DE2407706A1 - Tanksystem fuer gasbetriebene waermekraftmaschinen, insbesondere kraftfahrzeuge - Google Patents

Tanksystem fuer gasbetriebene waermekraftmaschinen, insbesondere kraftfahrzeuge

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DE2407706A1 DE19742407706 DE2407706A DE2407706A1 DE 2407706 A1 DE2407706 A1 DE 2407706A1 DE 19742407706 DE19742407706 DE 19742407706 DE 2407706 A DE2407706 A DE 2407706A DE 2407706 A1 DE2407706 A1 DE 2407706A1
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Description

TANKSYSTEM FUR GASBETRIEBENE WÄRMEKRAFTMASCHINEN, INSBESONDERE KRAFTFAHRZEUGE.
Die Erfindung betrifft ein Speichersystem als Treibstoffvorrat für mit Flüssiggas, z.B. Wasserstoff, betriebene Wärmekraftmaschinen, .insbesondere zur Anwendung in Kraftfahrzeugen.
Es ist bekannt, daß z.B. Wasserstoff als Alternative zu fossilen Treibstoffen steigende Bedeutung gewinnt ( Williams : "The Cleaning of America", Astronautics and Aeronautics, Feb.72; C. Marchetti:"Hydrogen, Master-Key to the Energy-Market", EURO-Spectra, Scientific and Technical Review of the European Communities, Dec. 71.)
Wasserstoff kann z.B. in Gassäcken wenig über Atmosphärendruck, in Gasflaschen unter hohem Druck bei Normaltemperatur, in flüssigem Zustand in sog. Kryobehältern oder aber in chemisch gebundener Form, z.B. Hydriden, gespeichert werden ( R.H. Wiserall, jr. and J.J. Reilly:"Metal Hydrides for Energy Storage").
Die für mobile Anwendungen erforderlichen Speicher unterscheiden sich aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs als Gas, Flüssigkeit oder in Hydriden gebunden, von denen für Benzin oder Rohöl. Da die gespeicherte Energie von möglichst geringem spezifischen Gewicht und Volumen sein soll, können hierfür entweder Druckflaschen, kryogene Behälter oder bei Wasserstoff auch Gefäße mit Hydriden zur Anwendung kommen.
Druckflaschen „(ca. 200 atü) werden sowohl aus Sicherheitsgründen (Behälterexplosion bei Unfällen) als auch aus Gewichtsgründen gegenüber kryogenen Speichergefäßen nur beschränkte Anwen-
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dungsChancen haben; hierzu muß vermerkt werden, daß im Falle der Zerstörung eines Kryogefäßes etwa ausfließender Wasserstoff sofort verdampfen, aufsteigen und bei Entzündung weit über dem Boden verbrennen würde. Eine Expolion wird nicht erfolgen, da in diesem Fall die Bildung eines kritischen Wasserstoff -Sauerstoff gemisches nicht wahrscheinlich ist. Hinsichtlich Behälterzerstörung ist zum Beispiel ausfließendes Benzin oder flüssiges Erdgas gefährlicher, da diese unmittelbar am Boden abbrennen und die Umgebung in Brand setzen wurden. Die alleinige Verwendung von Flüssigwasserstoff in üblichen Kryobehältern hat den Nachteil, daß nicht rechtzeitig genügend Druck zur Förderung des von der Wärmekraftmaschine benötigten Gasdurchsatzes aufgebaut werden kann, wenn diese im Teillastbereich oder intermittierend betrieben werden soll, da der Aufwärmungsvorgang mit zu großer Trägheit behaftet ist.
Die ausschließliche Verwendung von Hydridspeichern als Treibstoffvorrat in Form von Wasserstoff für mobile Anwendungen dürfte trotz gewisser Vorteile wegen des niedrigen Wasserstoffgewichtsanteiles (ca. 1%) nicht von Bedeutung sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Speichersystem für Flüssiggas, insbesondere Wasserstoff für mobile Anwendungen, etwa in Kraftfahrzeugen, zu entwickeln, welches die Vorteile eines Flüssiggasspeichers mit denen der Druckgasspeicher und Hydridspeicher vereint und in dieser Konzeption die jedem Einzelsystem anhaftenden Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein kryogener Hauptspeicher für Flüssiggas unter Normaldruck oder leichtem Überdruck mit einem als Puffer wirkenden Gasspeicher, der unter Überdruck steht, im Verbund betrieben wird.
509836/0385
Der Pufferspeicher ist in der Lage, den wechselnden Bedarf an Wasserstoff einer in Wechsellast betriebenen Wännekraftinaschine zu decken und wird bei zunehmendem Druckabfall über ein automatisches Fördersystem nachgefüllt. Dieser Pufferspeicher kann ein überkritischer kryogener Druckspeicher oder - bei Verwendung von Wasserstoff - ein Hydridspeicher sein.
Bei der Ausführung als überkritischer Speicher wird das Gas in einem druckfesten, kryogen isolierten Tank im Bereich des kritischen Zustandes gespeichert. In diesem Zustand entspricht die Dichte des Gases etwa der der Flüssigkeit. Für Wasserstoff ist dieser kritische Punkt bei 30°K und 12,7 atm. Der Siedepunkt von Flüssigwasserstoff beträgt dagegen 20,4 K. Dies bedeutet, daß man in.einem derartigen kryogenen Druck-Pufferspeicher dieselbe Energiemenge in einem vorgegebenen Volumen und bei höherer Temperatur unterbringen kann, mit dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken, den für Wechsellastbetrieb benötigten Gasdurchsatz unverzüglich bereitzustellen, - eine Forderung, die beispielsweise für Kfz.-Anwendungen unbedingt erfüllt sein muß.
Für Wasserstoff als Energieträger kann ein Hydridspeicher eingesetzt werden, dessen Metallhydridfüllung Wasserstoff in chemisch gebundener Form enthält. Die Wasserstoffabgabe erfolgt durch Wärmezufuhr, zweckmäßigerweise über Abgaswärme. Metallhydride mit entsprechenden Eigenschaften - rasche Aufnahme bzw. Abgabe von gasförmigem Wasserstoff - sind Stand der Technik.
Zur optimalen Auslegung eines Tanksystems für wasserstoffgasbetriebene Wärmekraftmaschinen wird eine Kombination aus Flüssiggasspeicher, kritischem Druck-Pufferspeicher und Hydrid-Pufferspeicher in Betracht kommen.
Entsprechend den derzeitig geltenden Bestimmungen für die Speicherung von Gasen in größeren Mengen, wie dies in einem
509836/0385
erforderlichen Verteilersysteiti (Tankstellen) der Fall sein würde, muß davon ausgegangen werden, daß Fasserstoff, unter sehr geringem Überdruck flüssig gelagert, zum Beispiel an Kraftfahrzeuge abgegeben wird. Insofern ist ein kryogenisolierter Haupttank erforderlich (der bei Druckgasabgabe im kritischen Zustand wegen des gleichgroßen Speichervermögens entfallen könnte).
Die Füllung des Pufferspeichers erfolgt aus dem Flüssiggasspeicher entweder über eine Flüssiggas-Förderpumpe oder über ein automatisch durch Ventile gesteuertes Zuführungssystem, in dessen Aufheizkammer intermittierend zufließendes Flüssiggas verdampft und unter dem entstehenden Druck in den Pufferspeicher geleitet wird. Die erforderliche Wärme kann sowohl der Verlustwärme der Wärmekraftmaschine (Kühlung, heiße Auspuffgase) entnommen werden, als auch von einer Heizvorrichtung geliefert werden, die von den aus dem kryogenencHauptspeicher infolge unvermeidlicher Wärmelecks anfallenden Gas gespeist wird.
Bei Verwendung von Wasserstoff kann ein verhältnismäßig kleiner Hydridspeicher den Anfahrbetrieb übernehmen, bis die Wärmekraftmaschine genügend Abwärme zum Druckaufbau im kritischen Druckgasspeicher und zur Vorwärmung des Gases für den Verbrennungsprozeß liefert. Wird dem Hydridspeicher noch vor dem Abstellen der Wärmekraftmaschine Wasserstoff entnommen, kann er den während des Stillstandes infolge Wärmelecks aus dem Flüssiggas-Hauptspeicher entweichenden Wasserstoff aufnehmen, der sonst zum Beispiel abgefackelt werden müßte.
S09836/03SS

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE :
1. ] TANKSYSTEM FÜR GASBETRIEBENE WÄRMEKRAFTMASCHINEN, INSBE-
SONDERE KRAFTFAHRZEUGE, bestehend aus einem kryogenen
Hauptspeicher für Flüssiggas unter Normaldruck oder leichtem Überdruck und einem als Puffer wirkenden Druckgasspeicher, bezw. Druckgasspeichersystem, dadurch
gekennzeichnet , daß der Hauptspeicher mit Flüssiggas betankt werden kann und der oder die Pufferspeicher vom Hauptspeicher über ein dazwischengeschaltetes Förder- und Verdampfersystem derart mit Druckgas versorgt wird, daß insbesondere wechsellastbetriebene Wärmekraftmaschinen, z.B. Kraftfahrzeugmotoren diesem Pufferspeicher unverzüglich den erforderlichen Gasbedarf entnehmen können.
2. TANKSYSTEM nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher als kryogen gekühlter Druckgas-Speicher im kritischen Bereich des betreffenden Energieträgers (z.B. Wasserstoff ) betrieben wird.
3. TANKSYSTEM nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher als Druckgasspeicher bei Normaltemperatur ausgebildet ist.
k. TANKSYSTEM nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Wasserstoff als Energieträger der
Pufferspeicher ein Metallhydridspeicher ist.
5. TANKSYSTEM nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem besonderen Verwendungszweck angepaßte Kombination aus den Pufferspeichern nach Anspruch 2-4 in optimaler Bemessung der einzelnen Speicher-Fassungsvermögen verwendet wird.
509836/0385
TANKSYSTEM nach Anspruch 1 - 5 > dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hauptspeicher für Flüssiggas und dem jeweiligen Puffersystem ein Förder- und Verdampfersystem geschaltet wird, das die zur Verdampfung benötigte Energie der Abwärme der Wärmekraftmaschine über Wärmetauscher entnimmt und/oder das durch unvermeidbare Wärmelecks im Flüssiggas-Hauptspeicher anfallende Gas geringen Druckes durch Verbrennung zur Gewinnung der Verdampfungswarme ausgenützt wird.
509836/0385
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1630401A1 (de) * 2004-08-24 2006-03-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Mit Wasserstoff betreibbare Brennkraftmaschine sowie Betriebsverfahren hierfür
DE102006025656A1 (de) * 2006-06-01 2007-12-06 Bayerische Motoren Werke Ag Vorrichtung zur Kraftstoffspeicherung und -förderung von kryogenem Kraftstoff
DE102017214960A1 (de) 2017-08-28 2019-02-28 Audi Ag Wasserstoffspeichertank und Verfahren zu dessen Betreiben

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DE102006025656B4 (de) * 2006-06-01 2017-09-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorrichtung zur Kraftstoffspeicherung und -förderung von kryogenem Kraftstoff
DE102017214960A1 (de) 2017-08-28 2019-02-28 Audi Ag Wasserstoffspeichertank und Verfahren zu dessen Betreiben

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