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DE10216709B4 - Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft, Land- und/oder Wasserfahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft, Land- und/oder Wasserfahrzeugen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Wassererzeugung, Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommt, unter Verwendung eines kombinierten Prozesses aus Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) der Typen Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder ein im Temperaturspektrum vergleichbarer Typ und Turbine im Temperaturbereich > 500°C, mit einem direkt in die Brennstoffzelle integrierten und mit der Brennstoffzellen-Prozesswärme betriebenen Reformerprozess (2) zur Verwendung von Kohlewasserstoffen als Brennstoff sowie einer Zudosierung von Grau- und/oder Frischwasser (26) und einem mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle betriebenen Wasserpurifikationsprozess (14, 15) sowie einer Wasserverteilung (20, 21, 22) und einer selbst regulierenden Wasseraufsalzungseinheit (17), wobei im internen Reformerprozess zur Brennstoffaufbereitung mit der Prozesswärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) Wasserstoff erzeugt wird, der in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) selbst zur Energie- und Wassererzeugung verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land-, und/oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommen kann.
  • Speziell in Luftfahrzeugen aber auch an Bord von Wasser- oder Landfahrzeugen sowie bei autonomen stationären Einrichtungen lässt sich Wasser z. B. durch den Einsatz von Brennstoffzellen oder einen anderen geeigneten Prozess gewinnen. Das aus Brennstoffzellen oder einem anderen Prozess gewonnene Wasser muss für die Verwendung in WC-Spülungen, als Trinkwasser, Duschwasser, Waschwasser und zur Luftbefeuchtung in Klimaanlagen jeweils unterschiedliche Wasserqualitäten aufweisen:
    • – Trinkwasser muss für den menschlichen Verzehr geeignet sein und den Anforderungen nationaler und/oder internationaler Trinkwasserverordnungen entsprechen.
    • – Duschwasser und Waschwasser muss ebenfalls Trinkwasserqualität gemäss den Anforderungen nationaler und/oder internationaler Trinkwasserverordnungen entsprechen, da dieses Wasser u. U. ebenfalls in den menschlichen Körper gelangen kann.
    • – Wasser zur Luftbefeuchtung in Klimaanlagen muss keimfrei, frei von Fungien und zur Vermeidung von Ablagerungen möglichst entsalzen sein.
    • – Wasser für WC-Spülungen sollte keimfrei und zur Vermeidung von Ablagerungen weitgehend entsalzen sein.
  • In der DE 43 02 319 C2 ist ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwasser in Flugzeugen beschrieben, in dem das Abwasser bekannte Reinigungsstufen und zumindest die folgenden Einheiten wenigstens einmal durchläuft: eine Pumpe, eine mechanische Filterstufe, eine Membrantrennstufe, eine Aktivkohlefilterstufe und eine Desin fektionsstufe. Das Abwasser durchläuft nach der mechanischen Filterstufe als Hauptreinigung zumindest eine Gefrierkonzentrationsstufe und wird danach in die nachfolgende Membrantrennstufe geleitet, vorzugsweise mindestens eine Ultrafiltrationsstufe und/oder mindestens eine Umkehrosmosestufe. Hierbei kann die Gefrierkonzentrationsstufe im wesentlichen aus einem Kristallschichtreaktor, der beispielsweise als ein Rieselfilmreaktor oder als Kristallisationswalze ausgebildet ist, oder aus mindestens einem Kristallsuspensionsreaktor bestehen.
  • Aus der WO 99/35 702 A1 ist ein System zur Erzeugung von elektrischer Energie bekannt, welches aus einer Brennstoffzelle, einer Heizstufe und einem integrierten Energiegenerator besteht. Der Energiegenerator enthält einen Kompressor, einen Stromgenerator und eine Turbine, die alle auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Bei dem Prozess wird sauerstoffhaltiges Gas in dem Kompressor komprimiert, das komprimierte Gas in der Heizstufe erhitzt und zusammen mit einem Brennstoff der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie zugeführt. Der Kompressor dient somit zur Erzeugung von Druckluft zur Benutzung in der Brennstoffzelle. Das von der Brennstoffzelle erzeugte heiße Abgas wird zum Antrieb der Turbine benutzt, welche den Stromgenerator und den Kompressor antreibt. Die Brennstoffzelle und der Stromgenerator zusammen erzeugen elektrischen Gleichstrom, der in einem nachgeordneten Konverter in Wechselstrom umgewandelt wird. Ein Teil der überschüssigen Abgaswärme von dem Turbinenantriebsgas wird zudem für die Vorheizung der in der Brennstoffzelle genutzten Luft verwendet. Es handelt sich um einen kombinierten Energieerzeugungsprozess aus Brennstoffzelle und Turbine.
  • In der EP 967 676 A1 ist ein Düsentriebwerk mit integrierter Brennstoffzelle beschrieben, wobei der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom mittels eines Konverters in einen konventionellen Flugzeug-Wechselstrom umgewandelt wird. Die in der Verbrennungskammer des Düsentriebwerkes angeordnete Brennstoffzelle enthält Festkörpermembranen, die sich zwischen dem äußeren und inneren Gehäuse des Triebwerkes befinden. Für den Fall der Verwendung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen sind zusätzlich zu den Festkörpermembranen Reformer in einer Wand der Verbrennungskammer vorgesehen, um ein Wasserstoff enthaltendes sowie relativ sauerstofffreies Mischgas zu erzeugen. Es ist auch eine Anordnung beschrieben, bei der die Brennstoffzelle mit einem integrierten Reformer ausgestattet ist, um eine wasserstoffreiche Gasversorgung für die Brennstoffzelle zu erreichen.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem unterschiedliche Wasserqualitäten unter bestimmten Voraussetzungen an verschiedenen Stellen eines Aufbereitungsprozesses abgeleitet werden können.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeugen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 28 beschrieben.
  • Das Verfahren beruht auf einem mehrstufigen Wasserherstellungs- und Nachbereitungsprozess mit Wassererzeugung, Wasseraufbereitung, Wasserverteilung und Wasseraufsalzung. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus folgenden Komponenten:
    • – Wasserherstellung Bei einem Wasserherstellungsprozess unter Verwendung von Brennstoffzellen, ist eine absolut keimfreie Wasserqualität dadurch garantiert, dass in den Brenngasen und somit auch im Endprodukt verfahrensbedingt keinerlei Keime enthalten sind. Hierfür wird eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle eingesetzt.
    • – Purifikation Prozess zur Aussonderung von unerwünschten Inhaltsstoffen aus dem Was ser. Hierzu wird ein Verdampferprozess und ein nachgeschalteter Aktivkohle-Filtrationsprozess eingesetzt. Der Verdampferprozess wird mit der Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle betrieben. Die Aktivkohlefilter werden wechselseitig über die Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle regeneriert.
    • – Wasserverteilung Das nach dem Purifikationsprozess zur Verfügung stehende Wasser wird in einem Behälter gepuffert und danach in die Systeme für die Luftbefeuchtung/Klimatisierung, WC-Spülung und Trinkwasser/Duschwasser/Waschwasser verteilt.
    • – Wasseraufsalzung Trinkwasser, Dusch- und Waschwasser werden über eine Zudosierungseinheit mit denen für den menschlichen Gebrauch benötigten Salzen aufbereitet. Ein nachgeschaltetes Messverfahren, welches mit der Zudosierungseinheit rückgekoppelt ist, garantiert zu jedem Zeitpunkt einwandfreie Wasserqualität. Die Zudosierung von Salzen erfolgt automatisch und mengenabhängig.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt die einzige Figur eine Anordnung zur Wassergenerierung mittels Hochtemperatur-Brennstoffzelle als Hilfsaggregat (APU). Bei dieser Anordnung ist die Abwärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in einer oder mehreren Gasturbinen, ggfs. auch in Stirlingmotoren oder in anderen Wärme-Kraftmaschinen nutzbar. Auf diese Weise lässt sich direkt Druckluft erzeugen, welche entweder für die Druckluftbeaufschlagung und Klimatisierung einer Flugzeugkabine oder für den Triebwerksstart eines Flugzeuges zur Verfügung stehen kann. Zusätzlich können Hydraulikpumpen angeschlossen werden, welche die Notversorgung des Hydrauliksystems übernehmen. Hierzu muss für die Brennstoffzellen ein Notfall-Treibstoffvolumen bereit stehen, welches z.B. aus in Flaschen mitgeführtem Methan (Erdgas) bestehen kann. Die erforderlichen Redundanzen erhält man aus der Anzahl der eingesetzten Brennstoffzellensysteme.
  • Die erforderlichen Aufbereitungsprozesse für das Grau- bzw. Schwarzwasser werden in dieser Anordnung über die Abwärme der Brennstoffzelle betrieben. Ein zusätzlicher Vorteil findet sich in der weitgehenden Verwertung von dem in Schwarzwassermengen enthaltenen Wasseranteil und der zusätzlich damit verbundenen Gewichtsreduzierung. Die generierte Wassermenge ist in variablen Mengenanteilen abrufbar und hoch genug für zusätzliche Anwendungen in der Klimaanlage (zum Zwecke der Luftbefeuchtung) und in Duschen (für die Warm- und Kaltwasserbereitstellung). Der Hauptvorteil diese Systems liegt in der deutlich höheren Effizienz der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Gasturbinenprozess und der Unanfälligkeit gegenüber Kohlenmonoxid und Treibstoffqualitäten.

Claims (28)

  1. Verfahren zur Wassererzeugung, Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luft-, Land- und/oder Wasserfahrzeugen, welches vorzugsweise auch in autonomen stationären Einrichtungen zur Anwendung kommt, unter Verwendung eines kombinierten Prozesses aus Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) der Typen Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) oder ein im Temperaturspektrum vergleichbarer Typ und Turbine im Temperaturbereich > 500°C, mit einem direkt in die Brennstoffzelle integrierten und mit der Brennstoffzellen-Prozesswärme betriebenen Reformerprozess (2) zur Verwendung von Kohlewasserstoffen als Brennstoff sowie einer Zudosierung von Grau- und/oder Frischwasser (26) und einem mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle betriebenen Wasserpurifikationsprozess (14, 15) sowie einer Wasserverteilung (20, 21, 22) und einer selbst regulierenden Wasseraufsalzungseinheit (17), wobei im internen Reformerprozess zur Brennstoffaufbereitung mit der Prozesswärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) Wasserstoff erzeugt wird, der in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) selbst zur Energie- und Wassererzeugung verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) ein Kondensationsprozess (6, 7) des Abgases (5) nachgeschaltet wird, der Wasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle auskondensiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stufe des Kondensationsprozesses aus einer Turbine mit einer oder mehreren Turbinenstufen (6) oder aus einer oder mehreren getrennten Turbinen mit beliebiger Anzahl von Turbinenstufen besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stufe des Kondensationsprozesses mit einem mindestens einer Turbine nachgeschalteten Wärmetauscher (7) ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium (27, 28) des Wärmetauschers (7) einer der beiden in der Brennstoffzelle verwendeten Brennstoffe (z. B. Luft 4) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden in der Brennstoffzelle (1) verwendeten Brennstoffe (3, 4) (z. B. Luft 4) durch die Prozesswärme der Brennstoffzelle vorgewärmt wird und/oder flüssig zugeführte Treibstoffanteile verdampft werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung der Brennstoffe in einem Brennstoffzellen-Kühler (11) erfolgt, der die Brennstoffzelle teilweise oder vollständig umschließt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Prozesswärme der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) erzeugte Wasserstoff teilweise abgeleitet wird und z.B. über einen Molekularfilter einem andersartigen Verbraucher (beispielsweise einer Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem internen Reformerprozess (2) Frischwasser zugeführt wird, welches entweder extern zur Verfügung gestellt oder aus dem Brennstoffzellenkondensat entnommen wird.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Turbinenstufen mit einem Druckluftkompressor (8) gekoppelt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftkompressor (8) auch mit einem Motor (9) betrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (9) über eine Kupplung (10) mit dem Druckluftkompressor (8) verbunden wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (3) ebenfalls mit Druck beaufschlagt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Kondensationsprozess (6, 7) anfallende CO2 (13) separat aufgefangen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasserpurifikation ein Verdampfer/Kondensatorprozess (14) eingesetzt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer/ Kondensatorprozess eine Aktivkohlefiltration (15) nachgeschaltet und/oder zwischengeschaltet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass für den Verdampferprozess der Purifikation (14) die Abwärme (29, 30) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kondensationsprozess der Purifikation als Kühlmedium (27, 28) einer der beiden in der Brennstoffzelle verwendeten Brennstoffe (z. B. Luft (4)) verwendet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regenerierung der Aktivkohle-Filter die Abwärme (29, 30) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
  20. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser nach dem Purifikationsprozess keimfrei, fungienfrei und frei von Salzen ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser nach dem Purifikationsprozess in einem Puffertank (16) zwischengespeichert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Wasser in die Systeme für Luftbefeuchtung/Klimatisierung (20), WC-Spülung (22) und Trinkwasser/Duschwasser/Waschwasser (17, 18, 19, 21) verteilt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trinkwasser-, Duschwasser- und Waschwassererzeugung dieses Wasser mit denen für den menschlichen Verzehr notwendigen Salzanteilen angereichert wird (17).
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aufsalzungsprozess (17) eine Messvorrichtung (18) zur Ermittlung der Wasserqualität nachgeschaltet wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzgehalt des Wassers über die Leitfähigkeit des Wassers ermittelt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (18) mit dem Aufsalzungsprozess (17) rückgekoppelt (19) wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsalzungsprozess (17) über die Rückkopplung (18, 19) mengenabhängig und automatisiert wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Wasser nach dem Aufsalzungsprozess die Anforderungen an Trinkwasser gemäß den nationalen und/oder internationalen Trinkwasserverordnungen erfüllt werden.
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