DE10392525B4

DE10392525B4 - Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtung mit Wasserverbrennungstechnologie zur Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff

Info

Publication number: DE10392525B4
Application number: DE10392525T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: US20090194996A1; PL372916A1; AU2003224936A1; CA2482454C; GB0422749D0; CA2482454A1; CN1659372B; GB2407372A; WO2003087564A1; AU2003224936B2; JP2005522629A; GB2407372B; US20090193781A1; KR20040105867A; US8161748B2; DE10392525T5; US20050198958A1; WO2003087564B1; CN1659372A; MXPA04009982A

Abstract

Verbrennungssystem, welches ein Brennstoffgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff umfasst, bei welchem zumindest ein Teil des Sauerstoffs durch die Aufspaltung von Luft gewonnen wird, bei welchem die Luftaufspaltung durch ein Verfahren ausgeführt wird, auswählt aus der Gruppe, die (a) Tieftemperatur-Luftaufspaltung, (b) Luftaufspaltung mit Membranen und (c) PSA-Luftaufspaltung (Pressure Swing Absorption) und Kombinationen dieser Verfahren umfasst, bei welchem zumindest ein Teil der Verbrennungsenergie zumindest einen Teil der Luftaufspaltung bewirkt und bei welchem die Verbrennung in einer Verbrennungskammer erfolgt und die Verbrennungstemperatur zumindest teilweise durch die Zugabe von Wasser in die Verbrennungskammer gesteuert wird.

Description

Allgemeines zur Erfindung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Verbrennungssysteme, Verbrennungsmotoren und Verfahren zur Verbrennung. Den Verfahren, Systemen oder Motoren zur Verbrennung gemäß der Erfindung liegt die Chemie von Wasser (H₂O), das Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) enthält, sowie H₂O als Brennstoff zugrunde. Bei dem im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen WCT-Verfahren (Wasserverbrennungstechnik, Water Combustion Technology, WCT) wird als Brennstoffquelle kein Kohlenwasserstoff eingesetzt, sondern das WCT-Verfahren arbeitet vielmehr mit H₂ vorzugsweise in Verbindung mit O₂ sekundär in Verbindung mit Luft. Das primäre Produkt aus der Verbrennung von H₂ und O₂ ist H₂O.
Außerdem spaltet das WCT-Verfahren H₂O in H₂ und O₂ auf und damit wird H₂O zu einem leistungsfähigen Verfahren zur Brennstoffspeicherung.
Stand der Technik
Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung kann der Begriff ”Verbrennung” jegliches Verfahren, System, jeden Prozess oder jede Vorrichtung zur Verbrennung einbeziehen, wie zum Beispiel einen Ofen, einen Verbrennungsmotor, eine Brennkraftmaschine, eine Turbine oder jegliches Verbrennungssystem, bei dem mechanische, elektrische oder Wärmeenergie erzeugt wird. Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf verbesserte Verbrennungssysteme, bei denen aus dem Brenn- bzw. Kraftstoffgemisch Stickstoff (N₂) sowie N₂ und Argon (Ar) teilweise oder ganz entfernt werden, um die Energieabgabe bei dem Verbrennungsvorgang zu verbessern und/oder die Abgabe von Verunreinigungen aus dem Verbrennungsvorgang zu verringern.
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf verbesserte Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Verbrennung, bei denen die Thermodynamik des Verbrennungsvorgangs deutlich verbessert wird, wodurch der Wirkungsgrad bei der Verbrennung erheblich verbessert wird.
Außerdem beziehen sich die entdeckten WCT-Verfahren auf verbesserte Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Verbrennung, bei denen dem Brennstoff- bzw. Kraftstoffgemisch H₂O zugesetzt wird, um die Verbrennungstemperatur zu steuern, wodurch H₂O während der Verbrennung als Wärmesenke verwendet wird. Der bei der Verbrennung und/oder bei der Abkühlung nach der Verbrennung gebildete Dampf dient dabei folgenden Zwecken: 1) die Leistungsabgabe beim Verbrennungsvorgang aufrecht zu erhalten, 2) ein oder mehrere Verfahren zur Energierückführung zu schaffen, und 3) ein wirksames Verfahren zur Energiespeicherung zu entwickeln, während 4) die Verbrennungstemperatur gesteuert wird, wobei der Motor gekühlt wird. Dampf stellt dabei im Abgas eine wiederverwendbare Energiequelle dar, das sowohl aus der verfügbaren kinetischen Energie als auch der verfügbaren Wärmeenergie und darüber hinaus aus der Umwandlung von Dampf in H₂ und/oder O₂ stammt.
Wird H₂O in das Kraftstoff- bzw. Brennstoffgemisch mit der Absicht einbezogen, N₂ bzw. N₂ und Ar im Kraftstoff- bzw. Brennstoffgemisch auf ein Mindestmaß zu reduzieren oder daraus auszuschließen, so gipfelt dies in einem Brennstoff- bzw. Kraftstoffgemisch, das mindestens einer der folgenden Mischungen entspricht:
O₂, H₂ und H₂O; O₂, H₂, H₂O und N₂; O₂, H₂, H₂O, N₂ und Ar; O₂, H₂, H₂O und Luft; sowie H₂, H₂O und Luft. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung wird das Brennstoff- bzw. Kraftstoffgemisch bei dem WCT-Verfahren so definiert, dass es eines der folgenden Gemische enthält: O₂ und H₂; O₂, H₂ und N₂; O₂, H₂ und Ar; O₂, H₂ und Luft; O₂, H₂ und H₂O; O₂, H₂, H₂O und N₂, H₂, H₂O, N₂ und Ar; O₂, H₂, H₂O und Luft; oder H₂, H₂O und Luft.
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Erzeugung von Strom. Dabei wurden vier Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung entdeckt. An erster Stelle steht eine Dampfturbine im Auspuff einer Brennkraftmaschine, wobei die Dampfturbine von dem Dampf angetrieben wird, der bei der Verbrennung entsteht; diese Dampfturbine versetzt dabei einen Generator in Drehung (wobei der Begriff ”Generator” hier in dem Sinne verwendet wird, dass er einen Wechselstromgenerator oder einen Dynamo bezeichnet), bei dem mindestens ein Teil der Dampfenergie in die elektrische Energie umgewandelt wird. An zweiter Stelle steht ein Generator am mechanischen Abtrieb einer Brennkraftmaschine, wobei mechanische Energie entsteht, bei welcher mindestens ein Teil der mechanischen Energie durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Das dritte System bezieht ein physikalisches System ein, mit dem Luft- und/oder Wasserströme konzentriert auf eine Turbine gerichtet werden, wobei die Turbine durch die Bewegung der Luft oder des Wassers angetrieben wird und wobei die Turbine einen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen. Als viertes wird eine photoelektrische Zelle zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt.
Dabei wurde entdeckt, dass zumindest ein Teil der elektrischen Energie für die elektrolytische Aufspaltung von H₂O in O₂ und H₂ eingesetzt wird. Wenn ein Dynamo verwendet wird, dann wird zumindest ein Teil des vom Dynamo erzeugten Gleichstroms für die Elektrolyse aufgewendet; wenn ein Wechselstromgenerator verwendet wird, dann setzt ein Gleichstrom- bzw. Wechselstromwandler zumindest einen Teil des Wechselstroms in Gleichstrom für die Elektrolyse um. Des Weiteren wurde entdeckt, dass mindestens eines der Gase O₂ und/oder H₂, die bei der Elektrolyse entstehen, als Brennstoff- bzw. Kraftstoff in der WCT-Technik eingesetzt wird.
Die entwickelte WCT-Technik bezieht sich des Weiteren auf Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Abspaltung von O₂ aus der Luft. Dabei wurden drei Verfahrensweisen entdeckt. Nach dem ersten Verfahren wird O₂ abgespalten, wobei Energie eingesetzt wird, die aus dem WCT-Verfahren zur Verfügung gestellt wird, um ein Tieftemperatur-Destillationssystem anzutreiben, wobei Luft abgekühlt und zu O₂ und N₂ destilliert wird. Nach dem zweiten Verfahren wird unter Verwendung von Membranen Luft unter Bildung von O₂ gespalten. Nach dem dritten Verfahren wird unter Heranziehung der als ”Pressure Swing Adsorption” (PSA) bekannten Technik Luft unter Bildung von O₂ gespalten. Während die Aufspaltung von Luft in O₂ und N₂ einen Wirkungsgrad bei der Abspaltung in vielen Abstufungen aufweisen kann, soll dies hier so verstanden werden, dass der Begriff ”O₂” im hier gebrauchten Sinne zumindest angereichertes O₂ bedeuten soll, wobei die O₂-Konzentration mindestens 40 Prozent beträgt; vorzugsweise soll er reines O₂ bedeuten, wobei die O₂-Konzentration mindestens 80 Prozent beträgt; ganz besonders bevorzugter Weise bezieht er sich auf sehr reines O₂, wobei die O₂-Konzentration mindestens 90 Prozent beträgt.
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich außerdem auf Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Katalyse von Metallen, bei dem Dampf, der in dem WCT-Verfahren gebildet wurde, in H₂ und Metalloxide als Teil eines Katalysatorsystems umgewandelt wird. Des Weiteren wurde entdeckt, dass zumindest ein Teil von H₂ als Brennstoff bzw. Kraftstoff bei dem WCT-Verfahren verwendet werden soll. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung soll der Begriff ”Metall-Katalyse” hier jedwedes Metall bzw. jegliche Kombination von Metallen aus dem Periodensystem bedeuten, bei dem das Metall oder die Kombination von Metallen das im Dampf bzw. Wasserdampf enthaltene H₂O in das bzw. die entsprechende(n) Metalloxid(e) und H₂ umsetzt.
Allgemeines zum Stand der Technik und Beschreibung des Standes der Technik
Im Laufe der Jahrhunderte hat die Menschheit viele Energieformen und viele Formen des Transports geschaffen. In der modernen kapitalistischen Wirtschaft ist die Verfügbarkeit von Energie wichtig, um, wörtlich gesprochen, den Wirtschaftsmotor ”am Laufen zu halten”; mit dieser Energie werden Wohnungen und Häuser beheizt, wird Strom erzeugt, wird Beleuchtung betrieben, erhält man den Antrieb für Transportzwecke, werden Produktionseinrichtungen betrieben, etc. Die Verfügbarkeit von Energie ist ganz besonders wichtig für die Beförderung von Waren und Personen. Im 19. und 20. Jahrhundert entwickelte der Mensch fossile Brennstoffe zu zuverlässigen und kostengünstigen Brennstoffen bzw. Kraftstoffen zu vielen Verwendungszwecken, unter anderem Transport, Betrieb von Fabriken, Stromerzeugung und Wärmeerzeugung. Im Laufe des 20. Jahrhunderts erhöhte sich die Verwendung fossiler Brennstoffe in einem so hohen Maß, dass die Verbrennungsprodukte aus fossilen Brennstoffen zu einer schwerwiegenden Quelle von Luft- und Wasserverschmutzung wurden.
Dabei muss man sich dessen voll bewusst sein, dass die meisten Systeme zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen eine Leistungsfähigkeit von weniger als 40 Prozent besitzen und dass die Brennkraftmaschine einen Leistungsgrad von unter 20 Prozent hat. Diese sehr dürftigen Ergebnisse sind eine direkte Folge der Thermodynamik bei der Verbrennung. Heutige Verbrennungssysteme steigern die Entropie gegenüber der Umgebung erheblich, wobei sie Entropie und Enthalpie freisetzen. Der Grund hierfür liegt darin, dass es bei Verbrennungssystemen, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten, sehr schwierig ist, die Temperatur ohne erhebliche Entropie- und Enthalpie-Verluste an die Umgebung zu steuern; diese Verluste treten als Abgase und als Wärmeverluste an die Umgebung in Erscheinung. Zusammengefasst sind der erste und der zweite Lehrsatz der Thermodynamik eine Verpflichtung gegenüber Verbrennungssystemen, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten.
Bisher wurde(n) Kohlenwasserstoff(e) in Verbindung mit Luft als Brennstoff bzw. Kraftstoff für die Verbrennung verwendet. Die eingesetzten Kohlenwasserstoffe waren bisher Erdöldestillate wie Benzin, Dieselkraftstoff, Heizöl, Treibstoff für Flugzeuge und Kerosin, oder Fermentationsdestillate wie Methanol und Ethanol oder auch natürlich vorkommende Substanzen wie Methan, Ethan, Propan, Butan, Kohle und Holz. Die Verbrennung von fossilem Brennstoff bzw. fossilen Brennstoffen funktioniert nicht im Einklang mit der Natur. Man ging davon aus, dass die aus fossilen Brennstoffen entstehenden Produkte in Übereinstimmung mit dem Sauerstoff-Kohlenstoff-Zyklus in der Natur funktionieren würden. CnH_2n+2 + (1,5n + ½₂)O₂ → nCO₂ + (n + 1) H₂O + Energie
Genauer gesagt: Benzin (n-Oktan) C₈H₁₈ + 12 – 1/2O₂ → 8CO₂ + 9H₂O + 1.300 kcal natürliches Gas (Methan) CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 213 kcal.
Kohlenstoffoxide (CO_x, CO und/oder CO₂) werden bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen gebildet. Diese Produktion in Verbindung mit erheblicher Abholzung hat bewirkt, dass lebende Pflanzen nicht mehr in der Lage sind, das vom Menschen produzierte CO₂ in O₂ zurückzuverwandeln. CO, ein unvollständiges Nebenprodukt aus der Verbrennung, ist für jedes menschliche, tierische und pflanzliche Leben toxisch. Des Weiteren resultiert die globale Erwärmung aus dem Aufbau von CO_x in der Erdatmosphäre. Außerdem bilden sich bei der Verbrennung von Luft Stickstoffoxide (N), wobei ein Teil von N₂ in NO_x (NO, NO₂ und/oder NO₃) umgesetzt wird. NO_x ist für jedes menschliche, tierische und pflanzliche Leben toxisch. Von NO ist bekannt, dass es die Photosynthese behindert oder unterbindet, die einen biochemischen Weg in der Natur für die Umsetzung von CO₂ zurück in O₂ darstellt. Die Bildung von NO_x läuft als endothermischer Prozess ab, wodurch der Wirkungsgrad des Verbrennungsvorgangs verringert wird. Des Weiteren reagiert NO_x mit O₂ in der Atmosphäre, um Ozon (O₃) zu bilden. O₃ ist für jedes menschliche, tierische und pflanzliche Leben toxisch. O₃ sollte nur in höheren Schichten in der Atmosphäre vorkommen, wobei sich O₃ natürlicherweise aus O₂ bildet. In den höheren Schichten in der Atmosphäre schützt O₃ alles menschliche, tierische und pflanzliche Leben vor den schädlichen Sonnenstrahlen. Flüssige und feste fossile Brennstoffe enthalten von Natur aus Schwefel (S) als verunreinigenden Stoff. Bei der Verbrennung wird S zu SO_x, (SO₂, SO₃ und/oder SO₄) oxidiert. SO_x' ist für alles menschliche, tierische und pflanzliche Leben toxisch. Zuletzt reagieren CO_x, NO_x' und SO_x', mit Wasser in der Luft, und bilden dabei Säuren von CO_x' NO_x, und/oder SO_x, wodurch buchstäblich Säuren auf die Erde regnen. Zusammengefasst wirken sich CO_x' NO_x, SO_x, oder O₃ nachteilig auf die Gesundheit jedes menschlichen, tierischen und pflanzlichen Lebens aus. Eine umwelttechnisch akzeptable Alternative zu fossilen Brennstoffen wäre ein Brennstoff- bzw. Kraftstoffsystem, das im Einklang mit der Natur funktioniert. Bei einem solchen System würde sich weder CO_x noch NO_x noch SO_x bilden.
Es wurde auf dem Gebiet der Mechanik und der Chemie viel getan, um etwas gegen die Umweltprobleme zu unternehmen, die mit der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen verbunden sind. Zum Beispiel werden Industrieanlagen mit kostspieligen Reinigungssystemen ausgerüstet, sobald die Politik den Einbau fordert und/oder der Geschäftsbetrieb diesen Einbau trägt. Als weiteres Beispiel lässt sich die erhebliche Verbesserung bei Brennkraftmaschinen nennen, um den Motor beim Kraftstoffverbrauch sparsamer und umweltfreundlicher zu machen. Sogar mit diesen Verbesserungen beträgt der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine nur etwa 20 Prozent, und bei einem System mit Gasturbine/Dampfturbine beträgt er nur etwa 30 bis 40 Prozent. Wie in 2 dargestellt, liegen bei einer Brennkraftmaschine prozentual, bezogen auf den Brennwert der verfügbaren Energie, die folgenden Verluste vor: 1) etwa 35 Prozent im Abgas, 2) rund 35 Prozent für die Kühlung, 3) etwa 9 Prozent an Reibungsverlusten, und 4) nur etwa 1 Prozent, das auf schlechte Verbrennungsleistung zurückzuführen ist, wodurch der Motor nur einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent behält.
Brennstoffe bzw. Kraftstoffe aus Kohlenwasserstoffen wurden durch Zusätze modifiziert, um die Bildung von CO_x bzw. NO_x auf ein Mindestmaß zurückzuführen. Trotz aller Modifizierungen an Reinigungsanlagen, Motormodifizierungen und Modifizierungen bei Kraftstoff bzw. Brennstoff kämpft jedoch die Erde derzeit darum, mit den vom Menschen verursachten Schadstoffen fertig zu werden, die aus mit Kohlenwasserstoffen arbeitenden Verbrennungssystemen stammen. Zusätzlich zu den Umweltproblemen wurden die Verfügbarkeit und die Zuverlässigkeit großer Mengen an Kohlenwasserstoffen aus Erdöl zu geopolitischen Problemen.
Es gab in der Vergangenheit viele Versuche, eine Brennkraftmaschine herzustellen, die mit Luft und H₂ arbeiten könnte. Bei diesen Versuchens stieß man auf Schwierigkeiten: die hohe Verbrennungstemperatur, die erhöhte NO_x-Bildung bei höheren Verbrennungstemperaturen, die Lagerungskapazität für ausreichend große Mengen von H₂ und Betriebskosten. Die Verbrennung von O₂ und H₂ findet bei Temperaturen über 2000°F statt, was die herkömmlichen Werkstoffe für den Bau von Brennkraftmaschinen nutzlos macht. H₂ ist ein Gas unter atmosphärischem Druck. H₂ wird erst dann flüssig, wenn die Temperatur auf einen Punkt nahe –430°F abgesenkt wird; deshalb müssen Anlagen zur Lagerung von H₂ in der Lage sein, entweder hohem Druck oder Tieftemperaturen oder beidem zu widerstehen. Solche Lagerungseinrichtungen für große H₂-Mengen werden vom wirtschaftlichen Standpunkt aus unpraktikabel.
In der Vergangenheit und auch noch heute war bzw. ist man davon überzeugt, dass der Elektromotor die Lösung sei, um eine umweltfreundliche Energiequelle zu finden. Dieser Gedanke leidet jedoch insofern an Mängeln, als die zum Antreiben eines Elektromotors benötigte elektrische Energie erst erzeugt und dann gespeichert werden muss. Elektrische Energie wird mit folgenden Mitteln erzeugt: 1) Prozessen unter Verbrennung von Kohlenwasserstoffen/Dampferzeugung, 2) Prozessen zur Erzeugung unter Nutzung der Photovoltaik, 3) Energieerzeugung unter Nutzung der Wasserkraft als Antriebsmedium, 4) Energieerzeugung unter Nutzung der Windkraft durch Windmühlen, oder 5) Energieerzeugung aus Kernenergie/mit Dampfantrieb. Während der photoelektrische Prozess umweltfreundlich ist, ist er jedoch bei vielen Einsatzgebieten nicht zuverlässig oder wirksam genug, damit er die Brennkraftmaschine ersetzen kann. Auch wenn der Prozess mit Antrieb durch Wasserkraft (Wasserrad) umweltfreundlich ist, so stellt dieser Prozess unter Nutzung der Wasserkraft doch eine geographisch begrenzte Energiequelle dar. Der Prozess mit Nutzung der Windkraft durch Windmühlenantrieb ist zwar umweltfreundlich, aber der Wind stellt eine begrenzte und nicht zuverlässige Energiequelle dar. Ebenso ist die Energieerzeugung unter Nutzung der Atomkraft/mit Dampfantrieb zwar umweltfreundlich, doch bedingen Bedenken hinsichtlich der Sicherheit solcher Anlagen eine nur begrenzte Anwendung.
Die kommerzielle Nutzung des Elektroautos war bisher wegen der Kosten und der Speicherung der elektrischen Energie so massiv begrenzt, dass unter den allergünstigsten Umständen das Elektroauto entweder auf kurze Distanzen beschränkt bleiben oder zusätzlich mit einer Brennkraftmaschine ausgerüstet werden muss.
Versuche in der Vergangenheit und heute, eine Brennstoffzelle herzustellen, die mit H₂ und Luft sowie Kohlenwasserstoffen und Luft funktionieren könnte, zeigen recht vielversprechende Ergebnisse. Die Kapitalinvestitionen zur Erhöhung des Leistungsverhältnisses bei Brennstoffzellen beträgt 400 bis 500 Prozent der Investitionen, die für herkömmliche Verbrennungssysteme erforderlich sind. Außerdem vermittelt beim Transport die Brennstoffzelle nicht das gleiche ”Gefühl” wie die Brennkraftmaschine, was zu Problemen in der Akzeptanz von Brennstoffzellen führen kann. Versuche, die in der Vergangenheit unternommen wurden, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu ersetzen oder zu verringern, schlugen wegen der schlechten Akzeptanz auf dem Markt fehl. Autobegeisterte haben sich angewöhnt, das ”Gefühl” und die Leistung des Verbrennungsmotors zu genießen und auch zu erwarten.
Als Verweis auf ältere Arbeiten an der Entwicklung eines Verbrennungsmotors, der mit einem oder mehreren anderen Kraftstoffen als Kohlenwasserstoff(en) funktioniert, können die folgenden US-Patentschriften herangezogen werden: 3,884,262 ; 3,982,878 ; 4,167,919 ; 4,308,844 ; 4,599,865 ; 5,775,091 ; 5,293,857 ; 5,782,081 ; 5,775,091 und 6,290,184 . Während jede dieser Patentschriften Verbesserungen in der Verbrennungstechnik offenbart, lässt jede auch Fragen offen, die eine kommerzielle Nutzung eines solchen Verbrennungsmotors unpraktikabel macht.
Es gibt zwar viele Verfahren zur Gewinnung von O₂, doch wird die Aufspaltung von Luft in ihre gasförmigen Bestandteile im industriellen Maßstab nach drei Verfahren durchgeführt: Tieftemperatur-Destillation, Membrantrennung und PSA.
Es gibt viele Verfahren und Prozesse, die zur Tieftemperatur-Kühlung eingesetzt werden, die eine Komponente bei der Tieftemperatur-Destillation darstellt. Einen guten Nachweis für die auf dem Gebiet bekannten Verfahren und Prozessen zur Tieftemperatur-Kühlung wäre die ”Tieftemperatur-Technik”, geschrieben von Thomas M. Flynn und von Dekker gedruckt. Wie Flynn schreibt, handelt es sich bei der Tieftemperatur-Kühlung und der Verflüssigung um die gleichen Prozesse, mit dem Unterschied, dass bei der Verflüssigung ein Teil der gekühlten Flüssigkeit verbraucht wird, die dann wieder ersetzt werden muss, wobei die Kühlung der gesamten Flüssigkeit in einem wiederholten Kreislauf stattfindet. Dabei liegen allen Verfahren und Prozessen zur Kühlung und Verflüssigung die gleichen Kühlungsprinzipien zugrunde, wie dies in 1 dargestellt wird.
Wie Flynn schreibt, gibt es viele Möglichkeiten, die wenigen Komponenten der Arbeit (Verdichtung), der Wärmeabweisung, der Ausdehnung und der Aufnahme von Wärme zu kombinieren. Auf diesem Gebiet gibt es viele Verfahren und Prozesse zur Tieftemperatur-Kühlung, die alle an die Tieftemperatur-Verflüssigung angepasst werden können. Zu einer Aufzählung dieser Kühlungszyklen könnten folgende Prozesse gehören: Joule, Thompson, Stirling, Brayton, Claude, Linde, Hampson, Postle, Ericsson, Gifford-McMahon und Vuilleumier. Wie Flynn weiter schreibt: ”Es gibt viele Möglichkeiten, diese wenigen Komponenten zu kombinieren, da es Techniker und Ingenieure gibt, die sie kombinieren können.” (Dabei ist es wichtig zu beachten, wie auf diesem Gebiet bekannt ist, dass H₂ einen negativen Koeffizienten nach Joule-Thompson aufweist, bis Temperaturen von etwa 350 R erreicht werden.) Herkömmliche Prozesse zur Tieftemperatur-Luftdestillation, bei denen Luft in O₂, Ar und N₂ aufgespalten wird, bauen üblicherweise auf einem Zyklus mit zwei Drücken auf. Dabei wird Luft zunächst verdichtet und anschließend gekühlt. Die Kühlung kann nach einem der folgenden vier Verfahren erreicht werden: 1) Verdampfung einer Flüssigkeit, 2) mit dem Joule-Thompson-Effekt (der am besten dann funktioniert, wenn er mit dem Verfahren 3) verstärkt wird), 3) Wärmeaustausch im Gegenstrom mit zuvor gekühlten Strömen eines Erwärmungsprodukts oder mit extern gekühlten Strömen eines Erwärmungsprodukts, und 4) die Ausdehnung eines Gases in einem Motor, der externe Arbeit leistet. Die gekühlte und verdichtete Luft wird normalerweise in zwei Fraktionierzonen eingeleitet. Dabei ist die erste Fraktionierzone thermisch mit einer zweiten Fraktionierzone gekoppelt, die unter geringerem Druck steht. Die beiden Zonen sind thermisch in der Weise gekoppelt, dass ein Verflüssiger in der ersten Zone die zweite Zone erneut zum Sieden bringt. Die Luft erfährt in der ersten Zone eine teilweise Destillation und erzeugt dabei eine im Wesentlichen reine N₂-Fraktion und eine flüssige Fraktion, die mit O₂ angereichert ist. Der im Wesentlichen reine flüssige Stickstoff stellt ein Zwischenprodukt dar, das der zweiten Fraktionierzone zugeleitet wird. Dabei wird der im Wesentlichen reine flüssige Stickstoff aus der ersten Fraktionierzone als Rückfluss oben in der zweiten Fraktionierzone verwendet. In der zweiten Fraktionierzone wird die Aufspaltung abgeschlossen, wobei im Wesentlichen reines O₂ vom unteren Teil der Zone und im Wesentlichen reines N₂ vom oberen Teil gewonnen wird. Wenn bei dem herkömmlichen Verfahren Ar gebildet wird, dann wird eine dritte Fraktionierzone verwendet. Dieser Zone wird eine Dampffraktion zugeleitet, die mit Ar angereichert ist, das von einem dazwischen liegenden Punkt in der zweiten Fraktionierzone abgezogen wird. Der Druck in dieser dritten Zone liegt in der gleichen Größenordnung wie der Druck in der zweiten Zone. In der dritten Fraktionierzone wird das zugeleitete Material zu einem an Ar reichen Strom rektifiziert, der aus dem oberen Teil abgezogen wird, sowie zu einem Flüssigkeitsstrom, der aus dem unteren Teil der dritten Fraktionierzone abgezogen und in die zweite Fraktionierzone an einem dazwischen liegenden Punkt eingeleitet wird. Für den Rückfluss zur dritten Fraktionierzone sorgt ein Verflüssiger, der sich oben befindet. In diesem Verflüssiger wird mit Ar angereicherter Dampf durch Wärmeaustausch aus einem anderen Strom verflüssigt, der typischerweise die mit O₂ angereicherte Fraktion aus der ersten Fraktionierzone ist. Der mit O₂ angereicherte Strom tritt in teilweise dampfförmigem Zustand an einem in der Mitte liegenden Punkt über dem Punkt in die zweite Fraktionierzone ein, an dem der Zufluss zur dritten Fraktionierzone abgezogen wird.
Die Destillation von Luft, einem ternären Gemisch, zu N₂, O₂ und Ar kann man als zwei binäre Destillationsvorgänge sehen. Ein binärer Destillationsvorgang ist die Abspaltung von O₂ mit hohem Siedepunkt von Ar mit einem dazwischen liegenden Siedepunkt. Der andere binäre Destillationsvorgang ist die Abspaltung von Ar mit mittlerem Siedepunkt von N₂ mit niedrigem Siedepunkt. Unter diesen beiden binären Destillationsvorgängen ist der erstere schwieriger, da er einen stärkeren Rückfluss und/oder theoretische Niveaustufen als der letztere voraussetzt. Die Ar-O₂-Abspaltung ist die primäre Aufgabe der dritten Fraktionierzone und des unteren Abschnitts der zweiten Fraktionierzone unter dem Punkt, an dem die Einleitung in die dritte Zone abgezogen wird. Die N₂-Ar-Abspaltung ist in erster Linie die Aufgabe des oberen Abschnitts der zweiten Fraktionierzone über dem Punkt, an dem die Einleitung in die dritte Fraktionierzone abgezogen wird.
Die leichte Durchführbarkeit der Destillation ist auch eine Funktion des Drucks. Bei höherem Druck werden beide binären Abspaltungsvorgänge schwieriger. Dieser Umstand setzt zwingend voraus, dass bei der herkömmlichen Anordnung der optimale Betriebsdruck in der zweiten und dritten Fraktionierzone bei dem kleinstmöglichen Druck einer Atmosphäre oder in dessen Nähe liegt. Bei der herkömmlichen Anordnung nehmen die aufgefangenen Produkte im Wesentlichen in dem Maß ab, in dem der Betriebsdruck über eine Atmosphäre hinaus ansteigt, was hauptsächlich auf die zunehmende Schwierigkeit bei der Ar-O₂-Abspaltung zurückzuführen ist. Es gibt jedoch auch andere Überlegungen, die eine Verarbeitung bei erhöhtem Druck attraktiv machen. Es ist möglich, wegen der erhöhten Dampfdichte die Durchmesser der Destillationssäulen und die Querschnittsflächen der Wärmetauscher zu verkleinern. Produkte mit erhöhtem Druck können beträchtliche Einsparungen in den Kapitalkosten für die Verdichtungsanlagen mit sich bringen. In einigen Fällen ist die Einbeziehung des Prozesses zur Luftaufspaltung in eine Gasturbine zur Energieerzeugung erwünscht. In diesen Fällen wird der Betrieb bei erhöhtem Druck bei dem Prozess zur Luftaufspaltung erforderlich. Die der ersten Fraktionierzone zugeführte Luft steht unter einem erhöhten Druck von etwa 10 bis 20 Atmosphären absolut. Dies führt dazu, dass der Betriebsdruck in der zweiten und dritten Fraktionierzone etwa 3 bis 5 Atmosphären absolut beträgt. Der Betrieb der herkömmlichen Anordnung bei diesen Drücken führt wegen der vorstehend beschriebenen Auswirkung des Drucks auf die einfache Durchführung der Aufspaltung zu einer sehr dürftigen Produktausbeute.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff ”indirekter Wärmetausch” den Zustand, in dem zwei Strömungsmittelströme ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder jede Vermischung der Strömungsmittel mit einander in eine Wärmetausch-Beziehung gebracht werden; unter dem Begriff ”Luft” ist hier ein Gemisch zu verstehen, das in erster Linie, O₂ und Ar enthält; die Begriffe ”oberer Abschnitt” und ”unterer Abschnitt” bezeichnen jene Abschnitte einer Säule, die jeweils über und unter dem Mittelpunkt der Säule liegen; mit dem Begriff ”Niveaustufe” wird eine Kontaktstufe bezeichnet, die nicht unbedingt eine Gleichgewichtsstufe ist, und er kann sich auch auf andere Kontaktvorrichtungen wie zum Beispiel eine Packung beziehen, deren Trennfähigkeit äquivalent zu einer Kontaktstufe ist; der Begriff ”Gleichgewichtsstufe” bezieht sich auf eine Stufe, in der ein Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit stattfindet, wodurch sich der Dampf und die Flüssigkeit, welche aus der Stufe austreten, in einem Massenübertragungs-Gleichgewicht befinden, z. B. eine Stufe mit 100 Prozent Wirkungsgrad oder eine Packungselement-Höhe, die äquivalent zu einer theoretischen Platte (HETP) ist; mit dem Begriff ”oberer Verflüssiger” wird eine Wärmetauschvorrichtung bezeichnet, die aus dem Dampf oben in der Säule eine in der Säule nach unten fließende Flüssigkeit erzeugt; mit dem Begriff ”unterer Sieder” wird eine Wärmetauschvorrichtung bezeichnet, die aus einer unten in der Säule stehenden Flüssigkeit einen in der Säule nach oben strömenden Dampf erzeugt. (Ein unterer Sieder kann sich physikalisch innerhalb oder außerhalb einer Säule befinden. Wenn der untere Sieder sich innerhalb einer Säule befindet, dann umfasst der untere Sieder den Abschnitt der Säule, der sich unterhalb der untersten Niveaustufe bzw. Gleichgewichtsstufe der Säule befindet.) Auch wenn es in der chemischen Industrie allgemein bekannt ist, dass die Tieftemperatur-Destillation von Luft zu O₂ und N₂ den wirtschaftlichsten Weg zur Gewinnung dieser zweiatomigen Gase in Elementform handelt, wurde bisher die Anwendung dieses industriellen Prozesses auf einen dieser Vorgänge angeregt: Destillation von H₂ zusammen mit O₂ und N₂, Unterhalten der Verbrennung von O₂ mit H_2' oder Einsatz der Energie aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ zum Betreiben der Tieftemperatur-Destillation von Luft. Zu älteren Arbeiten, die zur Aufspaltung von Luft in ihre Bestandteile angefertigt wurden, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 4,112,875 ; 5,245,832 ; 5,976,273 ; 6,048,509 ; 6,298,668 und 6,333,445 .
Ebenso ist es in vielen Industriezweigen bekannt, Luft mit Hilfe von Membranen aufzuspalten. Dazu sind auf diesem Gebiet zwei allgemeine Membranarten bekannt, nämlich organische Polymermembranen und anorganische Membranen. Diese Prozesse mit Membran-Aufspaltung werden dadurch verbessert, dass über eine Membran, die so konzipiert ist, dass sie elektrisch leitfähig ist, ein elektrisches Potential angelegt wird. Auch wenn viele dieser Prozesse allgemein bekannt und erprobt sind, wurde bisher nicht vorgeschlagen, einen dieser Prozesse heranzuziehen, um die Verbrennung von O₂ mit H₂ zu unterhalten oder um die Energie aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ zu nutzen, um die Aufspaltung von Luft zu betreiben. Zu älteren Arbeiten, die zur Aufspaltung von Luft in ihre Bestandteile mit Hilfe von Membranen durchgeführt wurden, kann auffolgende US-Patentschriften verwiesen werden: 5,599,383 ; 5,820,654 ; 6,277,483 ; 6,289,884 ; 6,298,664 ; 6,315,814 ; 6,321,915 ; 6,325,218 ; 6,340,381 ; 6,357,601 ; 6,360,524 ; 6,361,582 ; 6,361,583 und 6,372,020 .
Ebenso ist es bekannt, Luft mit PSA in O₂ und N₂ aufzuspalten. Allerdings wurde weder die Anwendung des PSA-Verfahrens auf die Unterhaltung der Verbrennung von O₂ mit H₂ noch die Verwendung der Energie aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ zum Betreiben der PSA-Aufspaltung von Luft vorgeschlagen. Zu älteren Arbeiten, die zur Aufspaltung von Luft in ihre Bestandteile mittels des PSA-Verfahren angefertigt wurden, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 3,140,931 ; 3,140,932 ; 3,140,933 ; 3,313,091 ; 4,481,018 ; 4,557,736 ; 4,859,217 ; 5,464,467 ; 6,183,709 und 6,284,201 .
Die vorliegende Erfindung sieht H₂O als Brennstoff sowie als Verbrennungsprodukt vor. Diese Erfindung erbringt neue Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtung für die Wiederverwendung von Energie, um den Wirkungsgrad bei der Verbrennung unter Einsatz von Wasser als Verbrennungsprodukt, eine Energieführung und ein Energiespeichermedium zu verbessern. Die inhärenten Energieverluste, die bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen auftreten, lassen sich nicht wieder ausgleichen; Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff gibt es kein praktisches Verfahren zur Wiedergewinnung von verlorener Energie aus dem Abgas, von Wärmeenergie oder mechanischer Energie.
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf chemische Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtung zur Gewinnung von H₂ aus Dampf, da Dampf der physikalische Zustand des bei dem WCT-Verfahren entstehenden Produktes Wasser ist. Ältere Arbeiten auf diesem Gebiet konzentrierten sich auf die Verarbeitung von Abgasen aus Elektrizitätswerken; doch befasst sich keine dieser Arbeiten mit der Aufspaltung von H₂O zurück in H₂. Zu älteren Arbeiten, die zur Verwendung von Produkten aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen aus einer Brennkraftmaschine durchgeführt wurden, gehen zwar in die Richtung, Korrosion zu verhindern, statt die Korrosion anzuregen, doch kann hierzu auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 6,315,876 ; 6,320,395 ; 6,331,243 ; 6,346,188 ; 6,348,143 und 6,358,397 .
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf elektrolytische Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur chemischen Umsetzung von H₂O in O₂ und H₂. Auch wenn in der Technik der Elektrolyse Verbesserungen entwickelt wurden und es viele Ansätze gab, die Elektrolyse in eine Brennkraftmaschine einzubeziehen, bei welchen der aus Kohlenwasserstoffen bestehende Kraftstoff durch H₂ ergänzt wird, das durch Elektrolyse gewonnen wurde, gibt es bisher keine Arbeiten zur Elektrolyse, um eine Brennkraftmaschine zu betreiben, bei der die Elektrolyse eine wichtige O₂- und H₂-Quelle darstellt. Zu älteren Arbeiten, die sich auf die Elektrolyse bei Verbrennungssystemen beziehen, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 6,336,430 ; 6,338,786 ; 6,361,893 ; 6,365,026 ; 6,635,032 und 4,003,035 .
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf die Gewinnung von elektrischer Energie. Die mechanische Energie für eine mechanisch angetriebene Vorrichtung zur Stromerzeugung, bei der es sich um einen Generator handeln kann, wird aus dem bzw. den Brennstoff(en) beim WCT-Verfahren gewonnen. Des Weiteren kann die Energie, die im Abgas des WCT-Motors enthalten ist, eine Dampfturbine antreiben, und dadurch einen Generator betreiben, welcher elektrischen Strom erzeugt. Außerdem verringert das Abgas H₂O die umwelttechnischen Anlagen. Das entdeckte WCT-Verfahren sieht eine Verbrennungsturbine vor, bei welcher das Abgas zumindest in erster Linie, wenn nicht sogar zur Gänze, H₂O ist. Es wurden zwar viele Arbeiten zur Konstruktion von Dampfturbinen angefertigt, doch wird in allen Fällen der Dampf für die Dampfturbine durch Wärmeübertragung erzeugt, wobei die Wärme für die Wärmeübertragung durch Kernspaltung oder durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Der Gedanke, eine Dampfturbine direkt im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einzusetzen, oder Energie innerhalb einer Brennkraftmaschine zurückzuführen, insbesondere zu dem Zweck, Strom für die elektrolytische Umsetzung von H₂O in O₂ und H₂ zu gewinnen, ist neu und neuartig. Zu älteren Arbeiten, die zur Technologie von Stromerzeugung mit Dampfturbine oder zur Technik der Turbine im Motorabgas angefertigt wurden, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 6,100,600 ; 6,305,901 ; 6,332,754 ; 6,341,941 ; 6,345,952 ; 4,003,035 ; 6,298,651 ; 6,354,798 ; 6,357,235 ; 6,358,004 und 6,363,710 .
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf die jeweilige Technologie von Turbinen, die mit Luft und Wasserkraft angetrieben werden, um Strom zu erzeugen. Die Technologie der Stromerzeugung mit einer mit Luft oder Wasser betriebenen Turbine könnte unter Heranziehung der entdeckten WCT-Technik bei einem oder mehreren Verbrennungssystemen) eingesetzt werden, bei welchen eine zuverlässige Quelle für die Bewegung von Luft und/oder Wasser vorgesehen ist. Während eine Quelle für sich bewegende Luft oder eine Quelle für sich bewegendes Wasser ein hervorragender Lieferant für die Erzeugung von elektrischem Strom sein kann, um die Elektrolyse von H₂O zu unterhalten, ist der Gedanke, entweder mit der Elektrolyse zu arbeiten, um das entdeckte WCT-Verfahren zu unterhalten, oder eine Windmühle oder ein Wasserrad zur Energieversorgung der Elektrolyse, um so das entdeckte WCT-Verfahren zu betreiben, neu. Zu älteren Arbeiten, die sich mit der Technologie von windbetriebenen Generatoren befassen, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 3,995,972 ; 4,024,409 ; 5,709,419 ; 6,132,172 ; 6,153,944 ; 6,224,338 ; 6,232,673 ; 6,239,506 ; 6,247,897 ; 6,270,308 ; 6,273,680 ; 293,835 ; 294,844 ; 6,302,652 ; 6,323,572 und 6,635,981 .
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen der Photovoltaik zur Erzeugung von Strom, bei welchen der elektrische Strom dazu eingesetzt wird, zumindest H₂ oder O₂ zu gewinnen, wobei H₂ und/oder O₂ als Brennstoff bei dem WCT-Verfahren eingesetzt wird. Es stehen viele Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für die Stromerzeugung mit Photovoltaik zur Verfügung, wie auf diesem Gebiet bekannt ist. Es gibt viele Verfahren, Systeme und Prozesse, bei denen eine photoelektrische Zelle dazu verwendet wird, elektrischen Strom für die elektrolytische Aufspaltung von H₂O in H₂ und O₂ zu erzeugen, wobei H₂ in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommt. Zu älteren Arbeiten, die sich mit photoelektrischen Zellen im Zusammenhang mit der Gewinnung von H₂ befassen, kann auf folgende US-Patentschriften verwiesen werden: 5,797,997 ; 5,900,330 ; 5,986,206 ; 6,075,203 ; 6,128,903 ; 6,166,397 ; 6,172,296 ; 6,211,643 ; 6,214,636 ; 6,279,321 ; 6,372,978 ; 6,459,231 ; 6,471,834 ; 6,489,553 ; 6,503,648 ; 6,508,929 ; 6,515,219 und 6,515,283 . In keiner der vorstehend aufgeführten Arbeiten wird der Einsatz einer photoelektrischen Zelle in Verbindung mit dem WCT-Verfahren beschrieben oder auch nur angeregt.
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf Verfahren zum Steuern der Korrosion, der Bildung von Kesselstein und der Bildung von Ablagerungen bei Einsatzgebieten mit Wasser.
In der US-Patentschrift Nr. 4,208,398 von Li et al. vom 24. Juni 1980 wird ein Verfahren zur Behandlung von Wasser beschrieben, um die Bildung von Kesselstein und Ablagerungen auf Oberflächen auf ein Mindestmaß zu reduzieren, die mit Wasser in Berührung kommen, und um die Korrosion der Oberflächen zu minimieren. Dieses Verfahren umfasst die Vermischung von Wasser mit einer wirksamen Menge von wasserlöslichem Polymermaterial, das eine Struktureinheit enthält, die sich aus einem Monomer ableitet, das eine bezüglich Ethylen ungesättigte Bindung besitzt und ein oder mehrere Carbonsäure-Radikale aufweist, wobei zumindest ein Teil der Carbonsäure-Radikale modifiziert ist, sowie eine oder mehrere Verbindungen zur Verhinderung der Korrosion, die aus der Gruppe gewählt werden, die anorganische Phosphorsäuren und deren wasserlösliche Salze, Phosphonsäuren und deren wasserlösliche Salze, organische Phosphorsäuren und deren wasserlösliche Salze, organische Phosphorsäureester und deren wasserlösliche Salze sowie Salze mehrwertiger Metalle umfasst, die in der Lage sind, zu polyvalenten Metallionen in Wasser dissoziiert zu werden. In dem Patent von Li werden Systeme zur Elektrolyse oder Verbrennung weder angesprochen noch offenbart.
In der US-Patentschrift Nr. 4,442,009 von O'Leary et al. vom 10. April 1984 wird ein Verfahren zum Steuern des Kesselsteins beschrieben, der sich aus wasserlöslichen Kalzium-, Magnesium- und Eisenverunreinigungen gebildet hat, die in dem Kesselwasser enthalten sind. Das Verfahren umfasst den Zusatz einer chelatbildenden Substanz und von deren wasserlöslichen Salzen, eines wasserlöslichen Phosphatsalzes und einer wasserlöslichen Polymethacryl-Säure oder deren wasserlöslichen Salzen zu Wasser. Das Patent von O'Leary geht nicht auf Systeme zur Elektrolyse oder Verbrennung ein und offenbart diese auch nicht.
In der US-Patentschrift 4,631,131 von Cuisia et al. vom 23. Dezember 1986 wird ein Verfahren zur Verhinderung der Kesselsteinbildung in einer Kesselanlage zur Erzeugung von Wasserdampf beschrieben. Dieses Verfahren umfasst eine chemische Behandlung, die im Wesentlichen darin besteht, dem Wasser in der Kesselanlage eine Zusammensetzung in Mengen zuzusetzen, die eine Kesselsteinbildung unterbinden, wobei die Zusammensetzung ein Kopolymer aus Maleinsäure und Alkylsulfonsäure oder eines von deren wasserlöslichen Salzen, Hydroxyl-Ethylidene-1,1-Diphosphinsäure oder ein wasserlösliches Salz derselben und ein wasserlösliches Natrium-Phosphat-Härteausfällmittel enthält. Das Patent von Cuisia befasst sich weder mit Systemen zur Elektrolyse oder Verbrennung, noch beschreibt es solche Systeme.
Die US-Patentschrift N. 4,640,793 von Persinski et al. vom 3. Februar 1987 beschreibt ein Zusatzmittel und dessen Verwendung zur Verhinderung der Kesselsteinbildung und der Korrosion in Wasseranlagen, weiches folgendes enthält: a) ein wasserlösliches Polymer mit einem Molekulargewicht von unter 25.000 im Gewichtsmittel, das eine ungesättigte Carbonsäure und eine ungesättigte Sulfonsäure oder deren Salze enthält, und zwar im Verhältnis von 1:20 bis 20:1; und b) mindestens eine Verbindung, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus wasserlöslichen Polycarboxylaten, Phosphonaten, Phosphaten, Polyphosphaten, Metallsalzen und -Sulfonaten besteht. Das Patent von Persinski beschreibt chemische Verbindungen, welche Kesselsteinbildung und Korrosion verhindern; allerdings geht das Persinski-Patent nicht auf die Elektrolyse oder Verbrennung ein.
In der US 4 841 731 ist eine Vorrichtung zur Energieerzeugung offenbart, die eine Einrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie aufweist. Dabei wird die erzeugte elektrische Energie zur elektrischen Spaltung von Wasser in dessen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff genutzt. Die aufgespaltenen Bestandteile fungieren als Brennstoffgemisch für die Verbrennung in einer Brennkammer. Bei der Verbrennung entsteht wiederum Wasser als Verbrennungsprodukt, wobei ein Teil des Wassers in die Brennkammer zur Steuerung der Verbrennungstemperatur hineingeleitet wird.
In der US 6 286 315 ist ein Verbrennungssystem zur Erzeugung von Energie in einer geschlossenen oder halb geschlossenen Umgebung beschrieben, wobei das erste Arebeitsgas, Kohlendioxid, aus ein Motorabgas entnommen und wiederverwertet oder in nachgeordneten Verbrennungskreisläufen erneut genutzt wird. Dabei wird der Verbrennung Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasser und eine Treibstoff (CH_x) zugeführt. Als Verbrennungsprodukt entstehen CO₂ und H₂O.
Aufgabenstellung
Der Erfindung lieget die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungssystem, einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Verbrennung zu schaffen, die umweltfreundlich, wirksam, leistungsfähig und wirtschaftlich sind und die die Bildung von Kohlenstoffoxiden verhindern und die Bildung von Stickstoffoxiden auf ein Mindestmaß verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbrennungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 sowie durch ein Verfahren zur Verbrennung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems, des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbrennung sind Gegenstand der Patentansprüche 1 bis 28.
Vorzugsweise sind das Verbrennungssystem, der Verbrennungsmotor sowie die bei dem Verfahren verwendete Verbrennungsvorrichtung isoliert.
Ein umweltfreundliches Verfahren zur Energieerzeugung, das gegenüber der Verbrennung fossiler Brennstoffe verbessert ist, wäre ein Prozess, bei dem kein Produkt gebildet wird, das die Erde von Natur aus entfernen oder umwandeln müsste. Diese Erfindung, das WCT-Verfahren, liefert ein Produkt, das diese Aufgabe erfüllen könnte, nämlich H₂O. Dabei wird Wasser durch die Verbrennung von O₂ und H₂ gebildet. Weitere bekannte Verfahren zur Gewinnung von O₂ sind die Verflüssigung (Tieftemperatur-Destillation) von Luft, die Aufspaltung von Luft mit Membranen, das so genannte PSA-Verfahren (Pressure Swing Adsorption) mit Luft und die Elektrolyse von H₂O. Alle diese Prozesse sind umweltfreundlich. Außerdem handelt es sich bei H₂ um das im Universum am häufigsten vorkommende Element, das in nahezu allen Verbindungen und Zusammensetzungen vorhanden ist. Wenn unsere Alkohol-, Öl-, Kohle- und Gas-Raffinerien auf die Gewinnung von H₂ umgestellt werden, dann würde dies die wirtschaftliche Expansion stimulieren und dabei die Verantwortlichkeit für die Luftverschmutzung in das Raffinerie-Umfeld konzentrieren, wo mit dieser Verantwortung umgegangen werden kann.
Die entwickelten WCT-Verfahren gehen mit der Energie viel effizienter um als der herkömmliche Verbrennungsmotor, da der traditionelle Verbrennungsmotor sich auf Einsatzgebiete im Transportwesen, in der Stromerzeugung und bei der Wärmeerzeugung bezieht. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine der Fall. Die Brennkraftmaschine sowie alle Verbrennungsmotoren ganz allgemein büßen etwa 60 bis 85 Prozent ihrer Verbrennungsenergie in Wärmeverlusten aus dem Motor, in den Abgasen des Motors und in unverbrauchter mechanischer Energie ein. Die vorliegende Erfindung fängt beträchtliche Anteile der Energieverluste durch Umsetzung verlorener Energie in elektrische Energie wieder ein, die dann in potentielle chemische Energie umgewandelt wird.
Die entdeckten WCT-Verfahren setzen die Energie aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ als Energiequelle für Verbrennungsverfahren, -Prozesse, -Systeme und -Vorrichtungen zur Erzeugung von Energie ein. Das Verbrennungsprodukt von O₂ und H₂ ist H₂O. Diese Verbrennungsreaktion ist in gewisser Weise ähnlich der Reaktion bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen; jedoch wird Kohlenstoff aus der Reaktion entfernt und wird N₂ teilweise oder vollständig aus der Reaktion entfernt. Zusammengefasst werden mit dem WCT-Verfahren die Umweltprobleme beseitigt, die mit der Verbrennung von C, N und/oder S verbunden sind. 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 137 kcal.
Bei 68,5 kcal/Mol besitzt H₂ einen Energiewert von 34 kcal pro englischem Pfund; dies schneidet bei einem Vergleich mit n-Oktan, nämlich 1.300 kcal/Mol = 11 kcal pro englischem Pfund, und mit Methan, nämlich 213 kcal/Mol = 13 kcal pro englischem Pfund, sehr günstig ab.
Während H₂O ein umweltfreundliches Verbrennungsprodukt ist, ist die Verbrennungstemperatur von O₂ mit H₂ für die meisten Werkstoffe eines Verbrennungssystems zu hoch. Außerdem würde insbesondere im Falle der Brennkraftmaschine die Realisierung irgendeines neuen Verbrennungssystems durch Verwendung herkömmlicher Werkstoffe bei ihrem Bau deutlich vereinfacht, wodurch die Kosten des Maschinenbaus auf ein Mindestmaß reduziert werden. Bei dieser Erfindung wird H₂O als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eingesetzt, um die Temperatur der Verbrennung von O₂ mit H₂ zu steuern. Das H₂O kann in einer von den drei Formen fest (Eispartikel), flüssig (Wasserdunst) und gasförmig (Dampf) vorliegen. Liegt H₂O in fester Form vor, so wird die Verbrennungstemperatur durch die Wärmekapazität von festem H₂O, durch die Sublimationsenergie von H₂O, die Wärmekapazität von H₂O-Dunst, die latente Wärme bei der Verdunstung von H₂O und die Wärmekapazität von Dampf gesteuert. Wenn H₂O in gasförmiger Form vorliegt, wird die Temperatur durch die Wärmekapazität des Dampfes gesteuert.
Während herkömmlicherweise Luft als Oxidationsmittel bei der Verbrennung eingesetzt wurde (O₂ in der Luft), verbessert die Verbrennung von O₂ mit H_2' ohne Einbeziehung von N₂ und/oder Ar oder nur mit Einbeziehung einer minimalen Menge von N₂ und/oder Ar aus der Luft, die Energieabgabe aus dem Verbrennungsvorgang um mehr als 300 Prozent. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung lässt sich leicht an einem Vergleich ablesen, der zwischen einem Verbrennungssystem, bei dem Luft als Oxidationsmittel verwendet wird und die Luft etwa nur 20 Prozent O₂ und 78 Prozent N₂ enthält, und einem Verbrennungssystem, bei dem hochreines O₂ als Oxidationsmittel eingesetzt wird, vorgenommen wird Stickstoff senkt die Verbrennungstemperatur, während es endothermisch NO_x bildet, wodurch die Umwelt belastet wird, während die Leistungsfähigkeit des Motors abnimmt. Da Luft zu etwa 78 Prozent aus N₂ besteht, liefern nahezu 78 Prozent des Verbrennungsgemisches in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor während der Verbrennung keine Energie, und damit wird die Energieabgabe aus dem Verbrennungsvorgang in der Realität verringert. Während das N₂ in der Luft die Verbrennungstemperatur niedrig halten kann, wodurch sich Abgastemperaturen ergeben, die in etwa nahe bei 1000°F oder darunter liegen, so dass die Verbrennungstemperatur für traditionelle Werkstoffe im Maschinenbau nicht schädlich ist, nähert sich der Zusatz von H₂O zu einem Brennstoffgemisch aus O₂/H₂ an eine isothermische Verbrennung an, bei der Dampf erzeugt wird, während die Verbrennungstemperatur heruntergekühlt wird, wodurch die Wärmeenergie aus der Verbrennung in eine Energieform umgewandelt wird, die sich leicht in den Prozess zurückführen lässt. Die Einbeziehung von N₂ sorgt nicht für die Fähigkeit zur Energierückführung. Das gleiche gilt für Ar.
Wie auf dem Gebiet der Verbrennungswissenschaft leicht verständlich ist, sind drei Komponenten erforderlich, damit die Verbrennung einsetzen kann: Brennstoff, Wärme und Zündung. Nimmt man an, dass eine konstante Brennstoffquelle (H₂ und O₂) und Zündung gegeben sind, stellt der Zusatz von H₂O zu dem Verbrennungsgemisch ein Verfahren und einen Prozess dazu dar, die Verbrennungstemperatur zu begrenzen und die Kosten für die Werkstoffe für den Bau des Verbrennungsmotors auf ein Mindestmaß zu senken, und auch dazu, eine Verbrennungstemperatur hoch genug zu halten, damit der Verbrennungsvorgang einsetzen kann. Der Zusatz von H₂O in die Brennkammer kann so gehandhabt werden, dass der Verbrennungsvorgang aufrechterhalten wird und dass die Verbrennungstemperatur gesteuert wird. Durch Veränderungen an der Maschinenkonfiguration, an den Brennkammer-Auslegungen und bei den Konstruktions-Werkstoffen werden die Grenzen für den H₂O-Zusatz zur Brennkammer innerhalb der Grenzen der Verbrennungstemperatur festgelegt.
Das entwickelte WCT-Verfahren stellt H₂O mindestens in einer der folgenden Funktionen vor: als Energiespeichermedium, als Verbrennungsprodukt, als Kühlmittel und als Energieübertragungsleitung und/oder als jedwede Kombination aus diesen. Die Bedeutung dieses Aspekts der Erfindung lässt sich anhand von Grundsätzen der Thermodynamik abschätzen. Nach dem ersten Lehrsatz der Thermodynamik kommt Wärme, die dem System zugeführt wird, plus Arbeit, die mit dem System geleistet wurde, Veränderungen in der internen Energie plus Veränderungen in der potentiellen und kinetischen Energie gleich. Die Rückführung ansonsten verloren gegangener Energie gemäß dieser Erfindung erhöht sowohl die interne als auch die potentielle Energie, wodurch sich die Leistungsfähigkeit der Verbrennungssysteme erhöht. Nach dem zweiten Lehrsatz der Thermodynamik sind Veränderungen in der internen Energie gleich Veränderungen in der Entropie (bei einer speziellen Temperatur), abzüglich der von dem System geleisteten Arbeit. Da die Erfindung Veränderungen in der Entropie erheblich vermindert, indem ansonsten verlorene Energie zurückgeführt wird, während ansonsten verlorene Enthalpie in rückgeführte Enthalpie/Entropie konzentriert wird, steigert die Erfindung die interne Energie erheblich, wodurch die Leistungsfähigkeit deutlich erhöht wird. Das WCT-Verfahren setzt den ersten und zweiten Lehrsatz der Thermodynamik als wertvolles Element. Im Unterschied hierzu stellen der erste und der zweite Lehrsatz der Thermodynamik bei der Technologie der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen eine Verpflichtung. Des Weiteren nähert sich der Einsatz von H₂O in der Brennkammer theoretisch an die isothermische Verbrennung an.
Die Erfindung setzt elektrochemische Wege zur Umwandlung von H₂O in O₂ und H₂ ein, bei denen die elektrische Energie für diese Umwandlungswege aus mindestens einem der folgenden Faktoren erhalten wird: Motorkühlung, Abgasenergie, aus dem Verbrennungsvorgang abgegebene mechanische Energie, photoelektrische Energie und Bewegungsenergie von Luft oder Wasser. Da die Effizienz der meisten Verbrennungsmotoren (insbesondere einer Brennkraftmaschine) nur etwa 20 Prozent beträgt, kann das entwickelte WCT-Verfahren die Effizienz des Verbrennungsvorgangs deutlich steigern. Wird angenommen, dass der zur Verfügung stehende H₂-Brennstoff eine Umsetzungs-Effizienz besitzt, die nahe bei der Effizienz seiner Kohlenwasserstoff-Vorgänger liegt, wodurch ein Quellenwert von 100 Prozent bei frischem H₂ gegeben ist, und dass die Aufspaltung der Luft in O₂, N₂ und Ar mit einer Effizienz von nahezu 20 Prozent funktioniert, besitzen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen gemäß dieser Erfindung die Fähigkeit, die Leistungsfähigkeit eines Verbrennungsmotors auf nahezu 40 bis 70 Prozent zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit einer Brennkraftmaschine auf nahe etwa 50 Prozent zu steigern. In der Theorie ist es möglich, dass sich je nach der Leistungsfähigkeit bei der Aufspaltung von Luft in O₂, N₂ und Ar die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsvorgangs nah weiter steigern lässt. Mit dieser Erfindung wurde entdeckt, dass die theoretische Grenze der Leistungsfähigkeit bei dem entdeckten WCT-Verfahren in etwa auf die Effizienzgrenze bei der Umwandlung von Dampf, mechanischer Energie, photoelektrische Energie, Windenergie und Energie eines Wasserrades in elektrischen Strom beschränkt ist, in Verbindung mit der Effizienzgrenze bei der Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂, abzüglich von Reibungsverlusten. Diese theoretische Grenze gibt an, dass die theoretische Grenze des Wirkungsgrads bei den Verfahren, Prozessen, Systemen und Vorrichtungen zur Verbrennung gemäß dieser Erfindung nahe bei etwa 70 bis 80 Prozent liegt. (Es liegt ein interessanter Fall vor, bei dem die Maschine nicht läuft und eine photoelektrische Zelle die interne Energie erhöht, indem sie Brennstoff aus Wasser gewinnt. Bei einem solchen Szenarium erhöht die Maschine tatsächlich ihren Brennstoffvorrat, ohne dass hierzu irgendein Brennstoff oder Kraftstoff verbraucht wird, bei dem die Effizienz unendlich ist).
Das entwickelte WCT-Verfahren stellt Verfahrensweisen, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Abspaltung von O₂ und N₂ aus Luft in Verbindung mit der Verbrennung von O₂ mit H₂ vor. Es stehen drei Verfahren zur Abspaltung zur Verfügung. Nach dem ersten Verfahren wird Luft unter Einsatz des Tieftemperatur-Destillationsprozesses aufgespalten, der dazu herangezogen wird, die Luft unter Druck zu setzen, abzukühlen und zu destillieren, wodurch Luft in O₂ und N₂ aufgespalten wird. Nach dem zweiten Verfahren wird Luft unter Verwendung von Membranen aufgespalten; die Membranen können dabei entweder aus organischem Polymermaterial aufgebaut sein oder aus anorganischem Material. Nach dem dritten Verfahren wird Luft unter Heranziehung der PSA-Technik (Pressure Swing Adsorption) aufgespalten. Beim Einsatz der PSA-Technik wird vorzugsweise O₂ adsorbiert; jedoch ist die Absorption von N₂ praktisch. Der abgespaltene O₂, das bei mindestens einem dieser Verfahren verwendet wird, wird vorzugsweise als Brennstoff bei den Verbrennungssystemen eingesetzt.
Tieftemperatur-Destillation
In der chemischen Industrie stellt die Tieftemperatur-Destillation von Luft zu O₂ und N₂ einen üblichen Weg zur Gewinnung dieser zweiatomigen Gase in Elementform dar. Es wurde bisher noch nicht vorgeschlagen und es ist völlig neu, diesen Prozess heranzuziehen, und zwar in Verbindung mit der H₂-Destillation die Verbrennung von O₂ mit H₂ aufrechtzuerhalten und/oder die Energie aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ zum Betreiben der Tieftemperatur-Destillation von Luft einzusetzen. Außerdem werden bei nahezu allen industriellen Prozessen zur Aufspaltung von Luft in O₂ und N₂N₂ oder N₂ und Ar als Industrieprodukte eingesetzt. Im Falle des entdeckten WCT-Verfahrens würde die primäre Verwendung von destilliertem N₂ und/oder Ar eine Wärmesenke darstellen. Diese Wärmesenke wird vorzugsweise dazu eingesetzt, mindestens einen der folgenden Prozesse durchzuführen: das gelagerte O₂ bzw. H₂ abkühlen, die Tieftemperatur-Destillation vereinfachen, den Verbrennungsmotor kühlen und/oder für Kühlung und/oder Kühlung der Umwelt zu sorgen. Im Falle einer Brennkraftmaschine wird diese Wärmesenke vorzugsweise anstelle des Wasserkühlungssystems mit Kühlmittel für den Motor (im typischen Fall ein gebläsegekühlter Kühler) und/oder anstelle des Verdichters für die Fahrgastraumkühlung (Klimaanlage) eingesetzt. Mit dieser Erfindung wird außerdem vorgeschlagen, dass die Destillation von Ar unerheblich ist, ausgenommen zur Verbesserung der Verbrennungsleistung; die zusätzliche Fraktionierungssäule zur Abspaltung von Ar sollte man auf der Grundlage einer Analyse des investierten Kapitals gegenüber der dadurch gewonnenen Leistungssteigerung betrachten.
Membran-Abspaltung
Die Membran-Abspaltung ist viel einfacher als die Tieftemperatur-Destillation; allerdings steht Stickstoff nicht als Wärmesenke zur Verfügung. Durch den Einsatz des Prozesses zur Abspaltung mittels Membranen müssen separate Kühlsysteme potentiell für den Motor und für die Fahrgastraumkühlung oder die Umgebungskühlung zur Verfügung stehen.
PSA
Die PSA-Abspaltung ist einfacher als die Tieftemperatur-Prozesse und dennoch komplizierter als die Membran-Abspaltung. Die PSA-Technik ist mit dem gleichen Nachteil wie die Membran-Abspaltung behaftet; N₂ stünde dabei als Wärmesenke nicht zur Verfügung. Wird ein PSA-Abspaltungsprozess herangezogen, müssen separate Kühlanlagen potentiell für den Motor und für die Fahrgastraumkühlung oder die Umgebungskühlung zur Verfügung stehen.
Die entwickelten WCT-Verfahren beziehen sich auf chemische Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Gewinnung von H₂ aus Dampf, da Dampf der physikalische Zustand des Wassers ist, das aus dem Verbrennungsvorgang abgegeben wird. Mit dieser Erfindung wird unter Einsatz eines Prozesses Dampf in H₂ umgewandelt, was normalerweise als Nachteil angesehen wird. Die vorliegende Erfindung setzt die Korrosion ein, um Dampf chemisch in H₂ umzuwandeln. Die Korrosion nutzt O₂, um ein Metall in sein Metalloxid umzusetzen, während H₂ freigesetzt wird. Dieses Metalloxid wurde herkömmlicherweise als Nachteil angesehen, da das Metalloxid eine geringere Festigkeit, Haltbarkeit und weniger Glanz als sein metallisches Gegenstück aufweist. Die allgemeine chemische Reaktion für die Korrosion mit Wasser als Oxidationsmittel wäre:
wobei M für jedes Metall oder jede Kombination von Metallen aus dem Periodensystem steht und eV das elektromotorische Potential bezeichnet. Aufgrund des elektromotorischen Potentials der Korrosion bauen viele Verfahren zum Schutz eines Metalls vor Korrosion darauf auf, das elektromotorische Potential des Metalls in den Griff zu bekommen. Ein derartiges Verfahren ist der kathodische Schutz. Bei kathodischem Schutz wird das Metall vor Korrosion dadurch geschützt, dass in dem Metall ein elektromotorisches Potential aufgebaut wird, das dem elektromotorischen Potential für die Korrosion dieses Metalls entgegengesetzt ist. Dort, wo mit traditionellem kathodischen Schutz gearbeitet wird, um der Korrosion vorzubeugen, schlägt die Erfindung die Beförderung der Korrosion vor, indem ein anodisches Potential aufgebaut wird. Die vorliegende Erfindung regt an, ein oder mehrere katalytische Opfermetall(e) in das Abgas (Dampf) beim WCT-Prozess einzubringen, bei welchem vorzugsweise mit einem anodischen Potential gearbeitet wird, um die Korrosion eines Metalls oder einer Zusammensetzung aus Metallen zu befördern, wodurch zumindest ein Teil des Dampfes in Wasserstoff umgesetzt wird. (Zu den elektromotorischen Potentialen kann sehr gut auf das ”Handbook of Chemistry and Physics”, CRC Press verwiesen werden).
Die entdeckten WCT-Verfahren beziehen sich auf elektrolytische Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur elektrochemischen Umsetzung von H₂O in O₂ und H₂. Dabei versteht sich, dass unter den am günstigsten eingestellten Umständen die elektrische Energie, welche für die Elektrolyse zur Umsetzung von H₂O in O₂ und H₂ benötigt wird, größer ist als die Energie, die man durch die Verbrennung von O₂ und H₂ erhält. Die Elektrolyse ermöglicht jedoch beträchtliche Verbesserungen bei der Effizienz der Verbrennung, indem Energie, die ansonsten verloren ginge, wiedergewonnen wird. Sobald einmal die Kapitalkosten für die Anschaffung der Konversionsanlagen aufgebracht wurden, beschränken sich die Kosten der Energieumwandlung auf den Aufwand zur Erhaltung und Wartung der Anlagen, gleich ob die wiedergewonnene elektrische Energie aus dem bei der Verbrennung entstehenden Dampf oder aus mindestens einem der folgenden Vorgänge stammt, nämlich der Umwandlung mechanischer Energie, der Umwandlung von Dampfenergie, der Umwandlung von Lichtenergie, der Umwandlung von Windenergie oder der Umwandlung der Energie von einem Wasserrad. Dabei wird bei dieser Erfindung zwischen vier Typen der zur Verfügung stehenden Energie unterschieden: der mechanischen Energie, der Dampfenergie, der Bewegungsenergie von Luft (Wind) oder der Bewegungsenergie von Wasser und der photoelektrischen Energie (Sonne).
Die Elektrolyse kann aus H₂O bei sehr geringen Kosten der Energieumwandlung ausreichend Brennstoff gewinnen, um die Brennstoffleistung des gesamten Verbrennungssystems zu erhöhen. Der Einsatz bei einer Brennkraftmaschine stellt ein hervorragendes Beispiel für eine Situation dar, in welcher die Elektrolyse eingesetzt werden kann, um H₂O zu einer Brennstoffquelle werden zu lassen. Sobald die Brennkraftmaschine einmal in Betrieb ist, arbeitet sie normalerweise mit etwa 500 bis etwa 600 Umdrehungen pro Minute und weniger häufig in einer speziell vorgesehenen Situation mit etwa 10.000 bis 20.000 UpM. Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren gibt es viele Situationen, in denen ein Generator, der entweder auf der Antriebswelle angebracht ist oder über ein Getriebe aktiviert und von der Antriebswelle angetrieben wird, durch die mechanische Energie des Verbrennungsmotors in Drehung versetzt werden könnte, um so einen elektrischen Strom für die elektrolytische Umwandlung von H₂O in O₂ und H₂ zu erzeugen. Außerdem kann in dem Umfang, in dem H₂O zur Steuerung der Verbrennungstemperatur des Verbrennungssystems eingesetzt wird, ein Generator mit dampfbetriebener Turbine weiterhin im Abgasstrom beim WCT-Motor eingesetzt werden, um Strom zu erzeugen. Der elektrische Strom kann dann für die Elektrolyse von H₂O zu O₂ und H₂ verwendet werden. In dem Fall, dass das WCT-Verfahren speziell zur Stromerzeugung herangezogen wird, gäbe es nicht viel überschüssige Elektrizität. Sobald einmal die Kapitalkosten für den mechanisch betriebenen Generator oder den dampfbetriebenen Generator aufgebracht wurden, beschränken sich die Kosten für die Umwandlung der mechanischen Energie oder der Dampfenergie in elektrische Energie auf die Kosten für die Wartung und Instandhaltung der Anlage. Das gleiche Kosten-/Nutzen-Szenarium würde auch für einen durch Luftbewegung (Wind) oder Wasserbewegung angetriebenen Generator und ebenso auch für ein photoelektrisches System gelten.
Die Erfindung bezieht sich auf den Einsatz von Dämpfer-Technologien, da diese Techniken bekannt sind und dazu eingesetzt werden, das Verbrennungsgeräusch zu dämpfen. Bei einer Brennkraftmaschine werden Auspufftöpfe eingebaut, um das Geräusch einzuschränken, das durch die Verbrennung entsteht. Zwar kontrollieren Auspufftopf-Konstruktionen tatsächlich den Geräuschpegel oder die Luftschwingungen, die von einer Brennkraftmaschine erzeugt werden, doch vergeuden die heutigen Auspufftopf-Konstruktionen die zur Verfügung stehende Energie im Abgas. Der Einbau einer Dampfturbine im Abgasstrom aus einer Brennkraftmaschine wird zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bevorzugt. Dabei wird bevorzugt, dass die Dampfturbine Luftschwingungen aus dem Verbrennungsvorgang aufnimmt. Vorzugsweise werden leicht oxidierbare Metalle in einer Kontaktkammer/Auspufftopf-Kammer eingebaut, um aus dem in den Verbrennungsanlagen erzeugten Dampf H₂ zu gewinnen. Die Kombination eines Generators mit dampfbetriebener Turbine mit katalytisch umwandelbaren Metallen in einem Abgasstrom wäre eine am meisten bevorzugte Kombination, um die Dampfenergie der Abgase aus den Verbrennungsanlagen in elektrische Energie umzuwandeln, während die Luftschwingungen in den Abgasen gedämpft werden.
Ausführungsbeispiel
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigehefteten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Tabellen 1 und 1A eine Legende für die in den 1 bis 15 verwendeten Symbole darstellen;
2 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der Thermodynamik bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine zeigt, die mit Kohlenwasserstoffen betrieben wird;
2A in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für den Umgang mit H₂O, O₂, H₂ und Luft bei dem entwickelten WCT-Verbrennungsmotor zeigt;
3 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und bei welchem in das Brennstoffsystem alternative Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen einbezogen sind, um Strom für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ zu erzeugen;
4 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und wobei in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ einbezogen ist;
5 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und wobei in das Brennstoffsystem die Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist;
6 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und wobei in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
7 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das System der Verbrennungstemperatur und in das Brennstoffsystem die Tieftemperatur-Destillation von Luft in Stickstoff und O₂ einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
8 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ oder H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
9 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die Aufspaltung von Luft in Stickstoff und O₂ zumindest mit Membranen oder PSA-Technik einbezogen ist;
10 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die Aufspaltung von Luft in Stickstoff und O₂ zumindest mit Membranen oder PSA-Technik einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
11 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Aufspaltung von Luft in Stickstoff und O₂ zumindest mit Membranen oder PSA-Technik einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
12 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist;
13 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist, sowie eine Darstellung der Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Stromerzeugung für die Elektrolyse zur Umwandlung von H₂O in H₂ und O₂ als Alternativen zeigt;
14 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen zum Erwärmen des Verbrennungsgemisches für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem als Option H₂O zur Kühlung der Brennkammer und zur Verringerung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist;
15 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und bei welchem in das Brennstoffsystem die Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist;
16 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und bei welchem in das Brennstoffsystem die Aufspaltung von Luft in Stickstoff und O₂ mit Membranen oder mit PSA-Technik einbezogen ist;
17 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Tieftemperatur-Destillation von Luft zu Stickstoff und O₂ einbezogen ist;
18 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist, und bei welchem in das Brennstoffsystem die katalytische Umwandlung von Dampf in H₂ zusammen mit der Aufspaltung von Luft in Stickstoff und O₂ mit Membranen oder mit PSA-Technik einbezogen ist;
19 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen zum Erwärmen des Verbrennungsgemisches für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist;
20 und 20A in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für eine Dampfturbine zeigen, wobei die Dampfturbine im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet und von diesem angetrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist;
21 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für eine Luftturbine zeigt, wobei die Luftturbine elektrischen Strom zur Aufspaltung von H₂O in H₂ und O₂ für einen Verbrennungsmotor erzeugt, wobei der Verbrennungsmotor mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist;
22 und 22A in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen für eine H₂O-Turbine zeigen, wobei die H₂O-Turbine elektrischen Strom zur Aufspaltung von H₂O in H₂ und O₂ für einen Verbrennungsmotor liefert, wobei der Verbrennungsmotor mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist;
23 in Form eines Blockschaltbilds eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, Verfahrensabläufe, Systeme und Vorrichtungen zur Druckregelung für einen Verbrennungsmotor zeigt, der mindestens mit O₂ und H₂ oder Luft und H₂ betrieben wird, und bei welchem H₂O als Option zur Kühlung der Brennkammer und zur Senkung der Verbrennungstemperatur vorgesehen ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Der Zeitpunkt dieser Erfindung ist bedeutsam, da die globale Erwärmung zu einer weltweiten politischen Frage wird. Der Zeitpunkt dieser Erfindung ist auch deshalb bedeutsam, weil die Verfügbarkeit von Öl, der primären Quelle von Kohlenwasserstoffen, zu einem globalen politischen Problem wird. Und der Zeitpunkt dieser Erfindung ist auch insofern von Bedeutung, als die Luftverschmutzung für einen großen Teil der Menschheit zu einem Gesundheitsproblem wird. Weil der Markt für Erdgas (Methan, Ethan, Propan und/oder Butan) sich auch in der Erzeugung und/oder im Marktpreis von elektrischem Strom niederschlägt, ist der Zeitpunkt dieser Erfindung auch von Bedeutung. Die vorliegende Erfindung sieht umweltfreundliche Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Verbrennung vor, die effizient sind und einen vernünftigen Aufwand an Werkzeugausrüstung erfordern, der zu realisieren ist. Für den Fall einer Brennkraftmaschine sieht die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsprozess vor, bei welchem dem Fahrer ein ”Gefühl” vermittelt wird, das ähnlich dem Gefühl bei Brennkraftmaschinen ist, die mit Kohlenwasserstoffen arbeiten; dieses ”Gefühl” stellt eine weitere Realisierungsform der Erfindung vor.
Die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen des WCT-Motors bieten für unzählige Herausforderungen eine Lösung, die bisher einer kommerziellen Nutzung der auf Wasserstoff aufbauenden Verbrennungstechnologie im Wege standen. Diese Herausforderungen beschränken sich nicht nur auf 1) die Temperatur der Kraftstoffverbrennung und die damit verbundenen Kosten des Verbrennungsmotors, 2) auf das benötigte Kraftstoffvolumen und die damit verbundenen Anforderungen hinsichtlich der Kraftstofflagerung; 3) auf die Motorleistung und in Verbindung damit auf den benötigten Kraftstoff, 4) auf die Bildung von NO_x, 5) auf die Motorleistung und die damit verbundenen Betriebskosten, 6) auf die Größe des Verbrennungsmotors und die damit verbundenen Kosten des Verbrennungsmotors, 7) auf den benötigten Kraftstoff und die Kraftstofflagerung ganz allgemein, 8) auf die Betriebskosten ganz allgemein, 9) auf die Kosten des Verbrennungsmotors ganz allgemein, und im Fall einer Brennkraftmaschine 10) auf einen Motor, der hinsichtlich des Gefühls, der Effizienz, der Kosten und der Auswirkungen auf die Umwelt die Erwartungen der Kunden erfüllt.
Bei den Verfahren, Prozessen, Systemen und Vorrichtungen der WCT-Technik wird die Wärme aus der Verbrennung von O₂ mit H₂ als primärer Energiequelle für Verbrennungssysteme genutzt, um Energie zu erzeugen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestünde darin, O₂ mit H₂ zu verbrennen. Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestünde darin, H₂O zusätzlich in die Brennkammer einzuleiten, um die Verbrennungstemperatur zu steuern. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird der Motor mit H₂O in der Brennkammer gekühlt, wobei das Verbrennungsgas mindestens Wasserdampf und Dampf ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der WCT-Technik besteht im Umgang mit der Endtemperatur in dem Verbrennungsgemisch vor der Zündung, so dass das Gemisch zumindest in gasförmigem oder flüssigem Zustand vorliegt.
Da die Speicherung von O₂ und H₂ am besten bei Tieftemperatur-Temperaturen erfolgt, kann Kryo-O₂ und/oder Kryo-H₂ die Verbrennung unterbinden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Verbrennungstemperatur und/oder die Maschinentemperatur durch die Temperatur des Kryo-O₂ und/oder des Kryo-H₂ zumindest teilweise gesteuert bzw. geregelt werden. Ganz besonders wird bevorzugt, dass zumindest O₂, H₂ oder H₂O auf eine Temperatur, in Verbindung mit Druck, vorgewärmt wird, die eine effiziente Verbrennung ermöglicht. Im Zusammenhang mit dem Umgang mit dieser Energie sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass zumindest O₂, H₂ oder H₂O und/oder jede Kombination dieser Stoffe durch Wärmeaustausch erwärmt wird, wobei diese Energie aus mindestens einem dieser Prozesse stammt: Energie aus der Verbrennung im Motor, Dampfenergie aus dem Motorabgas und abgestrahlte Energie von einer Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsheizung und/oder Energie aus einer Kombination dieser Prozesse. Ganz besonders bevorzugt wird die Vorwärmung zumindest von O₂ oder H₂ aus der Energie in der Umgebung, ehe O₂, H₂ oder H₂O durch Wärmetausch erwärmt wird, wobei diese Wärme mindestens aus der Energie bei der Verbrennung im Motor oder aus der Energie im Motorabgas stammt. Da die Wärmekapazität von Wasser deutlich größer ist als die von Wasserdampf (Dampf) und die latente Verdampfungswärme von Wasser eine wichtige Wärmesenke darstellt, wird am stärksten die Erwärmung von H₂O bis zum flüssigen Zustand bevorzugt, und nicht bis zum gasförmigen Zustand oder dem Zustand eines Fluids (Dampf). 19 kommt dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Verbrennung mit Erwärmung des Verbrennungsgemisches nahe.
Ein Ausführungsbeispiel für die Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung bestünde darin, H₂O zumindest zusammen mit N₂ oder Ar zusätzlich in die Brennkammer einzuleiten, wobei H₂O als Wärmesenke eingesetzt wird und N₂ und/oder Ar zur Steuerung der Verbrennungstemperatur herangezogen wird, auch wenn diese Form der Realisierung nicht unbedingt bevorzugt wird. Ein Ausführungsbeispiel für die Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwar nicht bevorzugt, aber es sieht die Verwendung von Luft anstelle von O₂ als O₂-Quelle immer dann vor, wenn eine ausreichende Menge an O₂ nicht zur Verbrennung mit H₂ zur Bildung von H₂O als primärem Verbrennungsprodukt zur Verfügung steht, wobei man sich dessen bewusst ist, dass NO_x dabei ein sekundäres Verbrennungsprodukt ist. Das Ausführungsbeispiel für die Verbrennung von Luft und H₂ wird vorzugsweise mit H₂O realisiert, das zusätzlich in die Brennkammer eingebracht wird, wodurch H₂O als Wärmesenke eingesetzt wird, um so die Verbrennungstemperatur zu senken und Dampf zu erzeugen. Aus Gründen einer knappen Darstellung werden die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen gemäß dem (den) am stärksten bevorzugten Ausführungsbeispiel(en), dem (den) bevorzugte(n) Ausführungsbeispiel(en) und dem(den) Ausführungsbeispiel(en) für die Verbrennung nachstehend einfach als WCT-Verfahren bzw. WCT-Technik bezeichnet. Die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für das WCT-Verfahren bzw. die WCT-Technik sind in angenäherter Form in 2 bis 22A dargestellt.
Tieftemperatur-Destillation – Die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für die WCT-Technik, in welche die Tieftemperatur-Destillation einbezogen ist, sind in angenäherter Form in den 5, 7, 8, 12, 15, und 17 dargestellt. Die Grundlagen der Tieftemperatur-Destillation, die in die WCT-Technik einbezogen werden, müssen dabei jenen Grundsätzen entsprechen, die derzeit auf dem Gebiet der Tieftemperatur-Destillation bekannt sind. Ebenso müsste klar sein, dass entsprechend dem Diagramm für das Dampf-/Flüssigkeits-Gleichgewicht für jede Destillationsstufe die Destillationstemperatur vom Destillationsdruck abhängig ist; höhere Destillationsdrücke führen zu höheren Aufspaltungstemperaturen. Dabei sollte auch klar sein, dass der Bereich für die N₂/O₂-Aufspaltung zwei Säulen für die Gewinnung von reinem O₂ umfasst, dass die zweite Säule gegebenenfalls entfallen kann, um bei O₂ einen Reinheitsgrad zu erreichen, der unter dem von reinem O₂ liegt. Ein ganz besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Luft für eine Destillation gekühlt wird, bei welcher zumindest der Joule-Thompson-Effekt oder der Wärmetausch im Gegenstrom eingesetzt wird. Ein bevorzugtes Beispiel besteht in der Kühlung der Luft für eine Destillation, bei welcher zumindest der Joule-Thompson-Effekt oder die Verdampfung einer Flüssigkeit zum Einsatz kommt. Ein anderes Ausführungsbeispiel besteht in der Kühlung der Luft für eine Destillation, bei der zumindest der Joule-Thompson-Effekt oder die Ausdehnung eines Gases genutzt wird, das in einem Motor Arbeit leistet. Ein ganz besonders bevorzugtes Beispiel besteht darin, die Destillationssäule der ersten Stufe mit einem Druck von 100 bis 400 psia zu betreiben. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Destillationssäule der ersten Stufe mit einem Druck zwischen atmosphärischem Druck und 500 psia betrieben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird rückgeführtes N₂ als Wärmesenke herangezogen, wobei zumindest das rückgeführte N₂ und rückgeführtes Ar zur Kühlung bei mindestens einem der folgenden Vorgänge bzw. einer der folgenden Einrichtungen eingesetzt wird: O₂-Speicherung, H₂-Speicherung, eine Kühlanlage für den Verbrennungsmotor, ein Kühlsystem für die Elektrolyse, den Verbrennungsmotor, die Luft in einer Klimaanlage, die Gase/Flüssigkeiten innerhalb der Stufen der Tieftemperatur-Destillation von Luft und/oder jeder Kombination derselben. Entsprechend einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Luft mit Tieftemperatur-Technik zu ihren Bestandteilen O₂, Ar und N₂ destilliert, wobei die für die Tieftemperatur-Aufspaltung verwendete Energie aus dem WCT-Prozess stammt und das abgespaltene O₂ als Brennstoff beim WCT-Verfahren eingesetzt wird.
In den 5, 7, 8, 12, 15 und 17 werden Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen der WCT-Technik in angenäherter Form dargestellt, wobei die Tieftemperatur-Destillation zur Aufspaltung von Luft eingesetzt wird und wobei O₂ aus der Aufspaltung als Brennstoff in dem WCT-Prozess eingesetzt wird.
Membranen – Aus organischem oder anorganischem Material aufgebaute Membranen können wirksam zur Aufspaltung von Luft in O₂ eingesetzt werden. Die Grundlagen der in die WCT-Technik einbezogenen Membran-Aufspaltung müssen jenen Prinzipien entsprechen, die derzeit auf dem Gebiet der Membrantrennung bekannt sind. Zur Gewinnung von hochreinem O₂ wird eine abgestufte Membran-Aufspaltung bevorzugt. Bei Verwendung von Membranen aus anorganischem oder organischem Polymermaterial wird die Anlegung eines elektrischen Potentials über eine Membran bevorzugt, die so ausgelegt ist, dass sie ein elektrisches Potential halten kann, um so die Aufspaltung zu vereinfachen. Ganz besonders bevorzugt wird der Einsatz von organischen und/oder anorganischen Membranen zur Aufspaltung von Luft, bei welchen das O₂ aus der Aufspaltung im WCT-Prozess eingesetzt wird. Ganz besonders bevorzugt wird der Einsatz der Verbrennungsenergie aus dem WCT-Prozess zur Erzeugung von mechanischer Energie, wobei mit der mechanischen Energie die Luftströmung durch die Membran(en) angetrieben wird, wobei die Membran die Luft aufspaltet und wobei das O₂ aus der Aufspaltung als Brennstoff in dem WCT-Prozess eingesetzt wird.
Die PSA-Technik lässt sich zur Aufspaltung von Luft wirksam einsetzen, gleich ob mit positivem Druck oder mit Vakuum-Adsorption. Die in die WCT-Technik einbezogenen Grundsätze sollen dabei jenen Grundlagen entsprechen, die derzeit auf dem Gebiet der PSA bekannt sind. Auch wenn Werkstoffe für die Adsorption von O₂ sowie N₂ entwickelt wurden, wird hier bevorzugterweise die O₂-Adsorption durchgeführt, um die Größe der PSA-Einheit auf ein Mindestmaß zu verringern. Ganz besonders bevorzugt wird der Einsatz der PSA-Technik zur Aufspaltung von Luft, wobei das O₂ aus der Aufspaltung beim WCT-Prozess eingesetzt wird. Ganz besonders wird die Verwendung der Energie aus der Verbrennung mit der WCT-Technik dazu eingesetzt, mechanische Energie zu liefern, wobei die mechanische Energie zum Betreiben der PSA-Einheit dient und die PSA-Einheit die Aufspaltung der Luft vornimmt, während das O₂ aus der Aufspaltung als Brennstoff bei dem WCT-Prozess eingesetzt wird.
Die 9, 10, 11, 13, 16 und 18 stellen in angenäherter Form Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen der WCT-Technik dar, bei denen zur Aufspaltung von Luft mindestens eines der folgenden Elemente zum Einsatz kommt: organische Membran(en), anorganische Membran(en), PSA und/oder jede Kombination dieser Elemente; dabei wird das O₂ aus der Aufspaltung als Brennstoff bei dem WCT-Prozess eingesetzt. In diesen Figuren ist als Option die Verflüssigung von H₂ oder von O₂ dargestellt. Der Verwendung von warmem O₂ und H₂, das bei der Verbrennung erzeugt wurde, wird an erster Stelle der Vorzug gegenüber verflüssigtem O₂ oder H₂ gegeben; deshalb wird ganz bevorzugt, dass jede Verflüssigung bei der Speicherung vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf chemische Verfahren zur Gewinnung von H₂ aus Dampf, da Dampf ein physikalischer Zustand des Wassers ist, das als Produkt beim WCT-Prozess anfällt. Die 4, 6, 8, 11, 12, 13, 14, 17 und 18 stellen in angenäherter Form Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen dar, die gemäß einem Aspekt der Erfindung entdeckt wurden. Bei der vorliegenden Erfindung wird unter Nutzung des Korrosionsprozesses Dampf in H₂ umgewandelt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der chemischen Umwandlung des beim WCT-Prozess anfallenden Dampfes in H₂ unter Ausnutzung der Korrosion von mindestens einem Metall. Ein ganz besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Dampf, der beim WCT-Prozess anfällt, chemisch in H₂ umzuwandeln, wobei das H₂ durch die Korrosion von mindestens einem Metall erzeugt wird, und wobei dieser Korrosionsvorgang durch einen elektrischen Strom in dem (den) Metall(en) gefördert wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der chemischen Umwandlung des beim WCT-Verfahren entstehenden Dampfes in H₂, wobei das H₂ durch die Korrosion von mindestens einem Metall gebildet wird und wobei das H₂ als Brennstoff in dem WCT-Prozess eingesetzt wird. Gemäß einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der beim WCT-Prozess erzeugte Dampf chemisch in H₂ umgesetzt, wobei das H₂ durch die Korrosion von mindestens einem Metall gebildet wird und der Korrosionsvorgang durch einen elektrischen Strom in dem (den) Metall(en) gefördert wird und wobei das H₂ als Brennstoff in dem WCT-Verfahren eingesetzt wird. Bei vielen dieser Figuren ist als Option die Verflüssigung von H₂ dargestellt. Der Verwendung von warmem, bei der Verbrennung erzeugten H₂ wird gegenüber der Verwendung von verflüssigtem H₂ der Vorzug gegeben; deshalb wird ganz besonders bevorzugt, dass jedwede Verflüssigung im Speicher erfolgt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorichtungen mit Elektrolyse für die elektrolytische Umsetzung von H₂O in O₂ und H₂, wobei O₂ und H₂ als Brennstoff im WCT-Prozess eingesetzt werden. Die Grundlagen der Elektrolyse, die in die WCT-Technik einbezogen wurden, müssen jenen Prinzipien entsprechend, die derzeit auf dem Gebiet der Elektrolyse bekannt sind. 3, 6, 7, 8, 10 und 11 stellen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen für die Elektrolyse bei der vorliegenden Erfindung in angenäherter Form dar. Dabei wird der Verwendung von warmem, bei der Verbrennung erzeugten O₂ und H₂ an erster Stelle der Vorzug gegenüber verflüssigtem O₂ oder H₂ gegeben; deshalb wird am stärksten bevorzugt, dass jede Verflüssigung bei der Speicherung vorgenommen wird. Gemäß einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei der vorliegenden Erfindung Energie durch die potentielle chemische Energie gespeichert, die vor der Aufspaltung durch Elektrolyse in H₂O sowie in O₂ und H₂ zur Verfügung steht. Das O₂ und das H₂ stehen für den WCT-Prozess und/oder für eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Verfügung. Gemäß einem am stärksten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei der vorliegenden Erfindung Energie durch die potentielle chemische Energie gespeichert, die in H₂O zur Verfügung steht, wobei das H₂O elektrisch in O₂ und H₂ umgewandelt werden kann und wobei O₂ und H₂ für das WCT-Verfahren und/oder für eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Verfügung stehen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei der vorliegenden Erfindung Energie durch die potentielle chemische Energie gespeichert, die zumindest in H₂O und/oder O₂ und/oder H₂ sowie in Batterien zur Verfügung steht.
Da viele Arten von Verbrennungsmaschinen einen Ausgang für mechanische Leistung bzw. eine umlaufende Welle zur Übertragung von mechanischer Energie aufweisen, ist bei nahezu allen Einsatzbereichen für die vorliegende Erfindung die Fähigkeit gegeben, zur Verfügung stehende mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Umwandlung der zur Verfügung stehenden mechanischen Rotationsenergie erfolgt unter Nutzung einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom, besonders bevorzugterweise eines Generators, mit dem vorzugsweise die elektrische Energie erzeugt wird. In den Fällen, in denen ein Wechselstromgenerator zum Einsatz kommt, sieht ein Ausführungsbeispiel die Umwandlung der elektrischen Energie aus Wechselstrom in Gleichstrom vor. In den Fällen, in denen der WCT-Prozess eine andere Arbeit leistet als die Erzeugung von elektrischer Energie, Wärme oder Dampf, ist die Aktivierung des Generators vorzugsweise umgekehrt proportional zu der Arbeit bzw. dem Drehmoment, das von der WCT-Vorrichtung geleistet bzw. abgegeben wird. Dabei wird bevorzugt, dass die mechanische Rotationsenergie, die bei dem WCT-Prozess erzeugt wird, in ein Getriebe eingeleitet wird, wobei das Getriebe in einer Weise in Eingriff kommt, die umgekehrt proportional zu dem Drehmoment bzw. der Arbeitsleistung ist, das bzw. die von dem Verbrennungssystem abgegeben wird, wobei die von dem Getriebe abgegebene mechanische Rotationsenergie den Generator in Drehung versetzt, um den elektrischen Strom zu erzeugen. Dabei wird am stärksten bevorzugt, dass das Getriebe mit einem Schwungrad in Eingriff kommt, das kinetische Rotationsenergie speichern kann, wobei das Schwungrad den Generator in Drehung versetzt. 3, 6, 7, 8, 10 und 11 stellen Verfahren, Prozesse, System und Vorrichtungen zur Rückführung von mechanischer Energie in angenäherter Form dar, wie dies bei der vorliegenden Erfindung entdeckt wurde. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der Umwandlung von mechanischer Energie, die bei dem WCT-Prozess erzeugt wird, in elektrische Energie, wozu eine Stromgenerator-Vorrichtung eingesetzt wird. Bei einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energie bei der Elektrolyse von H₂O zur Aufspaltung in H₂ und O₂ eingesetzt. Ein am stärksten bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der Umwandlung der mechanischen Energie, die bei dem WCT-Verfahren erzeugt wird, in elektrische Energie unter Verwendung einer Stromgenerator-Vorrichtung, wobei die elektrische Energie bei der Elektrolyse von H₂O zu dessen Aufspaltung in H₂ und O₂ eingesetzt wird und wobei H₂ und/oder O₂ als Brennstoff beim WCT-Prozess verwendet wird.
Brennstoff- bzw. Kraftstoffspeicherung
Gemäß dem Gassatz (PV = nRT) steht zu vermuten, dass der Wirkungsgrad bei der Verdichtung und die Effizienz bei der Speicherung von O₂ und/oder H₂ deutlich gesteigert werden können, wenn O₂ und/oder H₂ bei Tieftemperatur-Temperaturen gespeichert werden. Dabei wird bevorzugt, dass zumindest H₂ und/oder O₂ in flüssigem Zustand gespeichert wird bzw. werden. Da H₂ und O₂ explosiv und entflammbar sind, wird vorzugsweise N₂ als Kühlmittel bei der Speicherung von mindestens H₂ und/oder O₂ eingesetzt. Da O₂ recht extrem explosiv ist, wird die erforderliche Speicherung von O₂ vorzugsweise begrenzt, wobei jede beliebige Technologie zur O₂-Erzeugung bevorzugt wird. Um die Temperaturen zur Speicherung des Brennstoffs bzw. Kraftstoffs aufrechtzuerhalten, wird vorzugsweise ein Verdichter eingesetzt, der zumindest eine der folgenden Aufgaben übernimmt: Verflüssigung von O₂, Kühlung von O₂, Verflüssigung von H₂, Kühlung von H₂ und/oder jede Kombination aus diesen Vorgängen. Dabei wird am stärksten bevorzugt, dass der Verdichter mit mechanischer Energie angetrieben wird, die bei dem WCT-Prozess erzeugt wird.
Da bei nahezu allen Einsatzbereichen der WCT-Technik ein Motorenabgas vorhanden ist, ist auch bei fast allen Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit vorhanden, aus Verbrennung stammende Energie in Form von dampfförmigem Abgas umzuwandeln. Dabei wird vorzugsweise der Verbrennungsmotor und/oder die Dampfturbine isoliert, um zur Dampferzeugung so viel Energie zurückzuhalten, wie dies praktisch möglich ist, wodurch sich die Effizienz des Motors verbessert. Die Umwandlung dieser Energie wird vorzugsweise unter Einsatz einer Dampfturbine vorgenommen. 3, 6, 7, 8, 10, 11, 14, 15, 16, 17 und 18 stellen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Umwandlung von Dampfenergie in elektrische Energie in angenäherter Form dar. Die Grundlagen der Dampfturbine, die in die WCT-Technik einbezogen wurden, müssen dabei jenen Prinzipien entsprechen, die derzeit auf dem Gebiet der Dampfturbinen-Technologie bekannt sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der Umwandlung von Dampfenergie, wobei die Dampfenergie bei dem WCT-Prozess erzeugt wurde und wobei die Dampfenergie dann unter Einsatz einer Dampfturbine in elektrische Energie umgewandelt wird, und wobei die Dampfturbine einen Generator in Drehung versetzt, welcher die elektrische Energie erzeugt. Dabei wird bevorzugt, dass die elektrische Energie geregelt wird. In den Fällen, in denen ein Wechselstromgenerator zum Einsatz kommt, wird bevorzugt, dass die elektrische Energie aus ihrer Form des Wechselstroms in Gleichstrom umgesetzt wird. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Teil der elektrischen Energie bei der Elektrolyse von H₂O zur Aufspaltung in H₂ und O₂ verwendet. Ein ganz besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der Umwandlung der vom WCT-Prozess erzeugten Dampfenergie in elektrische Energie unter Verwendung einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine eine Generatorvorrichtung in Drehung versetzt und wobei die Generatorvorrichtung einen elektrischen Strom erzeugt; dabei wird zumindest ein Teil des elektrischen Stroms bei der Elektrolyse von H₂O zu H₂ und O₂ eingesetzt, wobei zumindest ein Teil von H₂ und/oder O₂ mindestens als Teil des Brennstoffs in dem WCT-Prozess verwendet wird.
Da es viele Einsatzgebiete von Verbrennungsmotoren gibt, die irgendeine Art von Bewegung ausführen und/oder bei vielen Einsatzgebieten von Verbrennungsmotoren eine verfügbare Quelle für die Bewegung von Luft oder Wasser vorgesehen ist, ist bei vielen Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit zur Umwandlung der Energie aus der Bewegung von Luft oder Wasser gegeben. 3, 6, 7, 8, 10, 11 und 21 stellen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen zur Umwandlung der Bewegungsenergie von Luft in elektrische Energie in Annäherung dar. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Umwandlung der Energie aus der Bewegung von Luft oder Wasser in elektrische Energie unter Einsatz einer Turbine, welche sich direkt infolge der Bewegung von Luft und Wasser dreht, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Energie bei der Elektrolyse von H₂O zu H₂ und O₂ eingesetzt wird. Dabei wird die Regelung der elektrischen Energie bevorzugt. In den Fällen, in denen ein Generator eingesetzt wird, wird die elektrische Energie vorzugsweise aus ihrer Form von Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Ein ganz besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zumindest ein Teil von H₂ und/oder O₂ mindestens als Teil des Brennstoffs in dem WCT-Prozess verwendet wird.
Verfahren, Prozess und System mit Dampfturbine
Die Energie des Dampfes wird in Temperatur und Druck gemessen. Geht man von gesättigtem Dampf aus, wird die Dampfenergie nur in Druck allein gemessen, d. h. der Dampf wird im Normalfall mit 150, 300 oder 400 psig Dampf etc. angegeben. Nur in den Fällen, in denen überhitzter Dampf zum Einsatz kommt, wird die Energie des Dampfes sowohl in Druck als auch in Temperatur gemessen. Je mehr Energie verbraucht wird, desto mehr Temperatur und Druck gehen verloren. Nach dem Verlust von Energie sinkt die Dampftemperatur – und auch der Dampfdruck (der für gewöhnlich einfach mit Druck gemessen wird) – und beginnt die Kondensierung des Dampfes zu Wasser. Sobald die gesamte Dampfenergie erschöpft ist, gibt es keinen Druck bzw. ist kein Wasserdampf vorhanden, sondern nur heißes Wasser. Da diese Tatsache bekannt ist, so könnte man erwarten, dass alle Anlagen zur Stromerzeugung auch die letzte Wärmeeinheit bzw. das letzte psig Dampf nutzen würden. Dies geschieht aber nicht, da dies wegen der benötigten Investitionen nicht wirtschaftlich ist. Im Falle der WCT-Technik wird der Aufwand für Schutzmaßnahmen gegen Umweltverschmutzung auf ein Mindestmaß reduziert und entfallen die Vorkehrungen für die Wärmeübertragung, wodurch sich die Investitionen verringern und die Wärmeübertragung verbessert wird. Die Vorrichtungen für die Wärmeübertragung werden auf ein Mindestmaß reduziert oder entfallen ganz, weil das Abluftprodukt aus dem WCT-Motor, nämlich Dampf, direkt in die Dampfturbine übertragen wird. In den Fällen, in denen Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, wird die Energie der heißen Gase aus der Verbrennung über einen Wärmetauscher an Wasser abgegeben, wodurch Dampf entsteht, woraufhin die heißen Gase an Umweltschutzeinrichtungen übertragen werden. Bei der entdeckten WCT-Technik entfallt die Notwendigkeit, Kessel zur Dampferzeugung vorzusehen, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird und sich der Wirkungsgrad bei der Dampferzeugung erhöht.
Dabei wird bevorzugt, dass eine Dampfturbine bzw. Dampfturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Konfiguration eingebaut wird bzw. werden, wobei die Abgase aus dem WCT-Prozess die Dampfturbine(n) antreiben, wodurch die Kondensierung entfällt. Besonders bevorzugt wird die Verlagerung der Kondensierungsfunktion zur Elektrolyse. Die Abführung der Dampfenergie wird in besonders bevorzugter Weise in einem in Stufen ausgelegten System vorgenommen, wobei jede Stufe einen Teil der Energie mittels einer Dampfturbine aus dem Dampf entzieht und die sich dabei ergebende Kondensierung vor der nächsten Dampfturbine bzw. Stufe zum Entziehen von Energie entfernt wird. Ganz besonders bevorzugt wird, dass die gesamte Dampfenergie (Druck) durch das System der Dampfturbine bzw. das System zur Wasserentfernung entzogen wird. Vorzugsweise wird dabei mindestens ein Teil der Energie des Dampfes (Druck) durch die Dampfturbine bzw. mittels des Systems zur Wasserentfernung entfernt.
20 und 20A stellen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen in angenäherter Form dar, die dazu dienen, Dampfenergie in elektrische Energie umzuwandeln, wie dies bei der vorliegenden Erfindung entdeckt wurde.
Verfahren und System mit Bewegung von Luft und Wasser
Die Energie der Bewegung von Luft oder Wasser wird in Masse und Geschwindigkeit gemessen. Da die Luft- oder Wassermasse, die in eine Luft- oder Wasserturbine eingeleitet wird, gleich der aus der Turbine austretenden Masse ist, ist die Änderung in der Geschwindigkeit das Maß für den Entzug von Energie. Dieser Unterschied in der Energie lässt sich nach den physikalischen Gesetzen, speziell anhand der kinetischen Energie, direkt berechnen. Es muss jedoch festgestellt werden, dass der Unterschied in der Geschwindigkeit – also die entzogene Energie, die von der Turbine in elektrische Energie umgewandelt werden kann – eine entgegengesetzte Kraft des Strömungswiderstands aufweist. Bei Anwendungen in der Beförderung, bei denen die Kraft des Strömungswiderstands der Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist, senkt die Kraft des Strömungswiderstands die Beförderungsleistung. Bei Einsatzbereichen im Beförderungswesen weist das Fahrzeug einen inhärenten Strömungswiderstand auf, der die Transportleistung senkt. In dem Maße, in dem der inhärente Strömungswiderstand dazu genutzt werden kann, die Bewegung von Luft oder Wasser in elektrische Energie zu Kosten umzuwandeln, die geringer sind als die Energieverluste in dem inhärenten Strömungswiderstand, wird die Wind- und/oder Wasserturbine praktisch eingesetzt werden. Eine derartige Einsatzmöglichkeit ist bei einem Segelboot gegeben, bei dem der Strömungswiderstand in der gleichen Richtung gerichtet ist wie die Bewegungsrichtung. 21 stellt dabei die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen in angenäherter Form dar, die dazu dienen, Energie aus der Luftbewegung in elektrische Energie umzuwandeln, wie dies bei der vorliegenden Erfindung entdeckt wurde.
Bei Einsatzmöglichkeiten mit Wasser ist die Wellenenergie (vertikale Energie) viel größer als die Energie der Wasserbewegung (horizontale Energie). Dabei wird bei Einsätzen mit Wasser vorzugsweise ein Generator mit der Energie der vertikalen Wellenbewegung angetrieben. 22 und 22A stellen die Verfahren, Prozesse, Systeme und Vorrichtungen in Annäherung dar, die dazu dienen, die Energie aus der Wasserbewegung in elektrische Energie umzuwandeln, was bei der vorliegenden Erfindung entdeckt wurde. Vorzugsweise wird die elektrische Energie aus der Wasserenergie dazu eingesetzt, H₂O in H₂ und O₂ umzuwandeln. Ganz besonders wird der Einsatz von H₂ und/oder O₂ als Brennstoff bei dem WCT-Prozess bevorzugt.
Photoelektrische Zellen
Bei allen Einsatzbereichen der hier entdeckten WCT-Technik, bei denen Licht zur Verfügung steht, sieht ein Ausführungsbeispiel den Einsatz von Photovoltaikzellen zur Stromerzeugung vor. Dabei wird vorzugsweise der elektrische Strom aus den photoelektrischen Zellen zur Umsetzung von H₂O in H₂ und O₂ durch Elektrolyse verwendet. Ganz besonders bevorzugt wird der Einsatz von H₂ und/oder O₂ als Brennstoff für den WCT-Prozess.
Brennstoffzellen
Für alle Einsatzbereiche der hier entdeckten WCT-Technik, bei denen elektrischer Strom erzeugt wird, sieht ein Ausführungsbeispiel den Einsatz von Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischem Strom vor. Bei diesen Einsatzgebieten könnte eine Brennstoffzelle eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie ersetzen. Dabei wird die Stromerzeugung mit einer Brennstoffzelle dann bevorzugt, wenn der WCT-Motor nicht in Betrieb ist. Ganz besonders bevorzugt wird der Einsatz des entdeckten WCT-Prozesses zur Stromerzeugung.
Wärmeerzeugung
Die entdeckte WCT-Technik eignet sich besonders gut für Einsatzbereiche bei der Wärmeerzeugung. Wärme kann unter Einsatz der entdeckten WCT-Technik sowohl im industriellen Bereich als auch in Wohnräumen erzeugt werden. In den Fällen, in denen ein Gas oder eine Flüssigkeit erwärmt wird, kann die Wärmeenergie aus der entdeckten WCT-Technik wirksam über irgendwelche Vorrichtungen für den Wärmetausch in der auf dem Gebiet der Wärmetauscher allgemein bekannten Ausführung übertragen werden.
In den Fällen, in denen Luft erwärmt wird, wobei die für die Verbrennung vorgesehenen Anlagenteile jenen Komponenten entsprechen, die bei der WCT-Technik entdeckt wurden, wird besonders bevorzugt, dass die Abgase aus der Verbrennung direkt in die zu erwärmende Luft ausgebracht werden. In den Fällen, in denen Luft erwärmt wird, die in einer geschlossenen Anlage für Menschen, Pflanzen und/oder Tiere eingesetzt werden soll, wobei die Komponenten bei der Verbrennung mindestens O₂ und H₂ und/oder O₂, H₂ und H₂O sind, werden die Abgase aus der Verbrennung in ganz besonders bevorzugter Weise direkt in die zu erwärmende Luft ausgetragen, wodurch für befeuchtete erwärmte Luft gesorgt wird.
In den Fällen, in denen Wasser erwärmt wird, wobei es sich bei den für die Verbrennung vorgesehenen Anlagenteilen um jene Komponenten handelt, die bei der WCT-Technik entdeckt wurden, werden in besonders bevorzugter Weise die Abgase aus der Verbrennung direkt in das zu erwärmende Wasser ausgetragen, wobei der Wasserkessel bzw. der Heißwasserspeicher einen Auslass besitzt, um das dabei gebildete NO_x freizusetzen. In den Fällen, in denen Wasser erwärmt wird, wobei die Komponenten bei der Verbrennung mindestens O₂ und H₂ und/oder O₂, H₂ und H₂O sind, werden die Abgase aus der Verbrennung in ganz besonders bevorzugter Weise direkt in das zu erwärmende Wasser ausgetragen, wobei der Wasserkessel bzw. der Heißwasserspeicher mit einer Druckentlastungsvorrichtung ausgerüstet ist, wie dies auf diesem Gebiet bekannt ist.
Ganz besonders bevorzugt wird bei Einsatzmöglichkeiten zu Heizzwecken, dass der Verbrennungsmotor Strom erzeugt und auch das eingesetzte Gas und/oder die verwendete Flüssigkeit erwärmt. Die Systemauslegungen für die Erwärmung eines Gases oder einer Flüssigkeit werden nur durch die Kreativität des Konstrukteurs eingeschränkt; in den 2 bis 18 allerdings sind Konfigurationen in einer der entdeckten WCT-Technik angenäherten Form dargestellt, wobei ein Gas oder eine Flüssigkeit erwärmt wird und wobei die Wärmeübertragung entweder in den Abgasen aus der Verbrennung oder im CE-Motorblock erfolgen kann. (In diesem Fall stellt die Kühlung des Motors, CE, keine Einbuße beim Wirkungsgrad dar, da die abgeführte Wärme einen Zweck zu erfüllen hat.)
Kühlung
Die entdeckte WCT-Technik eignet sich besonders gut für Einsatzbereiche, bei denen Wärme abgeführt werden soll. Wärme kann unter Einsatz des entdeckten WCT-Prozesses abgeführt werden, wobei zumindest eine Tieftemperatur-Destillation durchgeführt wird und/oder der WCT-Prozess mechanische Energie liefert und mit der mechanischen Energie eine Kühlanlage betrieben wird. In den Fällen, in denen ein Gas oder eine Flüssigkeit gekühlt wird, wird die Fähigkeit des gekühlten N₂ aus der Tieftemperatur-Destillation, als Wärmesenke zu fungieren, vorzugsweise über eine Wärmetauscher-Vorrichtung übertragen, wie dies auf dem Gebiet der Wärmeübertragungs-Technik bekannt ist. In den Fällen, in denen ein Gas oder eine Flüssigkeit gekühlt wird, wird vorzugsweise eine Kühleinheit eingesetzt, wobei die Kühleinheit durch mechanische Energie betrieben wird und diese mechanische Energie mit dem WCT-Prozess erzeugt wird.
In den Fällen, in denen Luft oder Wasser gekühlt werden soll, wird ganz besonders bevorzugt, dass dank der Eignung des gekühlten N₂, das aus der Tieftemperatur-Destillation stammt, als Wärmesenke die Wärmeübertragung direkt auf die Luft und/oder über irgendeine Wärmetauschertechnik erfolgt, wie sie auf dem Gebiet der Wärmeübertragung bekannt ist.
Ganz besonders wird bei Einsätzen im Kühlbereich bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor Strom erzeugt und ebenso auch das als Medium eingesetzte Gas und/oder die Flüssigkeit kühlt. Die Systemauslegungen für die Kühlung eines Gases oder einer Flüssigkeit werden nur durch die Kreativität des Konstrukteurs eingeschränkt.
Wasserchemie
Wasser stellt das wirksamste und wirtschaftlichste Verfahren zur Speicherung von O₂ und/oder H₂ dar. Dabei stellt die Elektrolyse von Wasser das bevorzugte Verfahren zur Umwandlung von gespeichertem H₂ und/oder O₂ in Form von H₂O in eine brennbare Form dar. Am besten wird die Elektrolyse mit einem im Wasser gelösten Elektrolyten vorgenommen; der gelöste Elektrolyt bzw. das Salz verbessert die Leitfähigkeit im Wasser, wodurch die zur Durchführung der Elektrolyse benötigte elektrische Energie verringert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein Ausführungsbeispiel darin, dass die Elektrolyse bei Wasser durchgeführt wird, das ein Elektrolyt enthält. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Elektrolyse vorzugsweise bei Wasser durchgeführt, das ein Salz enthält. Viele gelöste Kationen und Anionen bzw. Kation-/Anion-Kombinationen können im Laufe der Zeit ausgefällt werden und dabei den Wirkungsgrad der Elektrolyse verringern. Aufgrund der inhärenten Löslichkeit ist bei der vorliegenden Erfindung als bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Elektrolyse mit Wasser durchzuführen, das ein Salz aus der Gruppe IA/Gruppe VIIA (einschließlich der zugehörigen Säuren) enthält. Außerdem können bei steigender Temperatur Verunreinigungen in hartem Wasser ausgefällt werden; deshalb wird die Destillation des Elektrolyse-Wassers oder die Entfernung der Ionen daraus vor dem Zusatz eines Salzes der Gruppe IA/Gruppe VIIA bevorzugt.
Vorzugsweise wird dem Wasser ein Dispergiermittel zugesetzt, um der Kesselsteinbildung vorzubeugen. Dispergiermittel sind Polymere von geringem Molekulargewicht, für gewöhnlich organische Säuren mit einem Molekulargewicht von weniger als 25.000 und vorzugsweise weniger als 10.000. Die Chemie der Dispergiermittel baut auf der Carboxyl-Chemie sowie auf der Chemie von Alkylsulfaten, Alkylsulfiten und Akylsulfiden auf; es ist das Sauerstoffatom, das die Dispersion herbeiführt, wobei der Sauerstoff seine Form im Molekül in Form einer Carboxyl-Einheit und/oder einer Sulfoxy-Einheit annimmt. Dispergiermittel, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können und eine Carboxyl-Einheit enthalten, sind unter anderem Acryl-Polymere, Acrylsäure, Acrylsäure-Polymere, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itakonsäure, Crotonsäure, Zimtsäure, Vinylbenzolsäure, jedwede Polymere aus diesen Säuren und/oder alle Kombinationen aus diesen Substanzen, wobei sie jedoch nicht hierauf beschränkt sind. Dispergiermittel, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können und die Alkyl-Sulfoxy-Einheit oder Allyl-Sulfoxy-Einheit enthalten, umfassen unter anderem jede beliebige Alkyl- oder Allyl-Verbindung, die wasserlöslich ist und eine Einheit ist, die zumindest SO und/oder SO₂ und/oder SO₃ und/oder jede Kombination daraus ist. Aufgrund der vielen Wege, in denen ein organisches Molekül so konzipiert werden kann, damit es die Carboxyl-Einheit und/oder die Sulfoxy-Einheit enthält, sieht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor, dass jede beliebige wasserlösliche organische Verbindung eingesetzt werden kann, die zumindest eine Carboxyl-Einheit und/oder eine Sulfoxy-Einheit enthält. (Dies geschieht in Kenntnis des Faktums, dass nicht alle Dispergiermittel äquivalente Eigenschaften bei der Dispergierung besitzen). Acryl-Polymere zeigen sehr gute Dispergier-Eigenschaften und schränken dabei die Ablagerung von wasserlöslichen Salzen ein; ganz besonders bevorzugt werden Ausführungsbeispiele, bei denen sie als Dispergiermittel gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Verwendung eines Dispergiermittels wird nur durch die Wasserlöslichkeit der Dispergiermittel in Verbindung mit deren Carboxyl-Charakter und/oder Sulfoxy-Charakter eingeschränkt.
Wasser hat gegenüber Metallen von Natur aus eine korrodierende Wirkung. Wasser oxidiert von Natur aus Metalle, dabei einige mit höherer Oxidationsgeschwindigkeit als andere. Um die Korrosion zu verringern, sollte das Wasser vorzugsweise einen pH-Wert aufweisen, der gleich 7,5 ist oder höher liegt, wobei die Alkalinität des pH-Werts aus dem Hydroxyl-Anion herrührt. Um der Korrosion oder der Absetzung von Wasserablagerungen auf Dampfturbinen vorzubeugen, wird dem Wasser vorzugsweise eine Substanz zugesetzt, welche die Korrosion durch Kondensation verhindert.
Korrosionsschutzmittel werden dem Wasser zugesetzt, um der Korrosion vorzubeugen. Chelatbildende Substanzen können eingesetzt werden, um die Korrosion zu verhindern, und ebenso Komplexe zu bilden und der Ablagerung von vielen Kationen vorzubeugen, darunter Hartmetalle und Schwermetalle. Chelatbildende Substanzen bzw. Chelatbildner sind Verbindungen, die einen heterozyklischen Ring aufweisen, bei dem mindestens zwei Arten von Atomen zu einem Ring zusammengeschlossen sind. Unter Chelatbildung versteht man die Bildung einer Verbindung mit einem heterozyklischen Ring, indem eine chelatbildende Substanz an ein Metallion angekoppelt wird. Chelatbildner enthalten ein Metallion, das über koordinierte Bindungen (d. h. eine kovalente chemische Bindung wird gebildet, wenn ein Atom sich mit einem anderen Atom ein Paar Elektronen teilt, dem ein solches Paar fehlt) an mindestens zwei Nichtmetall-Ionen im gleichen heterozyklischen Ring angekoppelt ist. Beispiele für die Anzahl von chelatbildenden Reagenzien, die bei der vorliegenden Erfindung zu mineralischen Ablagerungen führen, sind wasserlösliche Phosphate, die aus Phosphat, Phosphat-Polymeren, Phosphat-Monomeren und/oder jedweden Kombinationen daraus bestehen. Die Phosphat-Polymere bestehen aus Phosphorsäureestern, Metaphosphaten, Hexa-Metaphosphaten, Pyrophosphaten und/oder jeglichen Kombinationen daraus, auch wenn sie nicht auf diese Substanzen beschränkt sind. Phosphat-Polymere sind beim Dispergieren von Magnesiumsilikat, Magnesiumhydroxid und Kalziumphosphaten besonders wirksam. Phosphat-Polymere sind bei der Steuerung des Korrosionsverhaltens besonders wirksam. Bei geeigneter Auswahl eines Polymers in Verbindung mit der Aufrechterhaltung einer angemessenen Polymerkonzentration kann die Oberflächenbelastung des/der Partikel(s) günstig verändert werden. Neben der Veränderung der Oberflächenbelastung fungieren Polymere auch in der Weise, dass sie Verzerrungen im Kristallwachstum herbeiführen. Chelatbildende Substanzen schließen die Metalle im Wasser in die löslichen organischen Ringstrukturen der chelatbildenden Substanzen ein. Chelatbildende Substanzen bieten die Reaktionspositionen, die auf Koordinationspositionen (d. h. auf die Flächen auf einem Ion, die für eine chemische Bindung empfänglich sind) an den Kationen eine anziehende Wirkung besitzen. Zum Beispiel besitzt Eisen sechs Koordinationspositionen. Alle Koordinationspositionen des Eisenions werden zur Bildung einer stabilen Metall-Chelat-bildenden Substanz genutzt. Chelatbildende Substanzen verbinden sich mit Kationen wie zum Beispiel Kalzium, Magnesium, Eisen und Kupfer, die ansonsten Ablagerungen bilden könnten. Die sich dabei ergebenden, in einem Chelat gebundenen Partikel sind wasserlöslich. Die Wirksamkeit des bzw. der chelatbildenden Substanzen) wird nur durch die Konzentration der miteinander konkurrierenden Anionen, die Alkalinität und die Temperatur beschränkt.
Die Wirkung der Zugabe von ausreichenden Mengen aus der Anzahl von Chelatbildnern gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die im Wasser verfügbaren freien Metallionen zu verringern und somit den Bedarf an Phosphaten zu senken. Phosphat, zum Beispiel Phosphorsäure und/oder Pyrophosphorsäure, wird dazu eingesetzt, Komplexe zu bilden oder Metallphosphate zu bilden, die nicht löslich sind. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen werden Phosphat-Polymere wie zum Beispiel Metaphosphat und/oder Hexa-Metaphosphat als Korrosionsschutzmittel und als chelatbildendes Reagens eingesetzt, um dementsprechend jegliche Ausfällung von Kalzium und/oder Magnesium zu verhindern, während andererseits Schutz vor Korrosion geboten wird. Metaphosphat und/oder Hexa-Metaphosphat sowie Polymere, die auf dieser Chemie aufbauen, machen das Wasser dadurch weich, dass sie die freien Kalzium- und/oder Magnesium-Ionen aus dem Wasser entfernen und die Metallionen in eine lösliche, leicht ionisierte Verbindung bzw. ein Radikal einbinden. Außerdem löst sich in dem Wasser, das Metaphosphat und/oder Hexa-Metaphosphat in irgendeinem Überschuss enthält, tatsächlich jedes Phosphat oder Karbonat, das sich gegebenenfalls abgesetzt hat. Metaphosphat und/oder Hexa-Metaphosphat bringen die Metallionen nicht aus der Lösung, wie dies bei den üblichen Wasserenthärtungsmitteln der Fall ist, sondern sie binden vielmehr die Metallionen fest in ein komplexes Metaphosphat und/oder Hexa-Metaphosphat-Molekül ein; diese Moleküle sorgen für eine Beschichtung auf Metallflächen in der Stärke von einem oder zwei Molekülen, um so die Korrosion des Metalls einzuschränken. Dies ist besonders bei Werkstoffen aus Schwermetallen wichtig.
Betriebsdruckentlastung
Der WCT-Motor kann für Einsatzbereiche vorgesehen sein, bei denen die Rückführung oder die erneute Verwendung der Abgase aus der Verbrennung hohe Betriebsdrücke verursacht. Außerdem ist sehr gut realisierbar, dass es unter Umständen unbeabsichtigte Betriebssituationen geben kann, bei denen der Betriebsdruck größer wird als der Druck, für den die verwendete Vorrichtung ausgelegt wurde; jede derartige Situation kann zu einem erheblichen Sicherheitsproblem werden. Im Falle einer Brennkraftmaschine mag für die Industrie insofern ein erheblicher Paradigmenwechsel anstehen, als sogar das Auffangen und Rückführen von Abgasen aus dem Verbrennungsmotor in Betracht gezogen werden wird. Die hiermit entdeckte WCT-Technik beinhaltet bei vielen Aspekten der Erfindung mindestens H₂ und/oder N₂ und/oder O₂ und/oder H₂O und/oder jegliche Kombination daraus bei unterschiedlichen Druckwerten. Um einen sicheren Betrieb des WCT-Motors zu gewährleisten, wird in dem Fall, dass an der Maschine eine Betriebsstörung oder ein Betriebsausfall auftritt oder dass die Maschine über dem vorgesehenen Druck arbeitet, eine Druckentlastung bevorzugt. Durch die Druckentlastung kann die Möglichkeit eines Falls von katastrophalem Versagen oder eines Ausfalls vorgebeugt werden. Dabei wird ein Einbau einer oder mehrerer Druckentlastungseinrichtung(en) überall im WCT-Motor in der Form bevorzugt, wie sie auf diesem Gebiet bekannt sind und wie sie normalerweise aufgrund einer Analyse der Fehlerarten und Fehlerwirkungen und/oder eine Analyse in Form eines Fehlerbaums verteilt angeordnet werden. Zu den Beispielen für solche Einrichtungen zählen Druckentlastungsventile, Bruchplatten und Druckentlastungs-Regelschleifen. Ganz besonders wird dabei der Einbau einer Druckentlastungseinrichtung auf der Abströmseite jedes Bereichs des WCT-Motors, in dem ein Druck aufgebaut wird. Insofern wird am stärksten bevorzugt, dass die Druckentlastungseinrichtung(en) unmittelbar abströmseitig hinter jedem Verdichter und in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors eingebaut wird bzw. werden. 2 bis 18 stellen die Anordnung von Druckreglern/Druckentlastungseinrichtungen in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors in angenäherter Form dar. Dagegen zeigt 23 angenäherte Konstruktionen für die Druckentlastung.
WCT-Motor und WCT-Gerät
Es wird nun auf 3 bis 18 verwiesen, in welcher symbolisch ein Verbrennungsmotor (CE) dargestellt ist, der als Kraftstoff H₂ und mindestens O₂ und/oder Luft aufnimmt. Der Verbrennungsmotor kann dabei in jeder Bauart ausgeführt sein, wobei die Verbrennung in der Weise durchgeführt wird, dass mindestens ein mechanisches Drehmoment und/oder Wärme und/oder elektrischer Strom und/oder jede Kombination daraus erzeugt wird. Dabei wird bevorzugt, dass H₂O in die Brennkammer eingeleitet wird, zusammen mit dem Kraftstoff, wobei das H₂O hier als Verbrennungs- H₂O bzw. Verbrennungswasser bezeichnet wird.
H₂, das dem CE zugeführt wird, muss in einer Strömung vorliegen. O₂, das dem CE zugeführt wird, muss in einer Strömung vorliegen. Luft, die dem CE zugeführt wird, muss in Form eines Luftstroms vorliegen. Einrichtungen zum Messen der H₂-Strömung, zum Messen der O₂-Strömung und zum Messen des Luftstroms müssen in der Weise vorgesehen sein, dass ein proportionales Signal, das zu der Strömung in Beziehung steht, jeweils von der H₂-Strömungsmesseinrichtung, der O₂-Strömungsmesseinrichtung und der Luftstrom-Messeinrichtung an die CE-Steuerung (CONT) übermittelt wird. Für das zum CE strömende H₂ müssen dabei ein oder mehrere Strömungsventil(e) vorgesehen sein. Für das zum CE strömende O₂ müssen dabei ein oder mehrere Strömungsventil(e) vorgesehen sein. Der Steuerung (CONT) müssen als Eingangssignale das H₂-Strömungssignal, das O₂-Strömungssignal und das Luftstromsignal zugeführt werden. Die Steuerung muss von der externen Quelle ein Eingangssignal erhalten, welches den Sollwert für die Verbrennung angibt. Die Steuerung soll dann den Sollwert für die Verbrennung mit dem H₂-Strömungssignal vergleichen und dabei an das H₂-Strömungsregelventil ein proportionales Signal übermitteln, das proportional zum Unterschied zwischen dem Sollwert für die Verbrennung und dem H₂-Strömungssignal ist, wodurch das H₂-Strömungsregelventil proportional geschlossen wird. CONT soll auch das O₂-Strömungssignal und das Luftstromsignal mit einem Sollwert für das H₂/O₂-Verhältnis vergleichen und dabei an ein O₂-Strömungsregelventil und ein Luftströmungs-Regelventil ein proportionales Signal liefern, wobei die H₂-Strömung, die O₂-Strömung und der Luftstrom so gehalten sind, dass das molare Verhältnis H₂/O₂ in etwa 2:1 beträgt. In den Fällen, in denen das Signal des O₂-Strömungsregelventils nicht nahe bei etwa 100% liegt, sendet CONT ein Signal aus, um das Luftströmungs-Regelventil zu schließen. In den Fällen, in denen das Signal des O₂-Strömungsregelventils nahe bei etwa 100% liegt, vergleicht die Steuerung (CONT) das O₂-Strömungssignal und das Luftströmungssignal mit dem Sollwert für das Verhältnis H₂/O₂, wodurch man einen Unterschied in der Luftströmung erhält und wobei an das Luftströmungs-Regelventil ein proportionales Signal übermittelt wird, das zu diesem Unterschied proportional ist, wodurch das Luftströmungs-Regelventil proportional geschlossen wird.
Zur Erhaltung der Energie besteht bzw. bestehen vorzugsweise das/die H₂-Strömungsventile(e) aus einem zweistufigen System von Strömungsregelventilen. Das erste H₂-Strömungsregelventil, das auf der Abströmseite des erzeugten H₂ und abströmseitig hinter dem H₂-Speicher angeordnet ist, dient dazu, die H₂-Strömung zum CE zu steuern. Das zweite H₂-Strömungsregelventil (bei Anlagen, bei denen H₂ gebildet wurde) muss von der Leitung für gebildetes H₂ entfernt und in der Strömung in der vom H₂-Speicher weg führenden H₂-Leitung eingebaut werden. Das zweite H₂-Strömungsregelventil muss so lange geschlossen bleiben, bis das erste H₂-Strömungsregelventil nahezu zu etwa 100% geöffnet ist (wodurch eine vollständige Nutzung des erzeugten H₂ vor der Verwendung des gespeicherten H₂ sichergestellt wird), wobei zu diesem Zeitpunkt das zweite H₂-Strömungsregelventil sich zu öffnen beginnt, um H₂ aus dem Speicher zuzuführen.
Zur Erhaltung der Energie besteht bzw. bestehen das bzw. die O₂-Strömungsregelventil(e) aus zwei abgestuften Strömungsregelventilen. Das erste O₂-Strömungsregelventil, das auf der Abströmseite des erzeugten O₂ und abströmseitig hinter dem O₂-Speicher angeordnet ist, dient dazu, die O₂-Strömung zum CE zu steuern. Das zweite O₂-Strömungsregelventil muss von der Leitung für gebildetes O₂ entfernt und in der Strömung in der vom O₂-Speicher weg führenden O₂-Leitung eingebaut werden. Das zweite O₂-Strömungsregelventil muss so lange geschlossen bleiben, bis das erste O₂-Strömungsregelventil nahezu zu etwa 100% geöffnet ist (wodurch eine vollständige Nutzung des erzeugten O₂ vor der Verwendung des gespeicherten O₂ sichergestellt wird), wobei zu diesem Zeitpunkt das zweite O₂-Strömungsregelventil sich zu öffnen beginnt, um O₂ aus dem Speicher zuzuführen.
Dabei wird bevorzugt, dass das Verbrennungs-H₂O zu der bzw. den Brennkammer(n) im CE strömt. Vorzugsweise sorgt eine Kühlmittelquelle für einen Kühlmittelstrom zum Motorblock (CE) und/oder durch diesen hindurch. Eine Temperaturmessvorrichtung ist dabei vorzugsweise mit einer Einrichtung zum Messen der Verbrennungstemperatur und/oder der Temperatur des Motorblocks (CE) in der Nähe der Brennkammer(n) im Motor ausgerüstet. Eine Einrichtung zum Messen der Strömung des Verbrennungswassers und eine Einrichtung zum Messen der Verbrennungstemperatur müssen in der Form vorgesehen sein, dass jeweils von der H₂O-Strömungsmessvorrichtung und der Einrichtung zum Messen der Verbrennungstemperatur an eine Steuerung (CONT) ein proportionales Signal übermittelt wird. Die Steuerung (CONT) muss dabei als Eingangssignal das Strömungssignal für das Verbrennungs-H₂O empfangen, sowie das H₂-Strömungssignal und das Temperatursignal. Vorzugsweise sind in der Steuerung (CONT) ein Sollwert für die heiße Temperatur, ein Sollwert für die Kühlmitteltemperatur, ein Sollwert für die warme Temperatur und ein Sollwert für das Verhältnis H₂/H₂O vorgesehen. Dabei soll CONT vorzugsweise das genannte H₂-Strömungssignal und das Strömungssignal für das Verbrennungs-H₂O mit dem Sollwert für das Verhältnis H₂/H₂O vergleichen, in Verbindung mit einem Vergleich des Temperatursignals mit dem Sollwert für die warme Temperatur und dem Sollwert für die heiße Temperatur, und an das Strömungsregelventil für das Verbrennungs-H₂O und das Kühlmittel-Strömungsregelventil ein proportionales Signal übermitteln.
In dem Fall, in dem das Temperatursignal kleiner als der Sollwert für die warme Temperatur ist, kleiner als der Sollwert für die Kühlmitteltemperatur und kleiner als der Sollwert für die heiße Temperatur ist, übermittelt CONT vorzugsweise an das Kühlmittel-Strömungsregelventil ein Signal, um das Kühlmittel-Strömungsregelventil zu schließen, und übermittelt an das Strömungsregelventil für das Verbrennungswasser ein Signal, um das Strömungsregelventil für das Verbrennungs-H₂O zu schließen.
In dem Fall, in dem das Temperatursignal gleich dem Sollwert für die warme Temperatur oder größer als dieses ist, kleiner als der Sollwert für die Kühlmitteltemperatur und kleiner als der Sollwert für die heiße Temperatur ist, übermittelt CONT vorzugsweise an das Kühlmittel-Strömungsregelventil ein Signal, um das Kühlmittel-Strömungsregelventil zu schließen, und übermittelt an das Strömungsregelventil für das Verbrennungswasser ein Signal, das proportional zu dem Unterschied zwischen dem Signal für die gemessene Temperatur und dem Sollwert für die warme Temperatur ist und wobei das Verhältnis H₂/H₂O größer ist als der Sollwert für das H₂/H₂O-Verhältnis, um das Strömungsregelventil für das Verbrennungs-H₂O proportional einzustellen.
In dem Fall, in dem das Temperatursignal größer als Sollwert für die warme Temperatur, gleich dem Sollwert für die Kühlmitteltemperatur oder größer als dieser und kleiner als der Sollwert für die heiße Temperatur ist, übermittelt CONT vorzugsweise an das Strömungsregelventil für das Verbrennungswasser ein Signal, wobei das Verhältnis H₂/H₂O gleich dem Sollwert für das H₂/H₂O-Verhältnis ist, um das Strömungsregelventil für das Verbrennungswasser proportional zu schließen, und übermittelt an das Kühlmittel-Strömungsregelventil ein Signal, das proportional zu dem Unterschied zwischen dem Temperatursignal und dem Kühlmittel-Sollwert ist, um das Strömungsregelventil für das Kühlmittel proportional einzustellen.
In dem Fall, in dem das Temperatursignal größer als der Sollwert für die warme Temperatur ist, größer als der Sollwert für das Kühlmittel und gleich dem Sollwert für die heiße Temperatur oder größer als dieser ist, übermittelt CONT vorzugsweise an das Strömungsregelventil für das Verbrennungs-H₂O ein Signal, um dieses zu 100% zu öffnen, wodurch man ein H₂/H₂O-Verhältnis erhält, das kleiner als der Sollwert für das H₂/H₂O-Verhältnis ist, und übermittelt an das Strömungsregelventil für Kühlmittel ein Signal, das proportional zu dem Unterschied zwischen dem Temperatursignal und dem Sollwert für das Kühlmittel ist, wodurch das Strömungsregelventil für das Kühlwasser proportional eingestellt wird, und senden an das H₂-Strömungsventil ein Signal, wodurch das H₂-Strömungsventil geschlossen ist; und übermittelt schließlich an das O₂-Strömungsregelventil ein Signal, wodurch das O₂-Strömungsregelventil geschlossen ist, während es an das Luftströmungs-Regelventil ein Signal übermittelt, um das Luftströmungs-Regelventil zu schließen.
Dabei wird am stärksten bevorzugt, dass der WCT-Motor bei einer Temperatur arbeitet, die zwischen dem Sollwert für die warme Temperatur und dem Sollwert für die Kühlmitteltemperatur liegt. Vorzugsweise fließt die Energie nicht über das Kühlmittel aus dem WCT-Motor ab. Am stärksten wird dabei bevorzugt, dass die erforderliche Motorkühlung durch die zusätzliche Zufuhr von Verbrennungs-H₂O zu der bzw. den Brennkammer(n) vorgenommen wird.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der WCT-Motor den Sauerstoff mindestens aus dem O₂-Speicher und/oder der Tieftemperatur-Destillation und/oder der Membran-Aufspaltung und/oder der PSA-Einheit und/oder der Elektrolyse von H₂O und/oder jeder Kombination derselben bezieht. Bei der Tieftemperatur-Destillation soll O₂ zumindest aus der Luft und/oder der Elektrolyse von H₂O bezogen werden. Die Membran-Aufspaltung und/oder der PSA-Prozess soll O₂ vorzugsweise aus der Luft beziehen. Die Tieftemperatur-Destillation und/oder die Membran-Aufspaltung und/oder der PSA-Prozess soll vorzugsweise durch den WCT-Motor betrieben werden. Die O₂-Speicherung soll vorzugsweise bei Tieftemperatur-Temperaturen vorgenommen werden. Die mechanische Energie für die Tieftemperatur-Speicherung wird vorzugsweise vom WCT-Motor erzeugt.
Der WCT-Motor soll vorzugsweise mechanische Energie in Form eines Drehmoments erzeugen. Dabei soll die mechanische Energie vorzugsweise einen Generator in Drehung versetzen, wobei der Generator elektrische Energie erzeugt. Abgas aus dem WCT-Motor soll vorzugsweise eine Dampfturbine antreiben, wobei die Dampfturbine einen Generator in Drehung versetzt, wobei der Generator dann elektrische Energie erzeugt. Dabei wird bevorzugt, dass zumindest ein Teil der elektrischen Energie dazu eingesetzt wird, H₂O in H₂ und O₂ umzuwandeln. Am stärksten wird dabei bevorzugt, dass ein Teil von H₂ und/oder O₂ als Brennstoff bzw. Kraftstoff für den WCT-Motor eingesetzt wird.
Die Werkstoffe für die Herstellung des WCT-Motors und für die Systeme und Vorrichtungen für den Brennstoff- und Energie-Haushalt sollen die auf diesem Gebiet für jeden Einsatzzweck bekannten Werkstoffe sein, so wie dieser Einsatzbereich ansonsten auf diesem Gebiet realisiert wird. Zum Beispiel sind verschiedene Verbundwerkstoffe und Metalllegierungen bekannt und werden als Werkstoffe in Verbindung mit dem Einsatz bei Tieftemperatur-Temperaturen verwendet. Verschiedene Verbundwerkstoffe und Metalllegierungen sind bekannt und werden als Werkstoffe für den Einsatz bei Betriebstemperaturen von mehr als 500°F verwendet. Verschiedene Keramikwerkstoffe können leitfähig sein, bei Betriebstemperaturen von mehr als 2.000°F arbeiten, als Isolierstoff wirken, als Halbleiter fungieren und/oder andere Aufgaben erfüllen. Verschiedene Eisenverbindungen und -legierungen sind wegen ihres Leistungsverhaltens bei Verbrennungsmotoren bekannt, die etwa im Bereich zwischen 200 und 1.500°F arbeiten. Von Tantal und Wolfram ist bekannt, dass sie über 3.000°F gut funktionieren. Vorzugsweise soll zumindest ein Teil des Aufbaus des WCT-Motors eine Legierungs-Zusammensetzung enthalten, bei der zumindest ein Schwermetall der Periode 4 und/oder der Periode 5 und/oder der Periode 6 zum Einsatz kommt, weil auf diesem Gebiet von diesem Metall bzw. diesen Metallen bekannt ist, dass sie einzeln oder in Kombination in einer Legierung die Korrosion einschränken und/oder bei einem Einsatz bei Tieftemperatur-Temperaturen und/oder bei einer Temperatur von 1.000°F gut funktionieren. Aluminium ist zwar ein leichtes Metall und kann bei Einsatz in Konstruktionen mit gutem Ergebnis eingesetzt werden, doch unterliegt Aluminium auch Einschränkungen hinsichtlich der Temperatur in der Anwendung. Wegen der Betriebstemperaturen, die beim WCT-Motor auftreten, werden Thermoplastmaterialien nur dann bevorzugt, wenn bei dem Einsatzzweck die Glasübergangstemperatur und die Erweichungstemperatur des Thermoplastmaterials berücksichtigt werden.
Beispiel 1
Bei einer herkömmlichen, mit Benzin betriebenen Brennkraftmaschine reicht eine Kraftstoffmenge von 1 Galone für eine Fahrdistanz von etwa 20 Meilen aus. Dabei lässt sich für den Motor gemäß 2 folgende Energiebilanz aufstellen: E_F = E_W + E_EX + E_C + E_fric + E_C E_F = ≈20% E_F + ≈35% E_F + ≈35% E_F + 9% E_F + ≈1% E_F E_F = EW + ≈80% E_F an Energieverlusten für Brennkraftmaschine(n) (CE) E_F = 20 mpg + 80% E_F
Und wiederum: E_F = E_W + E_EX + E_C + E_fric + E_C
Wenn folgende Annahmen getroffen werden: 1) vollständige Isolierung des Motors, 2) eine Dampfturbine mit 80% Leistungsfaktor, 2) ein Generator mit Leistungsfaktor 90% und 3) eine Elektrolyseeinheit mit einer Leistung von 80% setzt EX und EC, EWCT zu etwa 30% EF um.
Setzt man die Daten für einen WCT-Motor ein, dann gilt: E_F = E_W + 0,30 E_F + ≈9% E_F + ≈1% E_F E_W (WCT) = 50% E_F
Beispiel 2
Zieht man das CRC Handbook of Chemistry and Physics heran, so beträgt die verfügbare Verbrennungsenergie bei n-Oktan insgesamt etwa 1.300 kcal/Mol; bei 114 lb/lb Mol E_F = 11,4 kcal/lb. (Damit sind endothermische Verluste durch die Bildung von NO_x ausgeschlossen). Außerdem beträgt die Dichte von n-Oktav etwa 6,7 lb/gallon, was zu den folgenden Energiewerten bei n-Oktan für einen durchschnittlichen Personenkraftwagen führt: E_F ≈ 00 mpg = 15 Meilen/lb. = 11,4 kcal/lb; E_W ≈ 20 mpg = 3 Meilen/lb. = 2,3 kcal/lb.
Die Energie, die insgesamt für die Verbrennung von Wasserstoff zur Verfügung steht, beträgt 68 kcal/Mol; bei 2 lb/lb Mol E_F = 34 kcal/lb. Deshalb, bezogen auf die Masse, H₂ = 34/11,4 = dreimal mehr Energie pro lb.
Deshalb ist bei Einsatz des WCT-Motors und bei H₂ und O₂ mit 50%/20% dieser Motor 2,5-mal leistungsfähiger. Setzt man die Energiewerte für den WCT-Motor durch Korrelation für einen durchschnittlichen Personenkraftwagen ein, erhält man folgendes:
Zunächst muss die Verfügbarkeit des Kraftstoffs berechnet werden. H₂ entspricht 100% im zugeführten Zustand. Da die Tieftemperatur-Technik eine Leistungsfähigkeit von mindestens etwa 16% besitzt, wird die Bildung von O₂ mit einem Wirkungsgrad von 16% schätzungsweise angesetzt: 2/3 × 1 + 1/3 × 0,16 ≈ 70%. (Deshalb werden etwa 30% der Energie von H₂ und O₂ zur Erzeugung von O₂ verbraucht.)
(Hinweis: für jedes lb. H₂ ist ½ lb. gebildetes O₂ erforderlich)
Beispiel 3
Laut Chemical Market Reporter hat H₂ derzeit einen Marktpreis von rund $ 0,50/lb. und liegt der Marktpreis von Benzin zurzeit bei etwa $ 1,60 pro Gallone bzw. $ 0,24 pro lb. Setzt man die herkömmliche Technik der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Beförderungszwecken ein, so belaufen sich die Kraftstoffkosten pro Meile auf folgenden Wert: $ 0,24 pro lb./3 Meilen pro lb. = $ 0,08 pro Meile für Benzin
Setzt man den WCT-Motor mit den aktuellen Kosten von H₂ an, belaufen sich die Kraftstoffkosten pro Meile auf folgenden Wert: $ 0,50 pro lb./15 Meilen pro lb. = $ 0,08 pro Meile.
Beispiel 4
Kraftwerke erzeugen derzeit elektrischen Strom unter Einsatz einer Erdgasturbine, der eine Dampfturbine nachgeschaltet ist, wobei die Energie für die Dampferzeugung über einen Kessel vom Abgas der Erdgasturbine übertragen wird. In der Industrie gelten dabei folgende typische Werte:

• Der Wirkungsgrad bei der Verbrennung beträgt etwa 99 Prozent
• Der Wirkungsgrad der Erdgasturbine beträgt etwa 20 Prozent
• Der Wirkungsgrad des Kessels beträgt etwa 85 Prozent
• Der Wirkungsgrad des Dampferzeugers beträgt etwa 90 Prozent

Auf der Grundlage der vorstehenden Angaben beträgt der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung etwa: 0,99 × 0,20 + 0,99 × 0,20 × 0,85 × 0,90 = 35 Prozent.
Bei einer WCT-Anlage mit der in 22A dargestellten Auslegung wären die ungefähren Annahmen hinsichtlich des Wirkungsgrads wie folgt:

• Der Wirkungsgrad bei der Verbrennung liegt bei etwa 99 Prozent
• Der Wirkungsgrad der O₂-Erzeugung (bei Tieftemperatur-Technik gelten 16%) liegt nahe bei 16 Prozent
• Wasserstoff wird abgegeben, wodurch man einen Wirkungsgrad von 100% bei der Abgabe erhält
• Wärmeverlust des Wassers im Abgas (1200°F–212°F ≈ 80%) nahe bei 80 Prozent
• Reibungsverluste nahe bei 12 Prozent

Auf der Grundlage der vorstehenden Angaben beträgt der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung in etwa: 0,99 × (2/3 × 1 + 1/3 × 0,16) × 0,80 × 0,88 = 50 Prozent.
Aufgrund der obigen Daten werden folgende Werte einbezogen:

• ein H₂-Preis von etwa $ 0,50 pro lb.
• ein Erdgaspreis von etwa $ 6,00 pro Tausend Kubikfuß
• ein Energiewert bei Erdgas von etwa 212 kcal/Mol.

Die Kosten für die Stromerzeugung mit einer WCT-Anlage belaufen sich, bezogen auf kcal., auf: $ 0,50/lb. × 0,50/34 kcal/lb. = $ 0,007/kcal.
Die Kosten der Stromerzeugung bei einem herkömmlichen Kraftwerk, das mit Erdgas arbeitet, belaufen sich, bezogen auf kcal., auf:
Zunächst werden Kubikfuß in lbs. bei STP umgerechnet und in kcal/lb. umgerechnet: 1000 Kubikfuß (tcf)/360 Kubikfuß pro lb.Mol = 2,8 lb.Mol 2,8 lb.Mol × 16, lb./lb.Mol = 45 lb. 212 kcal/Mol/16 lb./lb.Mol = 13,25 kcal./lb.
Als nächstes werden die Wirtschaftsdaten geschätzt: ($ 5,00 pro tcf/45 lb. pro tcf) × 0,36/13,25 kcal./lb. = $ 0,010/kcal.
Beispiel 5
Zu Heizzwecken in Wohnräumen wird häufig Erdgas genutzt. Unter Verweisung auf die oben angegebenen Werte belaufen sich die Kosten für die Erdgasheizung bei angenommenen 80% für den Wirkungsgrad in der Wärmeleitung auf: ($ 8,00 pro tcf/45 lb. pro tcf) × 0,8i0/13,25 kcal/lb. = $ 0,011/kcal.
Bei Einsatz der WCT-Technik unter Verwendung von Membranen und Verweisung auf die vorstehenden Angaben: $ 0,50/lb. × (2/3 1 + 1/3 × 0,40) × 0,80/84 kcal./lb. = $ 0,009/kcal.
Vorstehend wurden bestimmte Komponenten beschrieben, die sich aus der vorstehenden Beschreibung ergeben. Da jedoch bestimmte Veränderungen an der vorstehenden Beschreibung vorgenommen werden können, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist vorgesehen, dass alles, was in der vorstehenden Beschreibung aufgeführt ist, nur in rein illustrativem Sinne zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung, ohne jede Einschränkung derselben, zu verstehen ist. Hinsichtlich der vorstehenden Beschreibung ist dabei zu beachten, dass jegliche Beschreibung, Zeichnung und jedes Beispiel als für den Fachmann auf diesem Gebiet sofort verständlich und naheliegend wird und dass alle Äquivalenzbeziehungen zu den in der Beschreibung genannten Einzelheiten als von der Erfindung mit umfasst anzusehen sind.
Da außerdem zahlreiche Modifizierungen und Änderungen für einen Fachmann auf diesem Gebiet leicht erkennbar waren, soll die Erfindung nicht auf den genauen Aufbau und genau die Betriebsweise eingeschränkt werden, wie sie hier dargestellt und beschrieben werden; dementsprechend kann auf alle geeigneten Modifizierungen und Äquivalente zurückgegriffen werden, die in den Rahmen der Erfindung fallen. Ebenso sollen die nachstehenden Ansprüche selbstverständlich alle gattungsmäßigen und speziellen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung sowie alle Angaben zum Umfang der Erfindung umfassen, die aufgrund der sprachlichen Gegebenheiten unter Umständen als dazwischenfallend erklärt werden. Tabelle 1 WCT-Symbole in den Figuren 1 bis 22A
Tabelle 1A WCT-Symbole in den Figuren 1 bis 22A

Claims

Verbrennungssystem, welches ein Brennstoffgemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff umfasst, bei welchem zumindest ein Teil des Sauerstoffs durch die Aufspaltung von Luft gewonnen wird, bei welchem die Luftaufspaltung durch ein Verfahren ausgeführt wird, auswählt aus der Gruppe, die (a) Tieftemperatur-Luftaufspaltung, (b) Luftaufspaltung mit Membranen und (c) PSA-Luftaufspaltung (Pressure Swing Absorption) und Kombinationen dieser Verfahren umfasst, bei welchem zumindest ein Teil der Verbrennungsenergie zumindest einen Teil der Luftaufspaltung bewirkt und bei welchem die Verbrennung in einer Verbrennungskammer erfolgt und die Verbrennungstemperatur zumindest teilweise durch die Zugabe von Wasser in die Verbrennungskammer gesteuert wird.
Verbrennungsmotor mit einer Verbrennungskammer, bei welchem ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff verbrannt wird, bei welchem zumindest ein Teil des Sauerstoffs durch die Aufspaltung von Luft gewonnen wird und bei welchem die Luftaufspaltung durch ein Verfahren ausgeführt wird, auswählt aus der Gruppe: (a) Tieftemperatur-Luftaufspaltung, (b) Luftaufspaltung mit Membranen und (c) PSA-Luftaufspaltung (Pressure Swing Absorption) und Kombinationen dieser Verfahren und bei welchem zumindest ein Teil der Verbrennungsenergie zumindest einen Teil der Luftaufspaltung bewirkt und bei welchem die Verbrennungstemperatur zumindest teilweise durch die Zugabe von Wasser in die Verbrennungskammer gesteuert wird.
Verfahren zur Verbrennung, das die Verwendung eines Brennstoffgemischs aus Sauerstoff und Wasserstoff umfasst, bei welchem zumindest ein Teil des Sauerstoffs durch die Aufspaltung von Luft gewonnen wird und bei welchem die Luftaufspaltung durch ein Verfahren ausgeführt wird, auswählt aus der Gruppe: (a) Tieftemperatur-Luftaufspaltung, (b) Luftaufspaltung mit Membranen und (c) PSA-Luftaufspaltung (Pressure Swing Absorption) und Kombinationen dieser Verfahren und bei welchem zumindest ein Teil der Verbrennungsenergie zumindest einen Teil der Luftaufspaltung bewirkt und bei welchem die Verbrennung in einer Verbrennungskammer erfolgt und die Verbrennungstemperatur zumindest teilweise durch die Zugabe von Wasser in die Verbrennungskammer gesteuert wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der bei der Verbrennung erzeugte Dampf zumindest eine Dampfturbine betreibt und bei welchem die Dampfturbine einen Generator betreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem bei der Verbrennung mechanische Rotationsenergie erzeugt wird und bei welchem die mechanische Rotationsenergie einen Generator betreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem Stickstoff oder Argon im Brennstoffgemisch vorhanden ist.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest ein Teil des bei der Verbrennung erzeugten Dampfes durch die Korrosion von mindestens einem Metall in Wasserstoff umgewandelt wird.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Bildung von Wasserstoff durch elektrischen Strom in dem Metall gesteigert wird.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem zumindest ein Teil des Wasserstoffs als Teil des Brennstoffgemischs eingesetzt wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem ein Generator infolge der Bewegung von Luft oder Wasser umläuft und bei welchem der Generator elektrische Energie erzeugt und bei welchem die elektrische Energie zumindest teilweise bei der Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt wird und bei welchem zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Sauerstoffs als Teil des Brennstoffgemischs eingesetzt wird.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die elektrische Energie zumindest teilweise bei der Elektrolyse von Wasser eingesetzt wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Sauerstoffs als Teil des Brennstoffgemischs eingesetzt werden.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem eine photoelektrische Zelle elektrische Energie erzeugt und bei welchem die elektrische Energie zumindest teilweise bei der Elektrolyse von Wasser eingesetzt wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, und bei welchem zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Sauerstoffs als Teil des Brennstoffgemischs eingesetzt werden.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem Argon während der Luftaufspaltung im Wesentlichen aus dem Sauerstoff entfernt wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem Stickstoff aus der Luftaufspaltung eingesetzt wird zum Kühlen eines Teils von: gespeichertem Sauerstoff, gespeichertem Wasserstoff, einem Elektrolysesystem, der Verbrennung und jeder Kombination davon.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Luftaufspaltung durch Tieftemperatur-Luftaufspaltung ausgeführt und Stickstoff aus der Luftaufspaltung zum Kühlen der Tieftemperatur-Luftaufspaltung eingesetzt wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem Stickstoff aus der Luftaufspaltung zumindest teilweise zum Kühlen von Luft oder Wasser eingesetzt wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest eines davon: ein Korrosionsschutzmittel, ein Chelatbildner, ein Dispergiermittel und jede Kombination davon dem Wasser hinzugefügt wird, das der Verbrennungskammer hinzugefügt wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest Sauerstoff und/oder Wasserstoff in flüssigem Zustand gespeichert und der flüssige Zustand durch Verflüssigung erreicht wird.
System und Motor und Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Verflüssigung durch zumindest einen Kompressor bewirkt wird und der Kompressor betrieben wird durch zumindest eine Brennstoffzelle und/oder der Verbrennung.
System und Motor und Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem der Kompressor betrieben wird durch eine Brennstoffzelle und die Brennstoffzelle durch zumindest Sauerstoff und/oder Wasserstoff betrieben wird.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest Wasserstoff und/oder Sauerstoff und/oder Wasser vor der Verbrennung vorgewärmt wird mit der Energie aus zumindest einem davon: Umgebungstemperatur, der Verbrennung, dem Abgas der Verbrennung, einer elektrischen Strahlungswärmequelle und/oder jeder Kombination aus diesen.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die mechanische Rotationsenergie aus der Verbrennung in ein Getriebe geleitet wird, bei welchem das Getriebe in einer Weise in Eingriff kommt, dass es umgekehrt proportional zum Drehmoment und/oder zu der geleisteten Arbeit aus der Verbrennung, bei welchem die vom Getriebe abgegebene mechanische Rotationsenergie den Generator betreibt, um die elektrische Energie zu erzeugen.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem das Getriebe mit einem Schwungrad in Eingriff kommt, das zur Speicherung der kinetischen Rotationsenergie fähig ist, bei welchem das Schwungrad den Generator betreibt.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem eine Druckkontrolleinheit im Abgasstrom der Verbrennung installiert ist.
System nach Anspruch 1 oder Motor nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Abgasstrom der Verbrennung eingesetzt wird, um ein Gas und/oder eine Flüssigkeit zu erwärmen.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 26, bei welchem der Abgasstrom der Verbrennung eingesetzt wird, um Luft oder Wasser zu erwärmen.
System oder Motor oder Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem der Abgasstrom der Verbrennung direkt in die Luft oder das Wasser abgeführt wird.
System nach Anspruch 1, bei welchem das System isoliert ist
Motor nach Anspruch 2, bei welchem der Motor isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Verbrennungsvorrichtung isoliert ist.