DE102010006153A1

DE102010006153A1 - Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010006153A1
Application number: DE102010006153A
Authority: DE
Inventors: Paul Oxfordshire Beasley; Oliver Dr. 91052 Heid; Timothy Dr. 91056 Hughes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011092297A2; WO2011092297A3; JP2013517986A; US20120301814A1; EP2528818A2; CN102741123A; BR112012018551A2; CA2788424A1; RU2012136844A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11), umfassend – einen Tank (13) für NH3 zur Bereitstellung von NH3, – eine Energiequelle (15, 17, 19, 19', 35, 37), welcher unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie erzeugt, – einem elektrisch angetriebenen Antriebssystem (25, 27), welches für den Antrieb des Luftfahrzeugs (11) sorgt, und – ein Energieverteilungssystem (23), welches die erzeugte elektrische Energie dem Antriebssystem (25, 27) bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, das mit einem elektrischen Antriebssystem ausgestattet ist.
In der Luftfahrt weit verbreitet sind Luftfahrzeuge, deren Triebwerke durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen angetrieben werden.
Darüber hinaus existieren Überlegungen, die Triebwerke eines Flugzeuges oder eines Helikopters mithilfe elektrischer Motoren anzutreiben, vergleiche US 2,462,201 bzw. US 4,955,560 .
Es existieren ebenso Überlegungen, ein Luftfahrzeug mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle auszustatten, vergleiche US 6,568,633 oder US 6,854,688 . Die US 4,709,882 offenbart einen Helikopter mit einer Lithium/Peroxid-Brennstoffzelle.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Luftfahrzeug bereitzustellen, das mit einer alternativen Energiequelle angetrieben wird.
Die Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist elektrisch angetrieben und umfasst:

– einen Tank für NH3 zur Bereitstellung von NH3,
– eine Energiequelle, welche unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie erzeugt,
– ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem, das für den Antrieb des Flugzeuges sorgt, und
– ein Energieverteilungssystem, welches die erzeugte elektrische Energie dem Antriebssystem bereitstellt.

Die Verwendung von Ammoniak als Ausgangsbasis für die Energiequelle, welche die elektrische Energie zum Antrieb bereitstellt, erweist sich als vorteilhaft, da Ammoniak ein leicht zu verflüssigendes Gas ist und damit leicht gespeichert und transportiert werden kann. Der Tank kann beispielsweise unter Druck gesetzt werden und/oder gekühlt werden, um das Ammoniak in flüssiger Form zu lagern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug zusätzlich zumindest ein weiteres elektrisches System aufweisen, das die zu seinem Betrieb notwendige elektrische Energie über das Energieverteilungssystem aus der von der Energiequelle erzeugten elektrischen Energie bezieht.
Das Energieverteilungssystem stellt die elektrische Energie also nicht nur dem Antriebssystem des Flugzeugs bereit, das für den Antrieb bzw. die Propulsion des Flugzeugs sorgt, z. B. den Triebwerken, sondern ebenfalls mindestens einem weiteren elektrischen System, das zwar während eines Flugs verwendet wird, das aber nicht direkt zum Antrieb und zur Propulsion des Flugzeugs beiträgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug zusätzlich eine an das Energieverteilungssystem angeschlossene Speichervorrichtung zur Speicherung überschüssig erzeugter elektrischer Energie umfassen. Dies bedeutet, dass die elektrische Energie, die von der Energiequelle bereitgestellt wird und die nicht durch das elektrisch angetriebene Antriebssystem oder durch weitere elektrische Systeme verbraucht wird, in der Speichervorrichtung gespeichert wird und bei Bedarf während des Betriebs des Luftfahrzeugs wieder in das Energieverteilungssystem und von dort dem Antriebssystem oder einem anderen elektrischen System bereitgestellt werden kann. Eine Steuervorrichtung kann das Zuführen überschüssig erzeugter Energie zur Speichervorrichtung in Phasen steuern, in denen mehr elektrische Energie erzeugt wird als bei dem Betrieb des Flugzeugs benötigt – wie beispielsweise bei Flugphasen –, und das Zuschalten der gespeicherten Energie aus der Speichervorrichtung in Phasen steuern, in denen weniger elektrische Energie erzeugt wird als bei dem Betrieb des Flugzeugs benötigt wird – wie beispielsweise bei Start und Landung.
Die Speichervorrichtung kann z. B. ein Kurzzeitspeicher für elektrische Energie sein. Die Speichervorrichtung kann z. B. eine aufladbare Batterie, einen Kondensator, eine Schwungscheibe oder eine andere Energiespeichervorrichtung umfassen. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein kurzzeitiger Ausfall der elektrischen Energiequelle überbrückt werden.
In einer Ausgestaltung kann die Energiequelle, die unter Verwendung und Umwandlung von NH₃ elektrische Energie erzeugt, ein NH₃-betriebenes Brennstoffzellensystem umfassen. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels, meist Sauerstoff, in elektrische Energie umwandelt.
Dabei kann das NH₃-betriebene Brennstoffzellensystem eine NH₃-Brennstoffzelle umfassen, die unter direkter Verwendung von NH₃ als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. Die typische chemische Reaktion lautet dabei: 4NH₃ + 3O₂ → N₂ + 6H₂O.
Alternativ und/oder zusätzlich kann das NH₃-betriebene Brennstoffzellensystem einen Ammoniakspalter zur Erzeugung von H₂ und eine nachgeschaltete Wasserstoff-Brennstoffzelle umfassen, die unter Verwendung des durch den Ammoniakspalter bereitgestellten H₂ als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. Die typische chemische Reaktion hierfür lautet: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Der Wasserstoff kann z. B. durch thermisches Spalten des Ammoniaks in seine Elemente in einem Reformer erzeugt werden. Die typische chemische Reaktion hierfür lautet: 2NH₃ → N₂ + 3H₂. Bestandteil eines solchen Reformers ist üblicherweise eine mit einem Katalysator (z. B. Platin, Palladium usw.) beschichtete temperaturbeständige Keramik.
In vorteilhafter Weise kann zwischen dem Ammoniakspalter und der Wasserstoff-Brennstoffzelle ein Molekularsieb angeordnet sein, um aus dem der Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführten H₂ Verunreinigungen durch restliches NH₃ zu entfernen.
Den Molekularsieb zwischenzuschalten, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da je nach Reinheit des von dem Ammoniakspalter bereitgestellten Wasserstoffs bzw. Empfindlichkeit der Wasserstoff-Brennstoffzelle gegenüber Verunreinigungen der erzeugte Wasserstoff direkt der Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführt werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Energiequelle eine aus dem NH₃-Tank gespeiste Verbrennungskraftmaschine umfassen und einen durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator. Die Verbrennungskraftmaschine kann eine mit NH₃ als Brennstoff arbeitende Verbrennungskraftmaschine sein. Es ist aber auch denkbar, das aus dem NH₃-Tank gespeiste NH₃ zu zuvor in N₂ und H₂ aufzuspalten und dann dass H₂ als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine zu verwenden. Als Verbrennungskraftmaschine kann z. B. ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine eingesetzt werden.
Es kann in diesem Fall eine Abgasreinigungsvorrichtung vorgesehen sein, welche das durch die Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas von Stickoxiden reinigt, bevor es in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Dadurch kann vermieden werden, dass potenziell umweltschädliche Stickoxide freigesetzt werden.
Eine andere Variante des Antriebs eines Luftfahrzeugs mit elektrischem Antrieb umfasst:

– einen Tank für einen Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis wie z. B. Benzin, Diesel oder Kerosin,
– eine mit diesem Kraftstoff arbeitende Verbrennungskraftmaschine,
– einen durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator, mit dem elektrische Energie erzeugbar ist,
– ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem, welches für den Antrieb des Flugzeuges sorgt, und
– ein Energieverteilungssystem, welches die erzeugte elektrische Energie dem Antriebssystem bereitstellt.

Das Luftfahrzeug kann beispielsweise als Flugzeug oder als Hubschrauber ausgebildet sein.
Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbindlungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines NH₃-betriebenen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren NH3-betriebenen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren NH3-betriebenen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug,
4 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems für ein Luftfahrzeug auf Basis eines Kraftstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis.
1 zeigt ein Luftfahrzeug mit einem NH₃-betriebenen Antriebssystem.
Das Luftfahrzeug 11, z. B. ein Flugzeug oder Hubschrauber, enthält einen Brennstofftank 13, in dem sich flüssiges Ammoniak befindet. Der Brennstofftank 13 kann beispielsweise unter Druck gesetzt und/oder gekühlt werden, um das Ammoniak in flüssigem Zustand zu halten. Das Ammoniak wird anschließend zu einem Wärmeüberträger geführt und von dort zu einem Ammoniakspalter 15. Diese Reformer erzeugt aus dem Ammoniak Wasserstoff und Stickstoff, wobei das Gasgemisch noch geringe Spuren an Verunreinigungen durch Ammoniak enthalten kann. Anschließend wird das Gasgemisch durch einen Molekularsieb 17 geleitet, um Restspuren von Ammoniak zu entfernen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Brennstoffzellen verwendet werden, bei denen Ammoniak zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt.
Der in Gasgemisch enthaltene Wasserstoff wird einer Wasserstoff-Brennstoffzelle 19 zugeführt. Beispiele für derartige Brennstoffzellen sind unter anderem so genannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) oder Protonen-Keramik-Brennstoffzellen (Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC), ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Über eine Luftzufuhr 21 kann der Brennstoffzelle 19 Luft zugeführt werden, beispielsweise über ein Gebläse. Wahlweise kann die Luft vor dem Zuführen zur Brennstoffzelle 19 gereinigt werden. Beispielsweise kann das in der Luft enthaltene Kohlendioxid vor Zuführung der Luft zur Brennstoffzelle 19 entfernt werden, falls der Typ der Brennstoffzelle 19 sonst durch Kohlendioxid in seiner Funktionsweise beeinträchtigt würde.
Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle 19. Die Brennstoffzelle 19 produziert Elektrizität und Abgase, wobei in den Abgasen Rest-Wasserstoff enthalten sein kann. Der in den Abgasen enthaltene Wasserstoff kann in einem Kreislauf wieder gewonnen und der Brennstoffzelle 19 erneut zugeführt werden.
Die Elektrizität wird einem intelligenten Energieverteilungssystem 23 zugeführt, von wo aus die elektrische Energie verwendet wird, um Systeme im Flugzeug mit elektrischer Energie zu versorgen.
Das Antriebssystem des Flugzeuges, das für die Propulsion sorgt, kann einen oder mehrere Elektromotoren 25 umfassen, die mit Triebwerken 27 verbunden sind, und so Propeller oder ähnliche Antriebe in Bewegung versetzen.
Die elektrische Energie kann auch dazu verwendet werden, um andere elektrische Systeme wie beispielsweise Stellantriebe 29 oder andere im Flugzeug verwendete Systeme 31 mit elektrischer Energie zu versorgen.
Überschüssige elektrische Energie kann in geeigneten Speichermedien wie beispielsweise Batterien, Kapazitäten, Schwungrädern usw. kurzzeitig gespeichert werden und bei Bedarf aus dem Energiespeicher 33 dem System wieder zugeführt werden. Insgesamt erlaubt ein derartiges Antriebssystem einen CO2-freien Antrieb des Luftfahrzeugs 11.
In einer anderen in 2 gezeigten Ausgestaltung ist Brennstoffzelle 19' derart ausgebildet, dass sie als Brennstoff direkt das Ammoniak verwenden kann. Beispiele für derartige Brennstoffzellen sind Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) oder Protonen-Keramik-Brennstoffzellen (Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), Mitteltemperatur-Ammoniak-Brennstoffzellen (Intermediate Temperature Direct Ammonia Fuel Cells, IT-DAFC), ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
In einer anderen Ausgestaltung, gezeigt in 3, wird keine Brennstoffzelle verwendet. An dessen Stelle findet sich eine mit Ammoniak betriebene Verbrennungskraftmaschine 35. Diese Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise ein Motor sein, der nach dem Diesel-Zyklus arbeitet, ein so genannter HCCI-Motor (für engl: ”homogenous charge compression ignition”, homogene Kompressionszündung) oder Ähnliches oder aber auch eine Gasturbine. Die Verbrennungskraftmaschine 35 treibt einen elektrischen Generator 37 an, mit dem elektrische Energie erzeugt wird. Die Generatoren können mit supraleitenden Magneten ausgestattet sein.
Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 35 enthalten Stickstoff, Wasser sowie Stickoxide. Die Stickoxide werden bevorzugterweise in einer Reinigungsstufe 39 durch eine Reaktion mit Ammoniak mithilfe eines Zeolithen als Katalysator in Stickstoff umgewandelt, z. B. nach den Reaktionsgleichungen 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O und 6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O.
Das für die Reaktion notwendige Ammoniak kann aus dem Brennstofftank 13 bereitgestellt werden.
4 zeigt ein Luftfahrzeug 11, das ähnlich zu dem in 3 gezeigten Flugzeug aufgebaut ist. Es unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Flugzeug darin, dass als Kraftstoff für die Verbrennungskraftmaschine 35', mit der der elektrische Generator 37 angetrieben und die elektrische Energie erzeugt wird, nun statt Ammoniak ein Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis, wie beispielsweise Diesel, Kerosin oder Benzin angetrieben wird, der in einem Tank 13' gelagert ist.
Bezugszeichenliste

11: Luftfahrzeug
13: Ammoniaktank
13': Kohlenwasserstofftank
15: Ammoniakspalter
17: Molekularsieb
19: Wasserstoff-Brennstoffzelle
19': Ammoniak-Brennstoffzelle
21: Luftzufuhr
23: Energieverteilung
25: Elektromotor
27: Triebwerk
29: Stellantrieb
31: weiteres elektrisches System
33: Energiespeicher
35, 35': Verbrennungskraftmaschine
37: elektrische Generator
39: Abgasreinigung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2462201 [0003]
US 4955560 [0003]
US 6568633 [0004]
US 6854688 [0004]
US 4709882 [0004]

Claims

Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11), umfassend – einen Tank (13) für NH₃ zur Bereitstellung von NH₃, – eine Energiequelle (15, 17, 19, 19', 35, 37), welcher unter Verwendung und Umwandlung von NH₃ elektrische Energie erzeugt, – ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem (25, 27), welches für den Antrieb des Luftfahrzeugs (11) sorgt, und – ein Energieverteilungssystem (23), welches die erzeugte elektrische Energie dem Antriebssystem (25, 27) bereitstellt.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 1, wobei das Luftfahrzeug (11) zusätzlich zumindest ein weiteres elektrisches System (29, 31) aufweist, das die zu seinem Betreib notwendige elektrische Energie über das Energieverteilungssystem (23) aus der von der Energiequelle (15, 17, 19, 35, 37) erzeugten elektrischen Energie bezieht.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftfahrzeug (11) zusätzlich eine an das Energieverteilungssystem (23) angeschlossene Speichervorrichtung (33) zur Speicherung überschüssig erzeugter elektrischer Energie umfasst.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle, die unter Verwendung und Umwandlung von NH₃ elektrische Energie erzeugt, eine NH₃-betriebenes Brennstoffzellensystem (19, 19') ist.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das NH₃-betriebene Brennstoffzellensystem eine NH₃-Brennstoffzelle (19') umfasst, die unter direkter Verwendung von NH₃ als Brennstoff elektrische Energie erzeugt.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das NH₃-betriebene Brennstoffzellensystem einen Ammoniakspalter (15) zur Erzeugung von H₂ und N₂ und eine nachgeschaltete Wasserstoff-Brennstoffzelle (19) umfasst, die Verwendung von H₂ als Brennstoff elektrische Energie erzeugt.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen dem Ammoniakspalter (15) und der Wasserstoff-Brennstoffzelle (19) ein Molekularsieb (17) angeordnet ist, um aus dem der Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführten H₂ Verunreinigungen durch restliches NH₃ zu entfernen.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle eine aus dem NH₃-Tank gespeiste Verbrennungskraftmaschine (35) umfasst und einen durch die Verbrennungskraftmaschine (35) angetriebenen elektrischen Generator (37) umfasst.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Abgasreinigungsvorrichtung (39) vorgesehen ist, welche das durch die Verbrennungskraftmaschine (35) erzeugte Abgas von Stickoxiden reinigt, bevor das Abgas in die Atmosphäre ausgestoßen wird.
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftfahrzeug (11) als Flugzeug oder als Hubschrauber ausgebildet ist.