing number of vehicles and also to compensate for the low carbon losses in the water emitted by the vehicles (6) and in the water emitted by the fuel synthesis devices (3), the supply system must have water and energy from C02 emission-free generation also fuel or carbon dioxide are fed to a corresponding extent. This can be done at a suitable point of the supply system, such as at the refueling devices (2), by feeding in gaseous, liquid, in the case of carbon dioxide also supercritical form.
  • FIGS. 1 and 2 The invention is shown schematically in FIGS. 1 and 2.
  • the supply system (1) is only one in each case
  • Refueling device (2) a device for the synthesis of fuel (3) and a
  • FIGS. 1 and 2 also each show a mobile machine (6) with the above-described
  • FIG. 1 shows an embodiment of the supply system (1) with buffers (20a), (21 a), (22a), (27) for the Stoffaüs (2004) in the device for splitting water (4) and in the device for the synthesis of fuel ( 3) and with optional devices for the liquefaction of oxygen (24), (29) in the refueling device (2) and in the
  • Fig. 2 shows an embodiment of the supply system (1) with latches (20 a), (21 a), (22 a), (27) and with a system for recovering energy from fuel in the
  • Refueling device (2) consisting of oxidation device (12a),

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Description

BETRIEBSSTOFFVERSORGUNGSSYSTEM FÜR FAHRZEUGE MIT KOHLENDIOXIDSPEICHERUNG
Beschreibung: Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft Betriebsstoff- Versorgungssysteme für mobile Antriebsvorrichtungen. Stand der Technik:
In modernen Volkswirtschaften sind Fahrzeuge meist so konstruiert, dass sie durch eine fahrzeuginterne Oxidation (in z.B. Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Brennstoffzellen) von Kohlenwasserstoffverbindungen (z.B. Benzin, Diesel, Erdgas, Kerosin, Schweröl) die zu ihrem eigenen Betrieb nötige Energie gewinnen, wobei dazu zum größten Teil auf
Kohlenwasserstoffverbindungen aus fossilen Quellen zugrückgegriffen wird, die über ein . Netz von Betankungsanlagen den Fahrzeugen zur Verfügung gestellt werden. Der zur Oxidation nötige Sauerstoff wird den Oxidationsvorrichtungen der Fahrzeuge in Form von Umgebungsluft zugeführt, was zur Folge hat, dass der Abgasmassestrom der Fahrzeuge größtenteils aus dem schon in der Umgebungsluft überwiegend enthaltenen Stickstoffgas besteht. Dieser Abgasmassestrom wird mit dem in ihm enthaltenen Kohlendioxid aus den Fahrzeugen emittiert und trägt so zu einer Steigerung des Kohlenstoffdioxidgehaltes der Atmosphäre und zu einer Verstärkung des atmosphärischen Treibhauseffektes bei.
Um diesen klimatischen Effekt kohlenwasserstoffbetriebener Fahrzeuge zu reduzieren, wurden Fahrzeuge vorgeschlagen (z.B. Patent US 5680764A, US6523349B2), die kohlen- und wasserstoffhältige Treibstoffe in einer stickstofffreien Umgebung oxidieren, um ein Produktgas zu erhalten, das zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid und Wasser besteht, und dadurch, nach erfolgter Wasserabscheidung, eine Kohlendioxidspeicherung in den Fahrzeugen ermöglichen. Eine solche stickstofffreie bzw. -arme und sauerstoffangereicherte (mehr als 21 Vol% Sauerstoffanteil) Oxidationsumgebung kann beispielsweise durch die Abscheidung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit Hilfe von Membranen oder durch die Verwendung von im Fahrzeug mitgeführtem Sauerstoff erzeugt werden (vgl. Yantovski E. Energy and Exergy Currents. NOVA Science Publiction. New York, 1 994). Für das in diesen Fahrzeugen gespeicherte und periodisch aus dem Fahrzeug abzuführende Kohlendioxid, werden oft technische Weiterverwendungsmöglichkeiten oder seine unterirdische Speicherung als Entsorgungsoptionen angeführt. Dabei befindet sich die Technik der unterirdischen Endspeicherung von Kohlendioxid noch im Erprobungsstadium Und wirft gravierende Fragen zur langfristigen Dichtheit der Lagerstätten auf.
In der Anmeldung EP 2348254A1 wird das aus den Fahrzeugen abgeführte und Kohlendioxid enthaltende Gasgemisch einer oder mehreren Produktionsanlagen zugeführt, die aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen einen Fahrzeugtreibstoff aus Kohlenwasserstoffen synthetisieren, der wiederum Fahrzeugen zugeführt werden kann. Dadurch werden zwar laut EP 2348254A1 und EP 2325288A1 Kohlendioxidemissionen in den Produktionsanlagen vermieden, allerdings muss aus dem zwischen Fahrzeugen und Treibstoff-Produktionsanlagen bestehenden Kohlenstoffkreislauf dennoch Kohlendioxid entnommen und endgelagert werden (EP 2348254A 1. Absatz 31 , 58), da den Produktionsanlagen zur Prozessenergiegewinnung auch andere kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe zugeführt werden.
In der Anmeldung US 20090289227A1 bzw. der Patentschrift US 7989507B2 wird eine Methode beschrieben, Kohlendioxid aus Abgasen von Industrieanlagen zu gewinnen und dieses mit Hilfe von Wasserstoff und heute üblicher Katalysatoren in brennbare
Kohlenstoffverbindungen wie Methan oder Methanol überzuführen. Der Wasserstoff wird dabei durch mit regenerativem Strom betriebener Elektrolyse von Wasser erzeugt. Bei dieser Methode wird der industrielle Prozess, aus dem das kohlendioxidhältige Abgas entnommen wird, nicht mit jenen Kohlenwasserstoffen betrieben, die durch das vorgeschlagene System selbst erzeugt werden. Aus diesem Grunde dient die genannte Methode, sofern die produzierten Kohlenwasserstoffe als Treibstoff („Gasoline Products" in US7989507B2. Fig. l , Fig.2, Fig.5, Fig.6) verwendet oder anderweitig wieder zu Kohlendioxid oxidiert werden und der genannte industrielle, kohlendioxidproduzierende Prozess mit fossilen
Kohlenwasserstoffen betrieben wird, nicht einer nachhaltigen Vermeidung von
Kohlendioxidemissionen, sondern nur ihrer zeitlichen Verzögerung.
Um die Einlagerung von Kohlendioxid in die Erdatmosphäre durch
kohlenwasserstoffbetriebene Fahrzeuge zu vermindern ohne dabei eine fahrzeuginterne Kohlendioxidabscheidung und -speicherung durchführen zu müssen, werden in zunehmend größerem Ausmaß auch aus Biomasse hergestellte Treibstoffe eingesetzt. Diese weisen eine gegenüber herkömmlichen, fossilen Treibstoffen verbesserte Kohlendioxidemissionsbilanz auf, da die bei ihrer Oxidation entstehende und aus den Fahrzeugen emittierte Menge an Kohlendioxid in äquivalentem Umfang durch das Nachwachsen der Biomasse wieder der Atmosphäre entzogen wird. Tatsächlich wird für heute angebotene Biotreibstoffe allerdings nur eine um höchstens ca. 70% reduzierte Kohlenstoffdioxidemission (gemessen in
Kohlenstoffdioxidäquivalenten) gegenüber aus fossilen Quellen hergestellten Treibstoffen angenommen. Auch wenn die Verwendung lignuzellulosehältiger Rohstoffe zukünftig diesen Wert erhöhen wird, so bestehen die Grenzen der Realisierbarkeit dieses technologischen Ansatzes dennoch in der beschränkten globalen land- und forstwirtschaftlichen
Produktionskapazität.
Alternative, nicht auf Kohlenwasserstoffverbindungen, sondern auf elektrischer Energie aufbauende Energieversorgungskonzepte für Fahrzeuge erzeugen, sofern sie auf Elektrizität aus regenerativen oder nuklearen Quellen zurückgreifen, keine oder nur geringe
Kohienstoffdioxidemissionen. Der derzeitige Stand der Batterietechnik führt allerdings für verkehrstaugliche Fahrzeuge nicht nur zu im Vergleich zu herkömmlichen Tankvorgängen langen Ladezeiten, sondern begrenzt auch sehr stark die Reichweite der Fahrzeuge. Dies resultiert aus der im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen geringen Energiedichte der derzeit verwendeten Batterien.
Aufgabe der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Betriebsstoffversorgungssystem und ein Verfahren zur energetischen Versorgung mobiler Maschinen und insbesondere von Fahrzeugen (Wasser-, Land- und Luftfahrzeuge) zur Verfügung zu stellen, das eine im Vergleich zu heutigen Systemen und Verfahren ähnliche Antriebsleistüng und Reichweite der mobilen Maschinen ermöglicht, dabei aber Kohienstoffdioxidemissionen sowohl in die Erdatmosphäre als auch in Form von Einlagerungen in den Erdboden oder in Gewässern möglichst vermeidet. Diese Vermeidung von Kohienstoffdioxidemissionen betrifft dabei die Funktionsweise der mobilen Maschinen selbst, aber auch ihr Treibstoff- Versorgungssystem (insbesondere die Herstellung der Treibstoffe).
Darstellung der Erfindung: 1
In den folgenden Ausführungen wird mit dem Begriff„Treibstoff eine einzelne brennbare Kohlenwasserstoffverbindung oder ein Gemisch von mehreren verschiedenen brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen bezeichnet, welche durch einen ein- oder mehrstufigen Syntheseprozess aus Kohlendioxid und Wasserstoff, eventuell auch unter zusätzlicher Zuführung von Sauerstoff, erzeugt werden können. Insbesondere kann es sich bei einem Treibstoff um Methan oder Methanol handeln.
In der vorliegenden Erfindung wird ein Betriebsstoffversorgungssystem für mobile
Maschinen (6) (in den weiteren Ausführungen nur noch als„Fahrzeuge" bezeichnet) vorgeschlagen, das auf einem nahezu geschlossenen Kohlenstoffkreislauf beruht. Dabei kann das in den Fahrzeugen (6) durch die Oxidation von Treibstoff entstandene und fahrzeugintern gespeicherte Kohlendioxid gänzlich zur Synthese von neuem Treibstoff verwendet und dieser wieder den Fahrzeugen (6) zugeführt werden, sodass kein Kohlendioxid anfällt, das in die Atmosphäre emittiert, industriell weiterverarbeitet oder endgelagert werden müsste,
Stattdessen wird dadurch ein nahezu geschlossenes Kohlenstoffrecyclingsystem verwirklicht, in dem nur durch das von den Fahrzeugen (6) oder den Treibstoffsyntheseanlagen (3) emittierte Wasser und dem darin in geringen Mengen gelösten Kohlenstoffdioxid Kohlenstoff an die Umgebung abgegeben wird.
Das vorgestellte System dient der Versorgung von Fahrzeugen (6), die als Betriebsstoffe zur Gewinnung ihrer Antriebsenergie neben brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen auch in den Fahrzeugen mitgeführten Sauerstoff (8) verwenden. Außerdem verfügen solche
Fahrzeuge (6) über eine fahrzeuginterne Kohlendioxidabscheidung und -speicherung im Sinne des oben beschriebenen Verfahrens: Die brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen werden unter Zuführung von Sauerstoffs (8) oxidiert, wodurch ein im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasser bestehendes Produktgas (13) entsteht. Durch Abkühlung und/oder Verdichtung wird daraus Wasser (1 1 ) abgeschieden, sodass konzentriertes Kohlendioxid (9) zur fahrzeuginternen Speicherung zur Verfügung steht. Teilweise wird das erzeugte
Produktgas vor bzw. nach erfolgter Wasserabscheidung wieder der Oxidationsreaktion zugeführt, um deren Intensität und die physikalischen Eigenschaften des Abgasstroms zu regeln. Die Oxidationsvorrichtung (12) im Fahrzeug kann zum Beispiel aus einer oder mehreren Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine), aus einer oder mehreren Brennstoffzellen oder aus Kombinationen der genannten Möglichkeiten bestehen.
Das vorgestellte Betriebsstoffversorgungssystem für Fahrzeuge enthält eine oder mehrere Betankungsvorrichtungen (2), die den beschriebenen Fahrzeugen (6) Sauerstoff (8) und Treibstoff (7) (jeweils in hohem Reinheitsgrad) zuführen und Kohlendioxid (9) aus den Fahrzeugen abführen können. Die Sauerstoff- und Treibstoffzufuhr erfolgt dabei getrennt voneinander entweder in gasförmiger oder flüssiger Form. Außerdem besteht das hier vorgestellte Versorgungssystem aus einer oder mehreren Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (4) und einer oder mehreren Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3). Ein erfindungsgemäßes Versorgungssystem kann auch
Zwischenspeicher und/oder Verflüssigungsvorrichtungen für die genannten Stoffe aufweisen.
Das den Fahrzeugen entnommene, konzentrierte Kohlendioxid (9) wird aus den einzelnen Betankungsvorrichtungen (2) einer oder mehreren Vorrichtungen zur Synthese von
Treibstoff (3) zugeführt. Dies kann in flüssiger, gasförmiger oder überkritischer Form geschehen. Ebenfalls wird diesen Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) reines Wasserstoffgas (10) aus den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) zugeführt. Aus dem ihnen zugeführten Kohlendioxid (9) und Wasserstoff (10) erzeugen die
Synthesevorrichtungen (3) in einem auf den jeweiligen Treibstoff abgestimmten katalytischen Prozess Treibstoff (7). Anlagen für eine katalytische Umsetzung von Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan- bzw. Methanol sind allgemein bekannt: Im Falle von Methan kommen beispielsweise Nickel-dotierte Feststoffkatalysatoren, im Falle von Methanol beispielsweise kupfer-dotierte Feststoffkatalysatoren zum Einsatz. Solche Anlagen können vom Fachmann ausgelegt und in den Gesamtprozess integriert werden.
In einem erfindungsgemäßen Betriebsstoffversorgungssystem fällt in den Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff aus Wasserstoff und Kohlendioxid (3) nur Wasser (1 1 ) als einziges Nebenprodukt an. Der Syntheseprozess für Methan kann etwa durch folgende
Reaktionsgleichung veranschaulicht werden:
C02 + 4H2 -> CH4 + 2H20
Für die Synthese von Methanol gilt die Reaktionsgleichung
C02 + 3H2 -> H3COH + H20
Das anfallende Wasser kann aus der Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff (3) emittiert werden. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Versorgungsnetzwerkes wird dieses Wasser in einem Rezirkulationsmassestrom (1 l a) teilweise oder gänzlich einer oder mehreren Anlagen zur Aufspaltung von Wasser (4) zugeführt. Der in den Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) erzeugte Treibstoff wird, in gasförmiger oder flüssiger Form und nach eventueller Zwischenspeicherung, den
Betankungsvorrichtungen (2) zugeführt.
Der in der Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) bei der Herstellung des zur Treibstoffsynthese benötigten Wasserstoffs (10) anfallende, reine Sauerstoff (8) entspricht - den stöchiometrischen Gesetzen folgend - genau jener Menge an Sauerstoff, die zur vollständigen Oxidation des in der Treibstoffsynthesevorrichtung (3) erzeugten Treibstoffs benötigt wird. Für Methan kann dieses stöchiometrische Verhältnis etwa in folgenden Gleichungen angegeben werden:
Aufspaltungsprozess von Wasser: 4H20 -> 4H2 + 202
Methansyntheseprozess: C02 + 4H2 -> CH4 + 2H20
Oxidation des erzeugten Methans: CH4 + 202 -> G02 + 2H20
Für Methanol können folgende Gleichungen dieses stöchiometrische Verhältnis ausdrücken:
Aufspaltungsprozess von Wasser: 6H20 -> 6H2 + 302
Methanolsyntheseprozess: 2C02 + 6H2 -> 2CH30H + 2H20
Oxidation des erzeugten Methanols: 2CH30H + 302 -> 2C02 + 4H20
Deshalb kann ein erfindungsgemäßes Betriebsstoffversorgungssystem sämtlichen, von den Fahrzeugen zur Oxidation des Treibstoffs benötigten Sauerstoff (8) ohne zusätzliche Vorrichtung zur Sauerstoffproduktion den Fahrzeugen (6) zur Verfügung stellen. Dazu wird in einem erfindungsgemäßen Betriebsstoffversorgungssystem der in den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) produzierte Sauerstoff (8) teilweise oder gänzlich den
Betankungsvorrichtungen (2) zugeführt. Dies kann wiederum in gasförmiger oder flüssiger Form geschehen.
Die Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) können sich zum Beispiel eines
Elektrolyseprozesses, aber auch eines thermischen oder thermochemischen
Aufspaltungsverfahrens bedienen. Die dafür nötige Energie muss aber, um das dem vorgestellten Betriebsstoffversorgungssystem zugrundeliegenden Prinzip einer C02- emissionsfreien Energieversorgung der Fahrzeuge zu gewährleisten, aus nicht fossilen Energiequellen (5) stammen. Da es sich dabei um eine stationäre Energieversorgung handelt, ist diese leicht durch zum Beispiel solar- oder windenergetische Anlagen zu verwirklichen. Diese wie auch Anlagen zur elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind technisch gut untersucht und können vom Fachmann ausgelegt und in den Gesamtprozess integriert werden.
In einer Ausführungsform des Betriebsstoffversorgungssystems wird zusätzlich Sauerstoff (8) aus den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) den Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) zugeführt, um das Betriebsstoffversorgungssystem mit einem Treibstoff betreiben zu können, dessen Syntheseprozess die Zuführung von Sauerstoffgas erfordert. Im Speziellen kann dadurch zum Beispiel in den Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) durch einen dreistufigen katalytischen Prozess Dimethylcarbonat (CH30)2CO erzeugt werden:
Methanolsynthese: C02 + 3H2 -> H3COH + H20 reverse Wassergas-Shift-Reaktion: C02 + H2 -> CO + H20
Dimethylcarbonatsynthese: 4H3COH + 2CO + 02 -> 2(CH30)2CO
Am Prinzip der stöchiometrisch hinreichenden Sauerstoffproduktion zur Oxidation des erzeugten Treibstoffs ändert sich in einer solchen Ausführungsform des
Betriebsstoffversorgungssystems nichts.
Die Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) und die Betankungsvorrichtungen (2) decken ihren Betriebsenergiebedarf ebenfalls aus regenerativen Energiequellen (5). In einer erfindungsgemäßen Variante des Versorgungssystems nutzen die Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) den ihnen zugeführten Wasserstoff (10), um ihn mit Umgebungsluft in zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle zur
Betriebsenergiegewinnung zu oxidieren. In einer anderen erfindungsgemäßen und in Fig. 2 schematisch dargestellten Variante des Versorgungssystems beziehen die
Betankungsanlagen (2) ihre Betriebsenergie aus der Oxidation eines Teiles des ihnen zugeführten Treibstoffs mit Hilfe eines Teiles des ihnen zugeführten Sauerstoffs und führen das dabei entstehende Kohlendioxid den Synthesevorrichtungen für Treibstoff (3) zu, nachdem eine zur beschriebenen, fahrzeuginternen Wasserabscheidung analoge .
Wasserabscheidung (14a) durchgeführt wurde. Um eine ausreichende Versorgung einer steigenden Anzahl von Fahrzeuge mit Treibstoff zu gewährleisten und auch die geringen Kohlenstoffverluste in dem durch die Fahrzeuge (6) und in dem durch die Vorrichtungen zur Synthese von Treibstoff (3) emittieren Wasser auszugleichen, muss dem Versorgungssystem neben Wasser und Energie aus C02- emissionsfreier Erzeugung auch Treibstoff oder Kohlenstoffdioxid in entsprechendem Ausmaß zugeführt werden. Dies kann an geeigneter Stelle des Versorgungssystems, etwa an den Betankungsvorrichtungen (2), durch Zuleitung in gasförmiger, flüssiger, im Falle von Kohlendioxid auch überkritischer Form geschehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Die Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 schematisch abgebildet. Dabei ist aus Gründen der einfacheren Darstellung das Versorgungssystem (1 ) auf jeweils nur eine
Betankungsvorrichtung (2), eine Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff (3) und eine
Vorrichtung zur Aufspaltung von Wasser (4) reduziert. Um den der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken eines nahezu geschlossenen Kohlenstoffkreislaufes zu veranschaulichen, ist in Fig. 1 und 2 auch jeweils eine mobile Maschine (6) mit oben beschriebener
Kohlenstoffdioxidabscheidung und -speicherung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführung des Versorgungssystems (1 ) mit Zwischenspeichern (20a), (21 a), (22a), (27) für den Stoffaüstausch in der Vorrichtung zur Aufspaltung von Wasser (4) und in der Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff (3) und mit optionalen Vorrichtungen zur Verflüssigung von Sauerstoff (24), (29) in der Betankungsvorrichtung (2) und in der
Vorrichtung zur Aufspaltung von Wasser (4) bzw. mit optionalen Vorrichtungen zur
Verflüssigung von Treibstoff (23), (26) in der Betankungsvorrichtung (2) als auch in der Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff (3).
Fig. 2 eine Ausführung des Versorgungssystems (1 ) mit Zwischenspeichern (20a), (21 a), (22a), (27) und mit einem System zur Energiegewinnung aus Treibstoff in der
Betankungsvorrichtung (2), bestehend aus Oxidationsvorrichtung (12a),
Wasserabscheider (14a) und Kohlendioxidverflüssigungsvorrichtung (16a), so dass die Betankungsvorrichtung (2) keine weitere Energiezufuhr benötigt. Bezugszeichenliste:
1 Betriebsstoffversorgungssystem
2 Betankungsvorrichtung
3 Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff
4 Vorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff
5 Energie aus kohlendioxidemissionsfreier Produktion
6 Mobile Maschine
7 Treibstoff
8 Sauerstoff
9 Kohlendioxid
10 Wasserstoff
1 1 Wasser
I I a Rezirkulation von Wasser
12 Oxidationsvorrichtung zur Energiegewinnung in der mobilen Maschine
12a Oxidationsvorrichtung zur Energiegewinnung in der Betankungsvorrichtung
13 Abgasmassestrom der Oxidationsvorrichtung
14 Vorrichtung zur Wasserabscheidung in der mobilen Maschine .
14a Vorrichtung zur Wasserabscheidung in der Betankungsvorrichtung
15 Rezirkulationsmassestrom
16 Vorrichtung zur Kohlendioxidverflüssigung in der mobilen Maschine
(fakultativ)
16a Vorrichtung zur Kohlendioxidverflüssigung in der Betankungsvorrichtung
(fakultativ)
17 Kohlendioxidspeicher der mobilen Maschine
18 Treibstoffspeicher der mobilen Maschine
19 Sauerstoffspeicher der mobilen Maschine
20 Zwischenspeicher für Kohlendioxid in der Betankungsvorrichtung
20a Zwischenspeicher für Kohlendioxid in der Anlage zur Synthese von Treibstoff
21 Zwischenspeicher für Treibstoff in der Betankungsvorrichtung
21 a Zwischenspeicher für Treibstoff in der Anlage zur Synthese von Treibstoff
22 Zwischenspeicher für Sauerstoff in der Betankungsvorrichtung
22a Zwischenspeicher für Sauerstoff in der Anlage zur Aufspaltung von Wasser
23 Vorrichtung zur Verflüssigung von Treibstoff in der Betankungsvorrichtung
(fakultativ)
24 Vorrichtung zur Verflüssigung von Sauerstoff in der Betankungsvorrichtung
(fakultativ)
25 Reaktor zur Synthese von Treibstoff
26 Vorrichtung zur Verflüssigung von gasförmigem Treibstoff in der Vorrichtung zur Synthese von Treibstoff (fakultativ)
27 Zwischenspeicher für Wasserstoff
28 Reaktor zur Aufspaltung von Wasser
29 Vorrichtung zur Verflüssigung von Sauerstoff (fakultativ)

Claims

Patentansprüche:
1. Betriebsstoffversorgungssystem (1) für mobile, mit einer oder mehreren verschiedenen brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen und mitgeführtem Sauerstoff betriebene, das durch den Betrieb entstehende, nicht in Wasser gelöste Kohlendioxid zumindest teilweise speichernde Maschinen (6), dadurch gekennzeichnet, dass es folgende, in ihrer Kapazität aufeinander abgestimmte Vorrichtungen enthält:
- mindestens eine Betankungsvorrichtung (2), geeignet, Sauerstoff sowie eine oder mehrere verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen (7) mobilen Maschinen (6) zuzuführen und Kohlendioxid (9) aus mobilen Maschinen (6) abzuführen,
- mindestens eine Vorrichtung zur Aufspaltung von Wasser (4) in
Wasserstoff (10) und Sauerstoff (8), mindestens eine Vorrichtung zur Synthese einer oder mehrerer verschiedener Kohlenwasserstoffverbindungen (3) aus dem durch die
Betankungsvorrichtung (2) aus mobilen Maschinen (6) abgeführten Kohlendioxid (9) und dem durch die Vorrichtung zur Aufspaltung von
Wasser (4) erzeugten Wasserstoff (10), ein Transportsystem, geeignet, Kohlendioxid (9) aus den
Betankungsvorrichtungen (2) und Wasserstoff (10) aus den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) den Vorrichtungen zur Synthese von Kohlenwasserstoffverbindungen (3) zuzuführen, ein Transportsystem, geeignet, den in den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) erzeugten Sauerstoff (8) und die in den Vorrichtungen zur Synthese von Kohlenwasserstoffverbindungen (3) erzeugten
Kohlenwasserstoffverbindungen den Betankungsvorrichtungen (2) zuzuführen.
2. Betriebsstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Transportsystem aufweist, um Sauerstoff aus mindestens einer der Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) mindestens einer der Vorrichtungen zur Synthese von Kohlenwasserstoffen (3) zuzuführen.
3. Betriebsstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein Transportsystem aufweist, um Wasser aus mindestens einer der genannten Vorrichtungen zur Synthese von
Kohlenwasserstoffverbindungen (3) mindestens einer der genannten Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) zuzuführen.
4. Betriebsstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass es eine oder mehrere Vorrichtungen (23,24,26,29,16a) aufweist, um Kohlendioxid, Sauerstoff oder Kohlenwasserstoffverbindungen von einem gasförmigen in einen flüssigen, im Fall des Kohlendioxids auch überkritischen Zustand überzuführen.
5. Verfahren, zur energetischen Versorgung von mobilen, mit einer oder mehreren
verschiedenen brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen und mitgeführtem
Sauerstoff betriebenen, das durch den Betrieb entstehende, nicht in Wasser gelöste Kohlendioxid zumindest teilweise speichernden Maschinen (6), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Abführung von Kohlendioxid (9) aus mindestens einer mobilen Maschinen (6),
- Aufspaltung von Wasser (11) in Wasserstoff (10) und Sauerstoff (8),
Synthese von einer oder mehreren verschiedenen
Kohlenwasserstoffverbindungen (7) aus dem aus mindestens einer mobilen Maschinen (6) abgeführten Kohlendioxid unter Verwendung des durch die Aufspaltung von Wasser erzeugten Wasserstoffs,
Zuführung des durch die Aufspaltung von Wasser erzeugten Sauerstoffs (8) und der synthetisierten Kohlenwasserstoffverbindungen (7) in mindestens eine mobile Maschine.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese der
Kohlenwasserstoffverbindungen (7) neben Kohlendioxid (9) und Wasserstoff (10) auch Sauerstoff (8) aus den Vorrichtungen zur Aufspaltung von Wasser (4) genutzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Synthese der brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen anfallende Wasser mindestens teilweise in einem Rezirkulationsmassestrom (I Ia) dem genannten Aufspaltungsprozess von Wasser (4) zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme von Kohlendioxid (9) aus den mobilen Maschinen (6), die Abgabe von Kohlenwasserstoffverbindungen (7) und Sauerstoff (8) an die mobilen Maschinen (6) und der Transport von Kohlendioxid, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffverbindungen zwischen den Vorrichtungen, welche der Durchführung der in den Ansprüchen 5 bis 8 genannten Prozesse dienen, mindestens teilweise in flüssiger, im Fall des
Kohlendioxids auch überkritischer Form durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des erzeugten Wasserstoffs unter Verwendung von Umgebungsluft oxidiert wird und die dadurch gewonnene Energie zum Betrieb der Vorrichtungen genutzt wird, welche der Durchführung der in den Ansprüchen 5 bis 8 genannten Prozesse dienen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der erzeugten Kohlenwasserstoffe und ein Teil des erzeugten Sauerstoffs dazu verwendet werden, Energie zum Betrieb jener Vorrichtungen zu gewinnen, die der Durchführung der in den Ansprüchen 5 bis 8 genannten Prozesse dienen.
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