DE10330308A1 - Storage system for cryogenic media - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Speichersystem, insbesondere für die Speicherung eines kryogenen Mediums.The The invention relates to a storage system, in particular for storage a cryogenic medium.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Speichersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Speichersystem für Fahrzeuge jeder Art.The The invention further relates to the use of a storage system according to one of the preceding claims as a storage system for Vehicles of every kind.
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.In the following, the letters "G" for "gaseous" and "L" for "liquid" or "liquid" are prefixed or used in the designations of special cryogenic media according to their state of aggregation; So z. B. GH 2 or LH 2 for gaseous or liquid hydrogen. Furthermore, the terms "CNG" and "LNG" are used for compressed and liquefied natural gas, respectively. The term "cryogenic media" is to be understood below also compressed and liquefied natural gas.
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.Especially Hydrogen and natural gas are currently gaining as a result of rising energy demand and the increased environmental awareness as an energy source increasingly in importance. So are already trucks, buses, cars and Locomotives by means of natural gas or hydrogen powered engines as well as combinations of fuel cell and electric motor driven. About that In addition, first attempts are under way to aircraft with the above To drive media.
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.The storage of hydrogen or natural gas "on board" the above-mentioned means of transport is most useful in liquid form. Although the hydrogen and LNG must be cooled to about 25 K and 112 K and held at this temperature - which can only be realized by appropriate insulation measures on the storage tanks or tanks -, but is a storage in the gaseous state due to the low Density of GH 2 and CNG usually in the above means of transport unfavorable, since the storage must be done here in large-volume and heavy storage containers at high pressures.
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.at the above-described storage of cryogenic media are two fundamental problems. The first problem concerns the shape of the storage container, the due to the required pressure resistance either round or cylindrical must be shaped. The working pressure of a motor vehicle storage system is, for example 2 to 3 bar, is the storage tank be interpreted to at least 5 to 6 bar, so that - and this will be in the following discussed in more detail become - one acceptable service life can be achieved. The previously realized Construction of the storage tank for cryogenic media However, they do not meet the requirements of the automotive industry due to the given installation options in particular flatter storage container or Tank forms needed or favored.
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.The The second problem already mentioned concerns the topic of long-term storage. Even if the cryogenic storage container is a so-called super-insulation can not prevent that one though lower Residual heat flow in the stored medium remains; this has the consequence that it to a slow pressure rise in the stored cryogenic medium and thus in the storage container comes, so part of the liquid Medium evaporates. Done over a longer one Period no removal of cryogenic medium from the storage tank, increases the pressure is ongoing , which means that when a certain pressure threshold value is reached - on the the storage tank is designed - one Blowing off the gaseous medium formed in the interior of the storage container is required. This part of the cryogenic medium is usually to be regarded as a loss.
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.Out DE-PS 100 21 681 is an energy storage system with two together connected memories, wherein the second memory as an accumulator, the upstream of a device for increasing the pressure fluidic is, is educated. Is it possible with this energy storage system? a pressure increase in the first memory via a preset Pressure threshold value, so the abzublasende cryogenic medium by means of the device for increasing the pressure compressed and supplied to the second memory. Once the consumer, the the energy storage system is assigned cryogenic medium needed is he either powered from the first or second memory. In this energy storage system However, the first memory is still in the form of a cryogenic storage tank - ie consisting of an inner and outer container as well interposed (super) insulation - formed.
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.task The present invention is a memory system, in particular for the Specify storage of a cryogenic medium, which on the one hand the Realization of different types of storage containers and on the other a significantly improved long-term storage allows.
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,
- a) one for the storage of a cryogenic Me suitable storage tank,
- b) a supply line into the storage container, via which the storage medium to be stored is supplied to the storage container,
- c) a liquid receiving line, via which the medium is supplied to a consumer, and
- d) a cryocooler arranged in the liquid receiving line, which compresses the medium to be supplied to the consumer,
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.in the Contrary to the known storage systems is now also a almost pressureless storage of the cryogenic medium possible. Consequently In principle, any desired shape for the storage container can be selected. A reduction of the accumulator pressure also has the advantage that the amount of storage increases can be because the medium to be stored at lower pressure a higher density having.
Mittels des in der Flüssigentnahmeleitung des Speicherbehälters angeordneten Kryokompressors wird das dem Verbraucher zuzuführende Medium auf den für den Verbraucher erforderlichen Druck verdichtet.through in the liquid handling line of the storage container arranged cryocompressor is the medium to be supplied to the consumer on the for the pressure required by the consumer.
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.Corresponding an advantageous embodiment of the storage system according to the invention is the cryocompressor for a compression to a pressure of at least 100 bar, preferably designed at least 500 bar.
Bei der Versorgung von modifizierten Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff lassen sich hiermit Betriebsweisen ähnlich dem sog. Common-Rail-Verfahren realisieren.at the supply of modified internal combustion engines with hydrogen can be hereby modes similar to the so-called. Common Rail method realize.
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.hydrogen In this case, for example, at 100 bar in a line with parallel switched inlet valves (common rail) into compressed. The Pressure generation by the cryocooler and the fuel injection are separated from each other. The injection pressure is independent of the engine speed and the injection quantity by the cryocompressor generated.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Speichersystems sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.Further advantageous embodiments of the storage system according to the invention are objects of dependent Claims.
Das erfindungsgemäße Speichersystem sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Inventive storage system as well as further embodiments thereof are described below of the embodiments shown in the figure explained in more detail.
Die
Figur zeigt ein Speichersystem, bestehend aus einem ersten Speicherbehälter S1,
dem eine Zuführleitung
Über die
Flüssigentnahmeleitung(en)
Ferner
ist eine Gasentnahmeleitung
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)
Neben
dem Speicherbehälter
S1 ist ein Druckspeicherbehälter
S2 vorgesehen, der über
die Leitungen
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.These Pressure storage tank S2, for example, by one or more gas cylinders be formed; Conventional gas cylinders are nowadays designed to 300 bar. But also high-pressure composite containers for pressures up to 1000 bar and more are suitable as accumulator tanks.
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.In particular, when the storage system according to the invention is used in a motor vehicle, it is advantageous if the cryocooler K is hydraulically driven, as this in addition to economic advantages in particular from space is advantageous.
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)
Zur
Realisierung der vorgeschriebenen Verfahrensweise ist der Kryokompressor
K vorzugsweise mit einer Druckregelung wirkungsverbunden, welche
die Kompression des über
die Gasentnahmeleitung(en)
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.This means that whenever in the storage tank S1 a certain pressure value is achieved, the valves c and d are opened so that gaseous medium supplied to the cryocooler K, condensed in it and then in the accumulator tank S2 supplied can be.
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.Of the Pressure storage tank S2 can now be used as a reserve tank serve, from which, if the consumer over a longer period no medium supplied and the storage tank S1 is drained, a supply of the required medium until the next refueling operation he follows.
Zudem kann – sofern der Druck im Druckspeicherbehälter S2 ausreichend hoch ist – ein Startbetrieb des Verbrauchers ohne Einschaltung des Kryokompressors K realisiert werden.moreover can - if the pressure in the accumulator tank S2 is sufficiently high - one Starting operation of the consumer without the use of the cryocompressor K be realized.
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.Also can while the startup phase of the cryocooler K, as long as this is not the required Can provide mass media flow from the storage tank S1, the accumulator tank S2 switched on and out of it for a transitional period needed Residual amount deducted and supplied to the consumer.
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
Darüber hinaus kann der Kryokompressor K jedoch auch während des Startvorganges – neben Flüssigkeit – mit gasförmigem Medium "versorgt" werden.Furthermore However, the cryocooler K can also be "supplied" during the starting process - in addition to liquid - with gaseous medium.
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
- - life extension
- - increased storage efficiency
- - Lower storage pressures and thus the ability to realize shape-optimized storage container
- - Reserved tank in the form of an accumulator tank
- - Starbetreb of the cryocooler and starting operation of the car via accumulator tank
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.The storage system according to the invention can be used for a large number of different media, but in particular for the storage of LH 2 , LNG, LN 2 , etc. In addition to the application already described in the automotive sector, its implementation in a variety of mobile and non-mobile applications is conceivable.
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