DE10330308A1

DE10330308A1 - Speichersystem für kryogene Medien

Info

Publication number: DE10330308A1
Application number: DE10330308A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Wilfried-Henning Reese; Jaco Reijerkerk
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-02-03
Also published as: DE502004004520D1; ES2290727T3; ATE368822T1; EP1642062B1; EP1642062A1; WO2005003621A1

Abstract

Es wird ein Speichersystem, insbesondere für die Speicherung eines kryogenen Mediums, beschrieben. DOLLAR A Dieses weist erfindungsgemäß DOLLAR A a) einen für die Speicherung eines kryogenen Mediums geeigneten Speicherbehälter (S1), DOLLAR A b) eine Zuleitung (1) in den Speicherbehälter (S1), über die dem Speicherbehälter (S1) das zu speichernde Medium zugeführt wird, DOLLAR A c) eine Flüssigentnahmeleitung (3, 4, 5, 6), über die das Medium einem Verbraucher zugeführt wird, und DOLLAR A d) einen in der Flüssigentnahmeleitung (3, 4, 5, 6) angeordneten Kryokompressor (K), der das dem Verbraucher zuzuführende Medium verdichtet, DOLLAR A auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem, insbesondere für die Speicherung eines kryogenen Mediums.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Speichersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Speichersystem für Fahrzeuge jeder Art.
Im Folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt bzw. verwendet; also z. B. GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff. Des Weiteren werden die Begriffe "CNG" und "LNG" für komprimiertes bzw. verflüssigtes Erdgas verwendet. Unter dem Begriff "kryogene Medien" seien im Folgenden auch komprimiertes sowie verflüssigtes Erdgas zu verstehen.
Insbesondere Wasserstoff und Erdgas gewinnen gegenwärtig durch den steigenden Energiebedarf und das gestiegene Umweltbewusstsein als Energieträger zunehmend an Bedeutung. So werden bereits Lastkraftwagen, Busse, Personenkraftwagen und Lokomotiven mittels mit Erdgas- oder Wasserstoff-betriebenen Motoren sowie mittels Kombinationen aus Brennstoffzelle und Elektromotor angetrieben. Darüber hinaus sind erste Versuche im Gange, Flugzeuge mit den genannten Medien anzutreiben.
Die Speicherung des Wasserstoffs oder Erdgases "an Bord" der oben genannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar müssen der Wasserstoff und LNG dazu auf etwa 25 K bzw. 112 K abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden – was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks realisiert werden kann –, doch ist eine Speicherung in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte von GH₂ und CNG in der Regel in den obengenannten Verkehrsmitteln ungünstiger, da die Speicherung hierbei in großvolumigen und schweren Speicherbehältern bei hohen Drücken erfolgen muss.
Bei der vorbeschriebenen Speicherung von kryogenen Medien stellen sich zwei grundsätzliche Probleme. Das erste Problem betrifft die Form des Speicherbehälters, der aufgrund der geforderten Druckresistenz entweder rund oder zylindrisch geformt sein muss. Der Arbeitsdruck eines Kfz-Speichersystems beträgt beispielsweise 2 bis 3 bar, ist der Speicherbehälter auf wenigstens 5 bis 6 bar auszulegen, so dass – und hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen werden – eine akzeptable Standzeit erreicht werden kann. Die bisher realisierten Bauweisen der Speicherbehälter für kryogene Medien entsprechen jedoch nicht den Anforderungen der Kfz-Industrie, die aufgrund der vorgegebenen Einbaumöglichkeiten insbesondere flachere Speicherbehälter- bzw. Tankformen benötigt bzw. favorisiert.
Das bereits angesprochene, zweite Problem betrifft das Thema Langzeitspeicherung. Selbst dann, wenn der kryogene Speicherbehälter eine sog. Superisolation aufweist, kann nicht verhindert werden, dass ein wenn auch geringer Restwärmestrom in das gespeicherte Medium verbleibt; dieser hat zur Folge, dass es zu einem langsamen Druckanstieg in dem gespeicherten kryogenen Medium und damit in dem Speicherbehälter kommt, also ein Teil des flüssigen Mediums verdampft. Erfolgt über einen längeren Zeitraum keine Entnahme von kryogenem Medium aus dem Speicherbehälter, steigt der Druck fortwährend an, was zur Folge hat, dass bei Erreichen eines bestimmten Druckschwellenwerts – auf den der Speicherbehälter ausgelegt ist – ein Abblasen des im Inneren des Speicherbehälters gebildeten gasförmigen Mediums erforderlich wird. Dieser Teil des kryogenen Mediums ist im Regelfall als Verlust anzusehen.

Aus der DE-PS 100 21 681 ist ein Energiespeichersystem mit zwei miteinander verbundenen Speichern bekannt, wobei der zweite Speicher als Druckspeicher, dem eine Einrichtung zur Druckerhöhung strömungstechnisch vorgeschaltet ist, ausgebildet ist. Kommt es bei diesem Energiespeichersystem zu einem Druckanstieg in dem ersten Speicher über einen voreingestellten Druckschwellenwert, so wird das abzublasende kryogene Medium mittels der Einrichtung zur Druckerhöhung komprimiert und dem zweiten Speicher zugeführt. Sobald der Verbraucher, dem das Energiespeichersystem zugeordnet ist, kryogenes Medium benötigt, wird er entweder aus dem ersten oder zweiten Speicher versorgt. Bei diesem Energiespeichersystem ist der erste Speicher jedoch nach wie vor in Form eines Tieftemperaturspeicherbehälters – also bestehend aus einem Innen- und Außenbehälter sowie dazwischen angeordneter (Super)Isolation – ausgebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Speichersystem, insbesondere für die Speicherung eines kryogenen Mediums anzugeben, das zum einen die Realisierung unterschiedlichster Speicherbehälterformen und zum anderen eine deutlich verbesserte Langzeitspeicherung ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Speichersystem weist

a) einen für die Speicherung eines kryogenen Mediums geeigneten Speicherbehälter,
b) eine Zuleitung in den Speicherbehälter, über die dem Speicherbehälter das zu speichernde Medium zugeführt wird,
c) einer Flüssigentnahmeleitung, über die das Medium einem Verbraucher zugeführt wird, und
d) einen in der Flüssigentnahmeleitung angeordneten Kryokompressor, der das dem Verbraucher zuzuführende Medium verdichtet,

auf.

Im Gegensatz zu den bekannten Speichersystemen ist nunmehr auch eine nahezu drucklose Speicherung des kryogenen Mediums möglich. Somit kann im Prinzip jede beliebige Form für den Speicherbehälter gewählt werden. Eine Verringerung des Speicherdruckes hat zudem den Vorteil, dass die Speichermenge erhöht werden kann, da das zu speichernde Medium bei niedrigerem Druck eine höhere Dichte aufweist.

Mittels des in der Flüssigentnahmeleitung des Speicherbehälters angeordneten Kryokompressors wird das dem Verbraucher zuzuführende Medium auf den für den Verbraucher erforderlichen Druck verdichtet.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speichersystems ist der Kryokompressor für eine Verdichtung auf einen Druck von wenigstens 100 bar, vorzugsweise wenigstens 500 bar ausgelegt.

Bei der Versorgung von modifizierten Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff lassen sich hiermit Betriebsweisen ähnlich dem sog. Common-Rail-Verfahren realisieren.

Wasserstoff wird dabei beispielweise auf 100 bar in eine Leitung mit parallel geschalteten Einlassventilen (Common-Rail) hinein verdichtet. Die Druckerzeugung durch den Kryokompressor und die Kraftstoffeinspritzung sind voneinander getrennt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einpspritzmenge durch den Kryokompressor erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Speichersystems sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.

Das erfindungsgemäße Speichersystem sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Speichersystem, bestehend aus einem ersten Speicherbehälter S1, dem eine Zuführleitung 1, über die ihm das zu speichernde Medium zugeführt wird, zugeordnet ist. Der Speicherbehälter S1 weist ferner eine Abblasleitung 2 auf, in der ein in der Figur nicht dargestelltes Sicherheitsventil angeordnet ist; dieses öffnet bei Erreichen eines voreingestellten Druckschwellenwertes die Leitung 2. Ferner ist im Regelfall eine ebenfalls in der Figur nicht dargestellte Überströmleitung vorgesehen, die dem Sicherheitsventil vorgeschaltet und strömungstechnisch parallel zu diesem angeordnet ist. Diese Überströmleitung ist auf einen niedrigeren Druck als das Sicherheitsventil eingestellt.

Über die Flüssigentnahmeleitung(en) 3, 4, 5 und 6 wird bei geöffneten Ventilen a und b flüssiges Medium aus dem Speicherbehälter S1 entnommen, im Kryokompressor K auf den gewünschten Druck verdichtet und anschließend dem in der Figur nicht dargestellten Verbraucher – beispielsweise einem (modifizierten) Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle – zugeführt.

Ferner ist eine Gasentnahmeleitung 7, 8 bzw. 9 vorgesehen, die strömungstechnisch mit dem Eingang des Kryokompressors K verbunden ist.

Somit kann zusätzlich oder alternativ zu der Entnahme von flüssigem Medium aus dem Speicherbehälter S1 auch gasförmiges Medium entnommen und nach der Verdichtung im Kryokompressor K einem Verbraucher zugeführt werden. Die Entnahme von gasförmigem Medium aus dem Speicherbehälter S1 über die Gasentnahmeleitung(en) 7, 8 bzw. 9 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn entweder der Verbraucher lediglich einen geringen Massenstrom des gespeicherten Mediums benötigt oder es – beispielsweise nach einer längeren Standzeit – bereits zu einen deutlichen Druckanstieg in dem Speicherbehälter S1 gekommen ist.

Neben dem Speicherbehälter S1 ist ein Druckspeicherbehälter S2 vorgesehen, der über die Leitungen 11 und 10, in denen ein Ventil d angeordnet ist, mit der Druckseite des Kryokompressors K verbunden bzw. verbindbar ist. Ferner sind die beiden Speicherbehälter S1 und S2 über die Leitungen 7, 13 und 12 miteinander verbunden bzw. verbindbar.

Diese Druckspeicherbehälter S2 kann beispielsweise durch eine oder mehrere Druckgasflaschen gebildet werden; konventionelle Druckgasflaschen sind heutzutage bis 300 bar ausgelegt. Aber auch Höchstdruck-Verbundbehälter für Drücke bis 1000 bar und mehr eignen sich als Druckspeicherbehälter.

Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Speichersystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn der Kryokompressor K hydraulisch angetrieben wird, da dies neben wirtschaftlichen Vorteilen insbesondere aus Platzgründen von Vorteil ist.

Wird dem Verbraucher – aus welchen Gründen auch immer – kein im Speicherbehälter S1 gespeichertes Medium zugeführt, so kann das im Speicherbehälter S1 aufgrund des unvermeidbaren Wärmeeinfalles gebildete gasförmige Medium über die Gasentnahmeleitung(en) 7, 8 bzw. 9 abgezogen, im Kryokompressor K auf den gewünschten Druck – beispielsweise auf 100 bis 500 bar verdichtet und anschließend über die Leitungen 5, 10 und 11 dem Druckspeicherbehälter S2 zugeführt werden. Das im Speicherbehälter S1 anfallende gasförmige Medium muss somit nicht mehr über die Abblasleitung 2 an die Atmosphäre abgegeben werden, sondern kann in dem Druckspeicherbehälter S2 zwischengespeichert werden.

Zur Realisierung der vorgeschriebenen Verfahrensweise ist der Kryokompressor K vorzugsweise mit einer Druckregelung wirkungsverbunden, welche die Kompression des über die Gasentnahmeleitung(en) 7, 8 bzw. 9 aus dem Speicherbehälter S1 abströmendem Mediums regelt.

Dies bedeutet, dass immer dann, wenn im Speicherbehälter S1 ein bestimmter Druckwert erreicht ist, die Ventile c und d geöffnet werden, so dass gasförmiges Medium dem Kryokompressor K zugeführt, in ihm verdichtet und anschließend im Druckspeicherbehälter S2 zugeführt werden kann.

Der Druckspeicherbehälter S2 kann nunmehr als Reservebehälter dienen, aus dem, wenn dem Verbraucher über einen längeren Zeitraum kein Medium zugeführt wurde und der Speicherbehälter S1 entleert ist, eine Versorgung mit dem benötigten Medium bis zum nächsten Betankungsvorgang erfolgt.

Zudem kann – sofern der Druck im Druckspeicherbehälter S2 ausreichend hoch ist – ein Startbetrieb des Verbrauchers ohne Einschaltung des Kryokompressors K realisiert werden.

Auch kann während der Startphase des Kryokompressors K, solange dieser nicht den erforderlichen Medienmassenstrom aus dem Speicherbehälter S1 bereitstellen kann, der Druckspeicherbehälter S2 zugeschaltet und aus ihm für eine Übergangszeit die benötigte Restmenge abgezogen und dem Verbraucher zugeführt werden.

Auch dann, wenn das erfindungsgemäße Speichersystem nach einer Stillstandszeit wieder in Betrieb genommen werden soll, bietet es gegenüber dem bekannten Stand der Technik Vorteile. Während bisher in den Speicherbehältern Vorrichtungen zur Druckerhöhung vorgesehen sein mussten – hierzu wurden beispielsweise elektrische Heizungen verwendet -, wird nunmehr der Druckspeicherbehälter S2 über die Leitungen 12, 13 und 7 bei geöffnetem Ventil e mit dem Speicherbehälter S1 strömungstechnisch verbunden. Das aus dem Druckspeicherbehälter S2 in den Speicherbehälter S1 strömende verdichtete Medium führt in dem Speicherbehälter S1 zu einer ausreichenden Druckerhöhung, so dass sichergestellt ist, dass der Kryokompressor K im Startbetrieb ausschließlich mit Flüssigkeit versorgt wird.

Darüber hinaus kann der Kryokompressor K jedoch auch während des Startvorganges – neben Flüssigkeit – mit gasförmigem Medium "versorgt" werden.

Das erfindungsgemäße Speichersystem schafft eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem bekannten Stand der Technik, die nachfolgend nochmals stichpunktartig aufgeführt sind:

– Standzeitverlängerung
– erhöhte Speichereffizienz
– niedrigere Speicherdrücke und damit die Möglichkeit, formoptimierte Speicherbehälter zu realisieren
– Reservetank in Form eines Druckspeicherbehälters
– Starbetreb des Kryokompressors und Startbetrieb des Kfz über Druckspeicherbehälter

Das erfindungsgemäße Speichersystem ist für eine Vielzahl unterschiedlichster Medien, insbesondere jedoch für die Speicherung von LH₂, LNG, LN₂, etc. einsetzbar. Neben der bereits beschriebenen Anwendung im Kfz-Bereich ist seine Realisierung in den unterschiedlichsten mobilen sowie nicht-mobilen Anwendungsfällen denkbar.

Claims

Speichersystem, insbesondere für die Speicherung eines kryogenen Mediums, aufweisend a) einen für die Speicherung eines kryogenen Mediums geeigneten Speicherbehälter (S1), b) eine Zuleitung (1) in den Speicherbehälter (S1), über die dem Speicherbehälter (S1) das zu speichernde Medium zugeführt wird, c) einer Flüssigentnahmeleitung (3, 4, 5, 6), über die das Medium einem Verbraucher zugeführt wird, und d) einen in der Flüssigentnahmeleitung (3, 4, 5, 6) angeordneten Kryokompressor (K), der das dem Verbraucher zuzuführende Medium verdichtet.
Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (S1) eine Gasentnahmeleitung (7, 8, 9) ausweist, die strömungstechnisch mit dem Eingang des Kryokompressors (K) verbunden ist.
Speichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichersystem einen Druckspeicherbehälter (S2) aufweist, der mit der Druckseite des Kryokompressors (K) verbunden bzw. verbindbar ist.
Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der der Speicherbehälter (S1) und der Druckspeicherbehälter (S2) miteinander verbunden bzw. verbindbar sind.
Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokompressor (K) hydraulisch angetrieben wird.
Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokompressor (K) mit einer Druckregelung wirkungsverbunden ist, welche die Kompression des über die Gasentnahmeleitung (7, 8, 9) aus dem Speicherbehälter (S1) abströmenden Mediums regelt.
Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokompressor (K) für eine Verdichtung auf einen Druck von wenigstens 100 bar, vorzugsweise wenigstens 500 bar ausgelegt ist.
Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicherbehälter (S2) durch wenigstens eine Druckgasflasche und/oder wenigstens einen Höchstdruck-Verbundbehälter gebildet ist.
Verwendung eines Speichersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Speichersystem für Fahrzeuge jeder Art, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die mit flüssigem Wasserstoff und/oder verflüssigtem Erdgas betrieben werden.