DE102011109824A1 - Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium - Google Patents

Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit unter Druck stehendem, gasförmigen Wasserstoff, wobei das Medium unmittelbar vor der Zuführung in den Fahrzeugtank eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur aufweist. Erfindungsgemäß – wird das Medium (1) ein- oder mehrstufig verdichtet (P), wobei die Temperatur des verdichteten Mediums (2, 3) nach der Verdichtung (P) unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, – wird ein Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt (E, E'), und – werden der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3) in einem Verhältnis vermischt, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Unter dem Begriff ”Fahrzeug” seien nachfolgend alle Arten von Land-, Luft- und Wasser-Fahrzeugen zu verstehen, bei denen eine Betankung mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit Wasserstoff, realisierbar ist. Unter dem Begriff ”Medium” seien nachfolgend u. a. Gase und Gasgemische zu verstehen. Der Begriff ”Fahrzeugtank” umfasse alle Arten von Tanks bzw. Speicherbehälter, die für die Speicherung unter Druck stehender, gasförmiger Medien geeignet sind.
  • Es existieren bereits Wasserstoff-Tankstellen, an denen Betankungen von Fahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff mit Drücken bis zu 700 bar realisiert werden. Bei derartigen Wasserstoff-Tankstellen wird dazu übergegangen, verflüssigten Wasserstoff in einem vorzugsweise mit einer Vakuumsuperisolierung versehenen Speicherbehälter zu speichern. Um den annähernd drucklos gelagerten flüssigen Wasserstoff auf den gewünschten Speicherdruck von bis zu 700 bar verdichten zu können, werden Flüssig- bzw. Kryopumpen vorgesehen. Die Komprimierung des Wasserstoffs mittels derartiger Kryopumpen ist vergleichsweise wirtschaftlich und kostengünstig, da im Falle der Flüssigförderung bzw. -komprimierung lediglich eine geringe Kompressionsarbeit zu leisten ist. Des Weiteren ist eine aufwändige Kühlung des derart verdichteten Wasserstoffstromes nicht mehr erforderlich, da die Temperatur am Ausgang der Kryopumpe mit etwa 50 bis 60 K vergleichsweise niedrig ist.
  • Um eine Überhitzung des Fahrzeugtanks zu vermeiden muss der verdichtete Wasserstoff jedoch (unmittelbar) vor der Zuführung in den Fahrzeugtank auf eine Temperatur von –40°C angewärmt werden. Aufgrund der Fahrzeugtankspezifikationen sind Temperaturen niedriger als –40°C ebenfalls nicht zulässig. Der dem Fahrzeugtank zuzuführende Wasserstoffstrom ist somit auf einem vergleichsweise engen Temperaturbereich von ca. –33 bis –40°C zu konditionieren.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, bei dem das Medium vor der Zuführung in den Fahrzeugtank entsprechend konditioniert wird, ist bspw. in der DE-A 10 2009 019 275 offenbart. Hierbei kommt ein Thermoblock zur Anwendung, der das dem Fahrzeugtank zuzuführende Medium auf eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur erwärmt. In der Praxis wird dieser Thermoblock bspw. als elektrisch beheizter Aluminiumblock mit eingegossener 900 bar-Gasleitung ausgeführt. Alternativ zu einem Thermoblock können Umgebungsluftwärmetauscher verwendet werden.
  • Die vorbeschriebenen Verfahrensweisen haben den Nachteil, dass der Wärmeaustausch mit der geforderten Temperaturgenauigkeit nur durch sehr lange Rohrleitungswendeln erreicht werden kann, da zur gewünschten Endtemperatur im Wärmetauscher nur ein geringer Temperaturunterschied zur Verfügung steht. Dies führt zu erheblichen Kosten für das kostenintensive 900 bar-Rohrmaterial und für dessen Bearbeitung (Rohrbiegen und Schweißen).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine möglichst einfache und kostengünstige Methode zur Konditionierung von verdichtetem Wasserstoff auf die geforderte Fülltemperatur von –33 bis –40°C bei Drücken zwischen 20 und ca. 870 bar ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – das Medium ein- oder mehrstufig verdichtet wird, wobei die Temperatur des verdichteten Mediums nach der Verdichtung unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt,
    • – ein Teilstrom des verdichteten Mediums auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt wird, und
    • – der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums und der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betanken eines Fahrzeuges, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – der anzuwärmende Teilstrom des verdichteten Mediums auf Umgebungstemperatur angewärmt wird,
    • – die Anwärmung des anzuwärmenden Teilstromes des verdichteten Mediums mittels eines elektrischen Wärmetauschers, eines Umgebungsluftwärmetauschers und/oder eines Wärmetauschers, der die Wärme aus der Antriebskühlung der für die Verdichtung verwendeten Maschine(n) und/oder externe Wärmezufuhr nutzt, erfolgt, und/oder
    • – dem angewärmten Teilstrom des verdichteten Mediums aus einer externen Quelle ein identisches oder im Wesentlichen identisches Medium zugeführt wird, wobei der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums, der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums und der aus einer externen Quelle stammende Mediumstrom in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr nach einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung des Mediums eine Aufteilung in zwei Medienströme. Während einer dieser Ströme einer Anwärmung, vorzugsweise bis auf Umgebungstemperatur unterworfen wird, erfährt der zweite Medienstrom keine Anwärmung. Die Verdichtung des Mediums erfolgt im Falle Von Wasserstoff, der wie bereits erwähnt, vorzugsweise in flüssiger Form gespeichert wird, mittels der vorgenannten Flüssig- bzw. Kryopumpen. Nach erfolgter Anwärmung eines der beiden Medienströme werden sie mittels eines geeigneten Regelsystems auf die gewünschte Endtemperatur, die im Falle der derzeit realisierten Wasserstoff-Tankstellen zwischen –33 und –40°C liegt, gemischt. Das Regelsystem kann bspw. aus zwei Regelventilen oder einem kombiniertem Regelventil bestehen.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betanken eines Fahrzeuges liegt insbesondere darin, dass aufgrund des Vermischens des angewärmten und des nicht angewärmten Medienstromes keine aufwändigen Wärmetauschersysteme, die das verdichtete Medium auf eine exakte Endtemperatur anzuwärmen vermögen, erforderlich sind. Durch das Vermischen bzw. das dafür vorzusehende Regelsystem kann aus den beiden unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Medienströme die gewünschte Endtemperatur eingestellt werden. Somit ist jederzeit eine Anpassung an die aktuelle Wärmetauscherleistung und/oder die gewünschte Endtemperatur realisierbar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges eignet sich insbesondere für Wasserstoff-Tankstellen, bei denen eine Flüssig-Wasserstoff-Speicherung realisiert und Flüssig-Wasserstoff-Pumpen bzw. Kaltgaskompressoren als Druckerhöhungsmittel zur Anwendung kommen, da deren Austrittstemperaturen weit unterhalb der üblicherweise vorgegebenen Temperaturintervalle liegen. So beträgt die Austrittstemperatur eines Kaltgaskompressors ca. –100°C, während sie bei einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe ca. –210°C beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die 1 zeigt einen Speicherbehälter S für flüssigen Wasserstoff, der ein Speichervolumen zwischen 10 und 200 m3 besitzt. Derartige Speicherbehälter für verflüssigten Wasserstoff sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Bei einer Verwendung in Wasserstoff-Tankstellen sind sie vorzugsweise unterirdisch und von den zu betankenden Fahrzeugen überfahrbar angeordnet.
  • Über Leitung 1 aus dem Speicherbehälter S abgezogener flüssiger Wasserstoff wird mittels einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe P oder eines Kaltgaskompressors auf den gewünschten Druck verdichtet. Die in der Praxis zur Anwendung kommenden Flüssig-Wasserstoff-Pumpe P sind speziell auf die bei der Betankung von Fahrzeugen vorliegenden Anforderungen ausgerichtet. Sie bieten die Möglichkeit, flüssigen Wasserstoff von ca. 1 bara auf bis zu 900 bar in einem zweistufigen Verdichtungsprozess zu komprimieren. Der verdichtete Wasserstoff weist eine Temperatur auf, die deutlich unterhalb des für die Betankung von Wasserstoff-Fahrzeugen vorgegebenen Temperaturintervalles liegt; dieses reicht, wie erwähnt, von –33 bis –40°C.
  • Der verdichtete Wasserstoff wird nunmehr erfindungsgemäß in zwei Teilströme 2 und 3 aufgeteilt. Während einer dieser Teilströme 3 keine Erwärmung durch ein externes Medium erfährt – nicht vollständig zu verhindern ist selbstverständlich ein Wärmeeinfall in die Medienleitung –, wird der andere Teilstrom 2 einer ein- oder mehrstufigen Anwärmung unterworfen, wobei die Temperatur nach erfolgter Erwärmung oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt. Bei der in der 1 dargestellten Verfahrensführung wird der zweite Wasserstoff-Teilstrom 2 in einem Umgebungsluftwärmetauscher E und einem ggf. vorzusehenden elektrischen Wärmetauscher E' auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
  • Anschließend werden die beiden Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 vermischt und über Leitung 5 dem zu befüllenden Speicherbehälter zugeführt. Erfindungsgemäß werden die beiden Teilströme 3 und 4 in einem Verhältnis vermischt, dass die resultierende Temperatur des Wasserstoff-Stromes in der Leitung 5 innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt. Das hierfür erforderliche Regelsystem besteht aus zwei Regelventilen V1 und V2, die die Massenströme der beiden Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 regeln. Die Regelventile V1 und V2 werden von einer in der 1 nicht dargestellten Steuereinheit, die u. a. die Temperatur des Wasserstoff-Stromes in der Leitung 5 erfasst, angesteuert.
  • Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass anstelle der beiden Regelventile V1 und V2 andere Regelvorrichtungen, wie bspw. ein kombiniertes Regelventil Anwendung finden können. Mittels der Regelventile V1 und V2 kann aus den beiden unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 die gewünschte Endtemperatur des Wasserstoff-Stromes 5 eingestellt werden. Somit ist jederzeit eine Anpassung an die aktuelle Wärmetauscherleistungen der Wärmetauscher E und E' und/oder die gewünschte Endtemperatur realisierbar.
  • Eine Beeinflussung der Temperatur des Wasserstoff-Stromes 5 ist auch durch die Zuführung eines identischen oder im Wesentlichen identischen Mediums über Leitung 6, in der ebenfalls ein Regel- oder Absperrventil V3 angeordnet ist, möglich. Während bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zuführung eines Mediums 6, dessen Zusammensetzung nicht exakt derjenigen des verdichteten Mediums 2 entspricht, denkbar ist, wird im Falle einer Wasserstoff-Tankstelle üblicherweise ausschließlich eine Zuführung von Wasserstoff möglich sein. Dieser Wasserstoff-Strom 6 kann bspw. aus einem Druckspeicher bzw. Boil-off-Gas-Speicher oder einem ggf. vorzusehenden Booster-Speicher, der der Erhöhung des Förderstroms dient, stammen.
  • Es sei nochmals betont, dass das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges nicht nur bei der Betankung von Fahrzeugen mit komprimiertem gasförmigem Wasserstoff zur Anwendung kommen kann, sondern im Prinzip bei allen vergleichbaren Medien.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009019275 A [0005]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit unter Druck stehendem, gasförmigen Wasserstoff, wobei das Medium unmittelbar vor der Zuführung in den Fahrzeugtank eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Medium (1) ein- oder mehrstufig verdichtet wird (P), wobei die Temperatur des verdichteten Mediums (2, 3) nach der Verdichtung (P) unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, – ein Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt wird (E, E'), und – der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3) in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anzuwärmende Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf Umgebungstemperatur angewärmt wird (E, E').
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwärmung (E, E') des anzuwärmenden Teilstromes des verdichteten Mediums (2) mittels eines elektrischen Wärmetauschers, eines Umgebungsluftwärmetauschers und/oder eines Wärmetauschers, der die Wärme aus der Antriebskühlung der für die Verdichtung (P) verwendeten Maschine(n) und/oder externe Wärmezufuhr nutzt, erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem angewärmten Teilstrom des verdichteten Mediums (4) aus einer externen Quelle ein identisches oder im Wesentlichen identisches Medium (6) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3), der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der aus einer externen Quelle stammende Mediumstrom (6) in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Medium Wasserstoff ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrstufige Verdichtung (P) des Wasserstoffs (1) mittels einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe oder eines Kaltgaskompressors erfolgt.
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