DE102005017221A1 - Druckfester Behälter für kondensiertes Gas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen druckfesten Behälter, insbesondere einen Kryotank, insbesondere zur Speicherung von kondensiertem Gas zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine. Nach der Erfindung besteht ein solcher druckfester Behälter mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, und aus einer Befüll- und einer Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter durchdringenden, in den Innenbehälter mündenden Leitung für das kryogene Medium. Außerdem aus einer Wärmeenergiespeichereinrichtung, die mindestens mit der Leitung für das kryogene Medium in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag über aus der Umgebung in den Innenbehälter führende Leitungen zu minimieren. Der druckfeste Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung eine Förderpumpe zur Förderung des kryogenen Mediums derart umfasst, dass diese als Wärmeträgermittel der Wärmeenergiespeichereinrichtung dient.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen druckfesten Behälter, insbesondere einen Kryotank, insbesondere zur Speicherung von kondensiertem Gas zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 100 52 856 A1 noch auf die DE 37 41 145 C2 verwiesen.
  • In der Zukunft äußerst interessante Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. können auf relativ günstige Weise praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch Wärmeeintrag in den Kraftstoff-Tank praktisch kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff, wobei sich das sog. boil-off-Gas bildet. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist, steigt als Folge hiervon der Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das boil-off-Gas über Abblaseleitungen, in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben. Aus der eingangs genannten DE 100 52 856 A1 ist daneben eine Einrichtung zur Verringerung der boil-off-Gase mittels eines Wärmekontakts zu einem weiteren Speicherraum bekannt, die den Wärmeeinfall in den Behälter mit dem kryogen gespeicherten Kraftstoff verzögert. Ferner ist in der DE 37 41 145 C2 ein Entnahmesystem für Flüssigwasserstoff beschrieben, mit einer außerhalb eines Speichertanks befindlichen Fördereinheit, deren Förderpumpe einen Kühlspeichermantel aufweist, der vom druckseitig aus der Förderpumpe austretenden Wasserstoff gebildet wird.
  • Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden Zustand in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die Energiedichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor.
  • Die unmittelbare Förderung des Wasserstoffs aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt im einfachsten Fall über das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegenden statischen Druckgefälle oder durch eine gezielte Bedruckung des Vorratsbehälters. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern.
  • Darüber hinaus ist bekannt, dass zur Erhöhung der Druckaufbauzeit und zur Reduktion der Abdampfrate die thermisch wirksame Masse innerhalb der isolierten Tankstruktur entlang der Wärmeein- und -ausströmpfade erhöht werden kann. Diese Maßnahme kann auch kombiniert werden z.B. mit einer im isolierten Bereich liegenden Einrichtung zur Luftverflüssigung, entsprechend DE 100 52 856 A1 , die ebenfalls dem Zweck dient, die zur Erwärmung des abströmenden GH2 bis maximal auf Umgebungstemperaturniveau erforderliche Enthalpie zu speichern und als lokale Wärmesenke für in den Tank eindringende Wärmemengen aufzubrauchen.
  • Allgemein bekannt ist, dass die Förderung von Wasserstoff – insbesondere, falls diese Förderung unter gleichzeitiger Druckerhöhung, z.B. zur Erzielung eines für den Betrieb eines H2-Verbraucher vorteilhaft hohen Förderdruckes, erfolgt – dann mit vergleichsweise geringem Leistungsbedarf für den Antrieb der Fördereinrichtung erfolgen kann, wenn H2 in Form von LH2 gefördert wird. Die Antriebsleistung für die Förderung von GH2 ist demgegenüber deutlich erhöht. Allgemein bekannt ist weiterhin, dass z.B. industrielle H2-Fördereinrichtungen von LH2 oder GH2 auf kryogenem Temperaturniveau beim Hochlaufen vom Betriebsstillstand auf einen Förderbetriebszustand eine nicht vernachlässigbare Kaltfahrzeit benötigen, in der die Fördereinrichtung durch das strömende LH2 (oder das kalte GH2) erst auf eine Betriebstemperatur abgekühlt wird, die zum Anfahren der maximalen Förderleistung benötigt wird.
    •
  • Eine Abhilfemaßnahme für die geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Nach der Erfindung besteht ein druckfester Behälter, insbesondere ein Kryotank, zur Speicherung eines kryogenen Mediums zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird und aus einer Befüll- und einer Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter durchdringenden, in den Innenbehälter mündenden Leitung für das kyogene Medium, außerdem aus einer Wärmeenergiespeichereinrichtung, die mindestens mit der Leitung für das kryogene Medium in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag über aus der Umgebung in den Innenbehälter führende Leitungen zu minimieren. Der druckfeste Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung eine Fördereinrichtung zur Förderung des kryogenen Mediums derart umfasst, dass diese als Wärmeträgermittel der Wärmeenergiespeichereinrichtung dient.
  • Neben einer Erhöhung der Druckaufbauzeit und einer der Reduktion Abdampfrate, die jede als Wärmeenergiespeichereinrichtung genutzte externe Masse bewirkt, hat die Nutzung der Fördereinrichtung als externe Masse folgende weitere Vorteile: Die Anfahrzeit und die benötigte Antriebsleistung der Fördereinrichtung werden reduziert, außerdem das Gesamtgewicht, da die Fördereinrichtung als Wärme speichernde Masse genutzt werden kann.
  • Dabei kann als Fördereinrichtung sowohl eine Förderpumpe, als auch ein Verdichter oder Kompressor, eine Fördereinrichtung mittels Hydrid oder ein weiteres, zur Förderung von flüssigem und/oder gasförmigem kryogenem Medium geeignetes Mittel Verwendung finden.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Sicherheitsventil-Entnahmeleitung zum Abblasen von kryogenem Medium in gasförmiger Phase aus dem Innenbehälter, in Wärme übertragendem Kontakt mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung steht. Vorteilhafterweise wird dadurch zum Abkühlen der Wärmeenergiespeichereinrichtung die Enthalpiedifferenz nutzbar, die durch das Abblasen von kryogenem Medium entsteht.
  • Des weiteren kann vorgesehen werden, dass wenigstens eine elektrische Leitung in Wärme übertragendem Kontakt mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung steht. Das hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag über die elektrische Leitung in den Innenbehälter reduziert wird.
  • Wenn die Wärmeenergiespeichereinrichtung an ihrer Außenfläche mit einer Wärmeisolierung versehen und direkt am Außenbehälter angebracht ist, sind für die Reduzierung des Wärmeeintrags optimale konstruktive Bedingungen vorhanden.
  • Alternativ dazu kann die Wärmeenergiespeichereinrichtung auch in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter eingebracht sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung mindestens mit einer zu dem Verbraucher führenden Entnahmeleitung für das kryogene Medium, mit der Sicherheitsventil-Entnahmeleitung zum Abblasen von kryogenem Medium in gasförmiger Phase und mit der elektrischen Leitung zur Füllstandsmessung in Wärme übertragendem Kontakt steht. Des weiteren können vorteilhafterweise alle Wärme in den Innenbehälter einbringenden Leitungen mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung thermisch in Kontakt stehen, außer den gesteuert Wärme in den Tank eintragenden Leitungen, wie zum Beispiel Kühlwasser führende Heizleitungen zum Betrieb eines In-Tank-Wärmetauschers, oder auch in den Tank rückgeführte GH2 transportierende Leitungen, die der Druckhaltung während des Tankbetriebes dienen.
  • Somit werden einzelne oder auch mehrere oder auch alle weiteren Leitungen durch diese Masse geführt und mit ihr thermisch verbunden, die in den Tank hineinführen, mit oben genannter Ausnahme. Dies sind sowohl mindestens zeitweise Wasserstoff führende Leitungen, als auch Elektrokabel oder sonstige Datenleitungen oder Verbindungen, die jeweils für sich oder gemeinsam als Wärmeeinleitungspfad in den Tank hinein wirken.
  • Dabei kann der Wärme übertragende Kontakt zwischen der Wärmeenergiespeichereinrichtung und den Leitungen vorteilhafterweise aus einer berührenden Durchführung der Leitungen durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung bestehen.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Kalthalten von kryogenem Medium in einem Druckbehälter nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeeintrag über zum Innenbehälter führende Leitungen dadurch verringert wird, dass diese in Wärme übertragendem Kontakt durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung geführt und dadurch gekühlt sind, dass kaltes kryogenes Medium, das den Innenbehälter verlässt, ebenfalls in Wärme übertragendem Kontakt durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung geführt ist.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Die beigefügten 1 bis 3 zeigen jeweils einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Behälters zur Speicherung eines kryogenen Mediums mit einer Entnahmeeinrichtung. In sämtlichen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und erfindungswesentlich können sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
  • In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 1 nach einer der 1 bis 3 zur Speicherung von Flüssigwasserstoff LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine. Der Kryotank 1 ist ein länglicher Behälter, bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 4, gelagert über eine nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem Außenbehälter 5, mit dazwischen liegender Isolationsschicht 6.
  • Der Wasserstoff liegt im Kryotank 1 in zwei Aggregatzuständen vor, im oberen Teil als gasförmiger Wasserstoff GH2 und im unteren Teil als kondensiertes Gas LH2 in flüssiger Form. Je ein Entnahmeleitungsabschnitt 2, 3 für Wasserstoff aus der gasförmigen Phase GH2, 2, (gestrichelt gezeichnet) und der flüssigen Phase LH2, 3 ist in den Kryotank 1 eingebaut. Diese versorgen über eine Vorlaufleitung 7 die Brennkraftmaschine mit Wasserstoff. Zwischen die Vorlaufleitung 7 und den Entnahmeleitungabschnitten 2, 3, die in die Entnahmeleitung 8 münden, ist eine Förderpumpe 9 geschaltet, die Wasserstoff H2 von der Entnahmeleitung 8 in die Vorlaufleitung 7 fördert.
  • Bei der Ausführung nach 1 durchdringt die Entnahmeleitung 8 den Innenbehälter 4, die Isolationsschicht 6 und den Außenbehälter 5. Die Förderpumpe 9 ist in einer externen Fördereinrichtung untergebracht, die aus einem Massekörper 10, als Wärmeenergiespeichereinrichtung, besteht in den die Förderpumpe 9 zur Förderung des Wasserstoffs H2 derart integriert ist, dass diese auch als Wärmeträgermittel der Wärmespeichereinrichtung dient. Eine Isolation 11 umgibt den Massekörper 10, der durch nicht gezeichnete Befestigungsmittel am Außenbehälter 5 angebracht ist.
  • Die Wärmespeichereinrichtung mit der Förderpumpe 9 ist um weitere Anbauten zur thermischen Anbindung von weiteren Leitungen ergänzt, und zwar stehen eine Sicherheitsventil-Entnahmeleitung 12 zum Abblasen von gasförmigem Wasserstoff GH2 und eine elektrische Leitung 13 zur Füllstandsmessung in Wärme übertragendem Kontakt mit dem als Wärmeenergiespeichereinrichtung wirkenden Massekörper 10, um unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag über die aus der Umgebung in den Innenbehälter 4 führenden Leitungen zu minimieren.
  • Zusätzlich zu diesen Merkmalen ist in 2 die Wärmeenergiespeichereinrichtung mit der Förderpumpe 9 als wartbare externe Fördereinrichtung ausgebildet, das heißt, zu Wartungszwecken zugänglich am Außenbehälter 5 angeordnet. Dazu sind die Leitungsverläufe und die Thermische Isolation in geeigneter Weise so angeordnet, dass eine reversible Montagesequenz der Fördereinrichtung realisiert wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann in einer ersten Montagesequenz die Fördereinrichtung mindestens an den Trennstellen 14 der durch sie hindurchgeführten Leitungen am Außenbehälter 5 betriebsbereit montiert werden. In einer zweiten Montagesequenz kann eine separate Isolation 11 und eine druckfeste Haube 15, die die Fördereinrichtung umschließt und fest mit dem Außenbehälter 5 des Kryotanks 1 verbunden ist, montiert werden. Weiterhin kann diese Haube 15 anschließend evakuiert werden, um in Verbindung mit einer umlaufenden Wärmeabbaueinrichtung am Außenbehälter 5 des Kryotanks 1 eine der Isolationsschicht 6 grundsätzlich vergleichbare Isolationsgüte zu erzielen. Gleichzeitig wird der Wärmeeintrag im Verbindungsbereich zwischen Haube 15 und Kryotank 1 begrenzt.
  • Die Vorteile sind folgende:
    • • Schaffung der Wartbarkeit einer H2 fördernden Fördereinrichtung im Gegensatz zu einer In-Tank Pumpe
    • • Entfall kostentreibender Anforderungen an die technische Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Fördereinrichtung im Gegensatz. zu einer In-Tank Pumpe
    • • Nutzbarkeit bewährter technischer Lösungen für die Gestaltung der Fördereinrichtung im Gegensatz zu technisch unausgereiften möglichen Ansätzen bei der Gestaltung kryogen betriebener In-Tank-Pumpen, zum Beispiel hinsichtlich Lagerung und Antrieb.
  • 3 zeigt eine in den Zwischenbereich zwischen Innenbehälter 4 und Außenbehälter 5 integrierte, wartbare externe Fördereinrichtung als Wärmeenergiespeichereinrichtung. Dazu wird vorgeschlagen, den Außenbehälter 5 des Kryotanks 1 mit einer reversibel verschließbaren Montage- bzw. Zugangsöffnung zu versehen, die die Funktion der Haube 15 übernimmt, jedoch funktional Bestandteil des Außenbehälters 5 ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein im Bereich der Isolationsschicht 6 des Kryotanks 1 herrschendes Vakuum zu brechen, um den Zugang zur Fördereinrichtung, zum Beispiel zum Zweck einer Wartung der Fördereinrichtung, demontieren zu können. Die Montage- bzw. die Demontagesequenz der Fördereinrichtung kann analog des beschriebenen Ausführungsbeispiels von 2 erfolgen, wobei der Zugangsdeckel 16 im Außenbehälter 5 an die Stelle der Haube 15 tritt. Ein erstes Isolationsvakuum des Kryotanks 1 kann dann nach erfolgter Erstmontage der Fördereinrichtung bei der Herstellung des Kryotanks 1 über einen Evakuierstutzen 17 am Kryotank 1 hergestellt werden. Der Massekörper 10, der unter anderem durch die Förderpumpe 9 gebildet wird, wird damit quasi wieder zu einer in den Wärmehaushalt des Kryotanks 1 integrierten, thermisch wirksamen Masse.
  • Bei dieser Ausführungsform ergeben sich dann zusätzlich noch die weiteren Vorteile:
    • • Weitere Gewichtsreduktion infolge erhöhter Integrationsdichte
    • • Weitere Erhöhung der Druckaufbauzeit, Reduktion der Abdampfrate, Reduktion der Anfahrzeit der Fördereinrichtung und Reduktion der zur H2-Förderung benötigten Antriebsleistung der Fördereinrichtung infolge reduzierter Wärmeeinträge durch den Entfall der Wärmebrücke im Bereich der Befestigung der Haube 15.

Claims (9)

  1. Druckfester Behälter, insbesondere Kryotank (1), zur Speicherung eines kryogenen Mediums zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (4) zur Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (5) gehalten wird und aus einer Befüll- und einer Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter (5) durchdringenden, in den Innenbehälter (4) mündenden Leitung (8) für das kyogene Medium, außerdem aus einer Wärmeenergiespeichereinrichtung, die mindestens mit der Leitung (8) für das kryogene Medium in Wärme übertragendem Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme den Wärmeeintrag über aus der Umgebung in den Innenbehälter (4) führende Leitungen zu minimieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung eine Fördereinrichtung zur Förderung des kryogenen Mediums derart umfasst, dass diese als Wärmeträgermittel der Wärmeenergiespeichereinrichtung dient.
  2. Druckfester Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sicherheitsventil-Entnahmeleitung (12) zum Abblasen von kryogenem Medium in gasförmiger Phase aus dem Innenbehälter (4), in Wärme übertragendem Kontakt mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung steht.
  3. Druckfester Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektrische Leitung in Wärme übertragendem Kontakt mit der Wärmeenergiespeichereinrichtung steht.
  4. Druckfester Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung an ihrer Außenfläche mit einer Wärmeisolierung (11) versehen ist.
  5. Druckfester Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung am Außenbehälter (5) angebracht ist.
  6. Druckfester Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter (4) und Außenbehälter (5) eingebracht ist.
  7. Druckfester Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergiespeichereinrichtung mindestens mit einer zu dem Verbraucher führenden Entnahmeleitung (8) für das kryogene Medium, mit der Sicherheitsventil-Entnahmeleitung (12) zum Abblasen von kryogenem Medium in gasförmiger Phase und mit der elektrischen Leitung zur Füllstandsmessung (13) in Wärme übertragendem Kontakt steht.
  8. Druckfester Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Wärme übertragende Kontakt zwischen der Wärmeenergiespeichereinrichtung und den Leitungen aus einer berührenden Durchführung der Leitungen durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung besteht.
  9. Verfahren zum Kalthalten von kryogenem Medium in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeeintrag über zum Innenbehälter (4) führende Leitungen dadurch verringert wird, dass diese in Wärme übertragendem Kontakt durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung geführt und dadurch gekühlt sind, dass kaltes kryogenes Medium, das den Innenbehälter (4) verlässt, ebenfalls in Wärme übertragendem Kontakt durch die Wärmeenergiespeichereinrichtung geführt ist.
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