DE102016004684A1

DE102016004684A1 - Kraftstoff für Luft- und Raumfahrtfahrzeuge

Info

Publication number: DE102016004684A1
Application number: DE102016004684.8A
Authority: DE
Inventors: Sarah Gruber; Johannes Hell; Markus Rasch; Markus Stephan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-19
Also published as: WO2017182136A1

Abstract

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

Description

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

Claims

Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers als Kraftstoff für Luftfahrzeuge oder Raumfahrtfahrzeuge.
Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige organische Wasserstoffträger mit Wasserstoff hydriert ist.
Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger organischer Wasserstoffträger Dibenzyltoluol eingesetzt wird.
Verwendung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige organische Wasserstoffträger mit 0,1 bis 20%, insbesondere mit 5 bis 10% und bevorzugt mit 7% Wasserstoff gesättigt wird.