DE102009002578A1

DE102009002578A1 - Tank mit thermisch isoliertem Verdampfer nebst Verfahren

Info

Publication number: DE102009002578A1
Application number: DE102009002578A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl.-Ing. Beyer; Benedikt Dipl.-Ing. Theumert
Original assignee: TGE Marine Gas Engineering GmbH
Current assignee: TGE Marine Gas Engineering GmbH
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Verdampfen von Flüssiggas. Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, den erforderlichen Aufwand zu reduzieren, um zusätzlich zu einem Boil-Off-Gas das für den Betrieb eines Verbrauchers ergänzend benötigte Gas bereitzustellen. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Tank für flüssiges Gas bereitgestellt. Im Tank befindet sich im Unterschied zum Stand der Technik ein thermisch isolierter Verdampfer, in den im Tank befindliches flüssiges Gas hineinfließen kann. Der Tank umfasst ein Gasleitungssystem, um Gas aus dem Verdampfer zu einem Verbraucher leiten zu können. In der Regel gibt es ein weiteres Gasleitungssystem, um im Tank entstehendes Boil-Off-Gas ebenfalls einem Verbraucher zuführen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Verdampfen von in einem Tank gelagerten Flüssiggas.
Es ist bekannt, ein Gas zu verflüssigen, um dieses lagern und transportieren zu können. Regelmäßig muss hierfür ein Gas stark abgekühlt werden, um dieses zu verflüssigen. So wird beispielsweise Erdgas auf eine Temperatur von –161 bis –164°C gebracht, um Erdgas in flüssiger Form, also LNG thermisch isoliert lagern und transportieren zu können. Gas wird allerdings nicht nur für Transportzwecke zweckmäßiger Weise verflüssigt. So ist auch bekannt, verflüssigtes Gas in einem Tank zu lagern, um damit einen Verbraucher antreiben zu können. Der Tank kann also ein Tank eines Fahrzeugs sein, um so einen Brennstoff für den Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen. Gas auch dann in flüssiger Form zu lagern, reduziert vorteilhaft das für die Lagerung benötigte Volumen. Außerdem wird dadurch eine Explosionsgefahr reduziert. So kann beispielsweise LNG kaum gezündet werden.
Da verflüssigtes Gas kaum gezündet werden kann, muss dieses allerdings regelmäßig erst wieder verdampft werden, um den Brennstoff nutzen zu können. Tiefgekühltes Gas verdampft zwar unausweichlich bereits aufgrund von sehr viel höheren Umgebungstemperaturen, da eine thermische Isolierung eines Tanks einen Wärmeaustausch nicht vollständig zu verhindern vermag. Das so entstehende Gas wird Boil-Off-Gas genannt. Wird Gas allerdings in verdampfter Form benötigt, so reicht das in einem Tank entstehende Boil-Off-Gas grundsätzlich nicht aus, um den Gasbedarf eines angeschlossenen Verbrauchers zu decken. Es ist daher dann erforderlich, zusätzlich Wärme bereitzustellen, um verflüssigtes Gas zu verdampfen und den Gasbedarf so zu decken.
Das Problem, mehr Gas zu benötigen, als durch Boil-Off-Gas bereitgestellt werden kann, tritt beispielsweise bei einem Tanker auf, der LNG, also verflüssigtes Erdgas transportiert und zugleich Erdgas für den Antrieb der eigenen Schiffsmotoren oder -turbinen verwendet. Dieses Problem tritt auch bei Schiffen, Landfahrzeugen oder Flugzeugen auf, die flüssiges Gas wie LNG lediglich als Kraftstoff für den eigenen Antrieb benötigen und daher einen thermisch isolierten Tank mit darin gelagertem flüssigen Gas mit sich führen. Es wird daher einem Tank (meist ergänzend zum Boil-Off-Gas) flüssiges Gas entnommen, außerhalb des Tanks beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers verdampft und das so erhaltene Gas dem Antriebsaggregat zugeführt.
Wird ein Schiff wie zum Beispiel ein Tanker oder aber ein anderes Fahrzeug mit einer Turbine betrieben, so sind die Qualitätsanforderungen an das Gas relativ gering. Werden allerdings Motoren – insbesondere Viertaktmotoren – eingesetzt, so ist auf die Klopffestigkeit des Brennstoffs zu achten. Dies Wird im Fall von LNG durch Mischen des Boil-Off-Gases mit dem Gas, welches durch zusätzliches Verdampfen von Flüssiggas in einem Verdampfer erhalten wurde, erreicht.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 042 158 A1 ist eine Gasversorgungsanlage für einen mit gasförmigem Treibstoff betriebenen Verbrennungsmotor bekannt. Die Gasversorgungsanlage umfasst ein erstes Gasleitungssystem, um Boil-Off-Gas aus einem Ladungstank mit darin gelagertem LNG zu einem Verbrennungsmotor zu fördern. Ein zweites Gasleitungssystem dient der Entnahme von LNG aus dem Ladungstank für den Fall, dass die Menge des Boil-Off-Gases für den Antrieb nicht ausreicht. Das LNG wird über das zweite Gasleitungssystem einer Verdampfungseinrichtung zugeführt. Das aus der Verdampfungseinrichtung austretende Gas wird mit Boil-Off-Gas gemischt. Das Gemisch wird zum Verbrennungsmotor weiter geleitet, um diesen anzutreiben.
Aus Sicherheitsgründen wird bei einer solchen Gasversorgungsanlage LNG mittels einer Pumpe nach oben aus dem Tank herausgepumpt und so dem Wärmetauscher zugeführt. Zwar kann eine solche Pumpe bzw. Pumpleistung eingespart werden, indem LNG im Bedarfsfall nach unten in ein Gasleitungssystem nebst Verdampfer abfließt. Allerdings wäre dies mit einem zu hohen Risiko verbunden, da im Fall eines Lecks der gesamte Inhalt aus dem Tank abfließen könnte. Ein üblicherweise verwendeter Schiffstahl darf nämlich keinen Temperaturen unterhalb von –10°C ausgesetzt werden. Ein Schiff könnte also durch auslaufendes LNG schwerwiegend beschädigt werden, so dass derartige Risiken nicht in Kauf genommen werden können. Ähnliche Probleme treten natürlich auch bei anderen Fahr- oder Flugzeugen auf, die einen Tank mit flüssigem, tiefgekühlten Gas für den Antrieb eines Verbrauchers umfassen.
Ist ein Tank in einem Schiffsrumpf, einem Flugzeugrumpf oder am Boden eines Kraftfahrzeugs untergebracht, so steht außerdem in einigen Fällen nach unten kein Platz mehr zur Verfügung, um hier ein Gasleitungssystem nebst Verdampfer unterzubringen, um so Pumpleistung einsparen zu können. Dies gilt in der Regel für sehr große Tanks, die dem Transport von LNG dienen.
Aus den Druckschriften DE 10 2007 008 723 sowie EP 1 348 620 B1 geht ebenfalls hervor, aus einem LNG-Tank ergänzend zum Boil-Off-Gas bei Bedarf LNG nach oben zu entnehmen und einem Verdampfer zuzuführen, um so insgesamt eine hinreichende Gasmenge für einen Verbraucher bereitstellen zu können. Vergleichbar damit befasst sich die Druckschrift US 7,484,371 B2 mit einem Verdampfer, um einen LNG-Tanker mit Erdgas antreiben zu können. Auch aus der US 7,497,180 B2 ist bekannt, einem Tank einerseits Boil-Off-Gas zu entnehmen und ergänzend flüssiges Gas mit einer im Tank befindlichen Pumpe herauszupumpen, um eine ausreichende Gasversorgung sicherzustellen.
Es ist ferner bekannt, Restmengen von flüssigem Gas, die nicht mehr oder zumindest kaum noch aus einem Tank herausgepumpt werden können, durch Zufuhr von Wärme in den Tank oder aber unmittelbar in das flüssige Gas hinein vollständig zu verdampfen, um so einen Tank rasch vollständig entleeren zu können. Dieses Verfahren ist allerdings ungeeignet, um so eine hinreichende Gasversorgung für einen Verbraucher sicherzustellen, da zunächst das in einem Tank befindliche flüssige Gas insgesamt erwärmt wird und nicht lediglich eine gewünschte Teilmenge, die für den Betrieb eines Verbrauchers benötigt wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, den erforderlichen Aufwand zu reduzieren, um zusätzlich zum Boil-Off-Gas das für den Betrieb eines Verbrauchers benötigte Gas bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Tank für flüssiges Gas bereitgestellt. Im Tank befindet sich im Unterschied zum Stand der Technik ein thermisch isolierter Verdampfer, in den im Tank befindliches flüssiges Gas hineinfließen kann. Der Tank umfasst ein Gasleitungssystem, um Gas aus dem Verdampfer zu einem Verbraucher leiten zu können. In der Regel gibt es ein weiteres Gasleitungssystem, um im Tank entstehendes Boil-Off-Gas ebenfalls einem Verbraucher zuführen zu können.
Zunächst einmal registriert ein Fachmann einen Mehraufwand im Vergleich zum Stand der Technik. Denn im Unterschied zum Stand der Technik muss der Verdampfer nach außen thermisch isoliert werden. Andernfalls könnte nicht ein vorgesehener Teil des im Tank befindlichen flüssigen Gases ohne großen Energieaufwand schnell genug und getrennt vom übrigen flüssigen Gas erwärmt und verdampft werden. Außerdem würde bei Fehlen einer thermischen Isolation auch das darüber hinaus im Tank befindliche flüssige Gas unerwünscht erwärmt, was seine Lagerfähigkeit gefährden würde. Ein Fachmann registriert außerdem, dass nun das im Tank zu lagernde flüssige Gas wie LNG auch noch unerwünscht und damit nachteilhaft durch die thermische Isolierung hindurch erwärmt wird, wenn dem Verdampfer Wärme zugeführt oder im Verdampfer Wärme erzeugt wird.
Überraschend wurde jedoch festgestellt, dass der zu betreibende Mehraufwand durch Einspareffekte mehr als kompensiert wird. Es muss nämlich keine Leistung bereitgestellt werden, um flüssiges Gas aus dem Tank zu pumpen. Zunächst einmal genügt der durch das Verdampfen entstehende Dampfdruck, damit das Gas schließlich aus dem Tank entweicht. Zwar wird es regelmäßig erforderlich sein, zumindest ein Gebläse, meist aber einen Verdichter einzusetzen, um das durch Verdampfen im Verdampfer entstandene Gas gesteuert zum Verbraucher transportieren zu können. Zwar wäre es dann energetisch günstiger, flüssiges Gas mit einer Pumpe zu transportieren anstatt Gas mit einem Gebläse oder einem Verdichter. Allerdings muss im Fall des Transports von flüssigem Gas zwingend eine Pumpe eingesetzt werden, deren Pumpkörper sich im flüssigen Gas befindet, da eine siedende Flüssigkeit zu pumpen ist. Wenigstens der Pumpkörper muss daher aus relativ teuren Materialien bestehen, die den sehr tiefen Temperaturen sowie großen Temperaturunterschieden gewachsen sind. Wird ein Gebläse oder ein Verdichter eingesetzt, so kann das Gebläse bzw. der Verdichter außerhalb des Tanks installiert werden. Da außerhalb des Tanks die Möglichkeit besteht, dass im Verdampfer verdampfte Gas weiter zu erwärmen, muss das Gebläse bzw. der Verdichter keinen tiefen Temperaturen sowie großen Temperaturunterschieden gewachsen sein. Es ist daher möglich, ein relativ preiswertes Gebläse oder einen relativ preiswerten Verdichter einzusetzen, so dass bereits deshalb die Anschaffungskosten im Vergleich zu einer geeigneten Pumpe gering sind.
In der Regel ist es ohnehin erforderlich, wenigstens ein Gebläse vorzusehen, um Boil-Off-Gas gesteuert dem Tank entnehmen zu können. In diesem Fall kann dieses ohnehin vorhandene Gebläse zugleich dazu genutzt werden, um das im Verdampfer verdampfte Gas entnehmen und weiterleiten zu können. Es muss dann also nicht als Ersatz für die ansonsten benötigte Pumpe für das Pumpen von flüssigem Gas ein zusätzliches Gebläse vorgesehen werden.
Ein Gebläse reicht allerdings grundsätzlich nicht aus, da Verbraucher regelmäßig mit verdichtetem Gas versorgt werden müssen. Beim Stand der Technik muss dann zwingend neben der Pumpe ein Verdichter eingesetzt werden, um flüssiges Gas aus dem Tank zu pumpen, anschließend zu verdampfen und schließlich mit einem Verdichter zu verdichten. Erfindungsgemäß genügt dann der im Tank installierte Verdampfer nebst Verdichter, mit dem das im Verdampfer verdampfte Gas zum Verbraucher gesteuert mit der gewünschten Geschwindigkeit, der gewünschten Gasmenge und/oder dem gewünschten Druck gefördert wird.
Vor allem im Fall eines Tankers gibt es in der Regel mehrere Tanks, in denen flüssiges Gas wie LNG gelagert wird. Soll flüssiges Gas aus mehreren Tanks zu einem Verbraucher gefördert bzw. gepumpt werden, so muss für jeden Tank eine eigene Pumpe eingesetzt werden. Erfindungsgemäß muss zwar nun in jedem Tank ein eigener Verdampfer eingesetzt werden, der aber im Vergleich zur Pumpe preiswert und wenig störanfällig ist. Es genügt dann, nur ein Gebläse oder nur einen Verdichter einzusetzen, um mit diesem aus sämtlichen Tanks das in den Verdampfern verdampfte Gas zum Verbraucher gesteuert, mit der gewünschten Geschwindigkeit und/oder mit dem gewünschten Druck zu fördern bzw. vereinfacht ausgedrückt zu pumpen.
Um die Vorrichtung ausfallsicher zu gestalten, wird erfindungsgemäß lediglich ein Gebläse bzw. lediglich ein Verdichter zusätzlich ersatzweise bereitgestellt, um ein für den Gastransport verwendetes Gebläse bzw. verwendeten Verdichter im Fall eines Defekts sofort austauschen zu können. Soll eine vergleichbare Ausfallsicherheit beim Stand der Technik erreicht werden, so müssen pro Tank zwei Pumpen installiert werden. Die Investitionskosten würden sich im Vergleich zur erfindungsgemäßen Lösung entsprechend vervielfachen.
Durch die vorliegende Erfindung lassen sich aus den genannten Gründen erhebliche Investitionskosten einsparen. Muss ohnehin ein Verdichter für das Verdichten von Gas eingesetzt werden, um so einen Verbraucher betreiben zu können, so sind selbst die für den Betrieb jeweils aufzuwendenden Energiekosten ähnlich hoch. Wartungskosten sind bei der erfindungsgemäßen Lösung im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik jedoch grundsätzlich geringer.
Mit einer thermischen Isolierung des Verdampfers ist gemeint, dass diese bewirkt, das ein im Verdampfer befindlicher Teil des flüssigen Gases getrennt vom übrigen Tankinhalt erwärmt und verdampft wird. Flüssiges Gas außerhalb der thermischen Isolierung wird also im Vergleich dazu so gut wie überhaupt nicht erwärmt, so dass die vorgesehene Lagerfähigkeit des flüssigen Gases außerhalb der thermischen Isolierung des Verdampfers so gut wie nicht beeinträchtigt wird.
Eine thermische Isolierung wird insbesondere aus Perlit, Mineralwolle, Steinwolle, Polyurethanschaum, Polystyrenschaum, Nanogel, Holzlaminate, Balsaholz und/oder Sperrholz oder durch eine Vakuumisolierung gebildet. Mit diesen Materialien wird insbesondere der Verdampfer thermisch isoliert werden. Die Materialien können aber auch für die thermische Isolierung des Tanks eingesetzt werden, um so flüssiges, tiefgekühltes Gas geeignet lange lagern zu können.
Eine thermische Isolierung des Verdampfers muss nicht besonders dick sein, da der Dampf im Tank nicht überhitzt werden muss. Folglich kann das Temperaturgefälle klein gehalten werden und damit die Dicke einer thermischen Isolierschicht. Eine 50 mm bis 100 mm dicke Isolierschicht genügt in der Regel. Da jedenfalls das Temperaturgefälle nicht hoch sein muss und auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht hoch sein sollte, ist der Tank nach außen thermisch besser zu isolieren, als dies für den Verdampfer erforderlich ist. Die Dicke der Isolierschicht für den Tank ist daher grundsätzlich dicker als die Isolierschicht für den Verdampfer.
Beim bekannten Stand der Technik wird in der Regel eine Pumpe für das Pumpen von flüssigem Gas aus dem Tank heraus eingesetzt und ein Gebläse oder Verdichter für das Pumpen von Boil-Off-Gas. Eine zusätzliche Pumpe verursacht zusätzliche Kosten. Außerdem befindet sich die Pumpe für das Pumpen von LNG in der Regel im Tank. Eine solche Pumpe setzt dann einen gewissen Mindestfüllstand voraus, um funktionieren zu können. Andernfalls läuft eine solche Pumpe trocken und kann dann beschädigt werden, da kein Schmier- und Kühlmittel mehr zur Verfügung steht. Zwar können auch bei der Erfindung zwei verschiedene Gebläse oder Verdichter für das Pumpen von Boil-Off-Gas und für das Pumpen von im Verdampfer erzeugtem Gas eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung jedoch nur ein Gebläse bzw. nur einen Verdichter, die sowohl für das Pumpen von Boil-Off-Gas als auch für das Pumpen des im Verdampfer erzeugten Gases verwendet wird, da in der Regel kein Bedarf für ein zweites Gebläse bzw. einen zweiten Verdichter besteht.
Dass erfindungsgemäß lediglich ein Gebläse oder Verdichter außerhalb des Tanks und keine Pumpe im Tank für flüssiges Gas wie LNG eingesetzt wird, ist außerdem mit dem Vorteil verbunden, dass eine Pumpe nicht infolge eines zu niedrigen Füllstands im Tank beschädigt werden kann. Außerhalb des Tanks eingesetzte Gebläse oder Verdichter für Gas müssen vorteilhaft nicht den tiefen Temperaturen ausgesetzt werden, die in einem Tank mit tiefgekühltem Gas auftreten. Bei der Herstellung solcher Gebläse oder Verdichter müssen daher keine teuren Materialien eingesetzt werden, die den in einem Tank herrschenden Temperaturen gewachsen sind. Neben der Temperaturbeständigkeit der Materialien einer solchen Pumpe ist das thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Materialien aufeinander abzustimmen, da eine solche Pumpe von Raumtemperatur auf sehr tiefe Temperaturen gebracht wird. Bautoleranzen sind daher sehr kritisch. Viele Materialpaarungen, die im Normaltemperaturbereich üblich sind, können bei einer solchen Pumpe nicht eingesetzt werden. Außerdem ist das Gebläse oder der Verdichter jederzeit frei zugänglich, was die Wartung erleichtert und damit verbilligt. Eine Wartung kann außerdem jederzeit durchgeführt werden und ist nicht davon abhängig, ob der Tank zum gewünschten Zeitpunkt zugänglich ist. Ein (elektrischer) Verdampfer im Tank ist praktisch wartungsfrei, so dass sich also insgesamt erhebliche Vorteile in Bezug auf Wartung ergeben.
Sämtliche Gasleitungssysteme des Tanks führen bevorzugt nach oben aus dem Tank heraus, um die eingangs genannten Risiken, die mit dem Auftreten eines Lecks einhergehen können, zu minimieren.
Ein Tank im Sinne der vorliegenden Erfindung kann zwar auch ein Membrantank sein. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um einen druckfesten Tank, dessen beispielsweise aus Stahl bestehenden Wände und dessen Boden 10 mm und mehr und zwar insbesondere 20 bis 30 mm dick sind. Ein druckfester Tank ist zu bevorzugen, da ein höheres Druckniveau eine Gasabsaugung erleichtert.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Mindestdesigndruck eines Tanks aus vorgenannten Gründen vorteilhaft wenigstens 3 bar g.
Ein Membrantank ist ein in der Tanker-Schifffahrt eingesetzter Ladetanktyp zum Transport von Flüssiggasen. Ein Membrantank umfasst eine dünne, innere Hülle bzw. Membran, die beispielsweise aus einem 0,5 bis 1,5 mm dicken Invar-, Nickel- oder Edelstahlblech besteht. Über eine Isolierschicht stützt sich ein solcher Tank auf tragenden Schiffsverbänden ab. Um die Blechmembran herum ist regelmäßig eine zweite Barriere aus beispielsweise Aluminium oder Invar angebracht, die im Falle einer Undichtigkeit das austretende Flüssiggas über eine definierte Zeitspanne aufhalten soll. Die Tankisolation kann aus Perlit, Steinwolle, Polyurethanschaum, Balsaholz und/oder Sperrholz bestehen. Die Isolation soll einerseits die Erwärmung des Flüssiggases verhindern und andererseits den nicht kältebeständigen Schiffsbaustahl vor Sprödbruch schützen. Der Designdruck eines Membrantanks ist auf maximal 0,7 bar g begrenzt.
Ein Tank im Sinne der Erfindung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine oder mehrere Pumpen, die unter der Bezeichnung Cargopumpen bekannt sind. Eine Cargopumpe dient dem Entleeren des Tanks. Die Fördermenge einer Cargopumpe ist in der Regel so ausgelegt, dass der Tankinhalt innerhalb von 10 bis 12 Stunden entleert werden kann. Beispielsweise fasst die Ladung eines LNG-Tankers 150.000 cbm, die auf mehrere, so zum Beispiel insgesamt vier Tanks aufgeteilt ist Eine Cargopumpe ist dann üblicherweise so ausgewählt, dass diese zwischen 1.400 und 1.850 cbm pro Stunde zu pumpen vermag (Nenn-Förderleistung). Die Zahl der Cargopumpen pro Tank wird dann so ausgewählt, dass innerhalb des gewünschten Zeitraums von üblicherweise 12 Stunden ein Tank vollständig entleert werden kann. Die minimale Förderleistung einer solchen Pumpe liegt üblicherweise bei 30% der Nenn-Förderleistung.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Tank wenigstens eine Spray-Pumpe, mit der die Tankwände nebst Boden besprüht werden können, um Wände und den Boden eines Tanks ladebereit kalt halten zu können. Die Spray-Pumpe ist so auszulegen, dass die erforderliche Menge an flüssigem Gas bereitgestellt werden kann, um die Wände und den Boden eines Tanks zwecks Vermeidung von Beschädigungen geeignet kühl halten zu können. Die Nenn-Förderleistung einer solchen Spraypumpe liegt typischerweise in der Größenordnung 50 cbm pro Stunde.
Darüber hinaus kann der Tank noch mit einer sogenannten Stripping-Pumpe ausgerüstet sein, mit der Restmengen entleert werden können. Eine Stripping-Pumpe ist jedoch in der Regel nicht vorhanden, da die Funktion der Stripping-Pumpe in der Regel von der Spraypumpe übernommen werden kann.
Um den Tank geeignet temperieren zu können, können im vorliegenden Fall anstelle von ein oder mehreren Spraypumpen vorteilhaft bereits vorhandene Cargo-Pumpen verwendet werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn das Tankvolumen relativ klein ist und beispielsweise lediglich 1.000 bis 10.000 cbm, vorzugsweise bis 5.000 cbm beträgt. Es ist bei diesen kleinen Volumina auch leicht möglich, den Tank druckfest auszuführen.
Bei kleinen Volumina von 1.000 bis 5.000 oder aber auch bis 10.000 cbm sind die Kosten für einen Membrantank größer als die Kosten für einen druckfesten Tank. Vor allem bei den genannten kleinen Tankvolumina sind daher druckfeste Tanks auch aus Kostengründen zu bevorzugen. Die Angaben zum Volumen beziehen sich auf solche Tanks, die dem Transport von flüssigem Gas dienen. Dient ein Tank lediglich der Versorgung eines Verbrauchers mit Kraftstoff (z. B. Tank eines Flugzeuges oder Kraftfahrzeuges für den Antrieb), so ist das Tankvolumen regelmäßig sehr viel kleiner.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird statt einer relativ teuren Tauchmotorpumpe (auch unter der Bezeichnung „Submerged-Motor-Pumpe” bekannt) für das Pumpen von flüssigem Gas eine vergleichsweise preiswerte Tauchpumpe eingesetzt, die unter der Bezeichnung Deep-Well-Pumpe bekannt ist. Bei dieser kommerziell erhältlichen Tauchpumpe liegt der Antrieb vorteilhaft außerhalb des Tanks. Diese Ausführungsform ist möglich, wenn ein Tankvolumen relativ klein ist und insbesondere weniger als 10.000 cbm beträgt. Die erfindungsgemäß zu bevorzugende kleine Bauweise eines Tanks ermöglicht also weitere vorteilhafte Nebeneffekte. Eine geeignete Tauchmotorpumpe ist vor allem deshalb teuer, weil sichergestellt werden muss, dass die Materialien der Pumpe den sehr tiefen Temperaturen gewachsen sind.
Eine Deep-Well-Pumpe wird insbesondere zum Entleeren und/oder zum Temperieren des Tanks eingesetzt. Im Tank befindet sich dann nur der Pumpenkörper, der über eine hinreichend lange Welle von außen (außerhalb des Tanks) angetrieben wird.
Der im Tank befindliche, thermisch isolierte Verdampfer kann elektrisch betrieben werden. Es befinden sich dann elektrische Heizmittel im Tank. Es kann allerdings auch ein Verdampfer eingesetzt werden, der von außen mit einem Wärmetauschermedium gespeist wird. Das Wärmetauschermedium kann dann von außen beheizt werden, beispielsweise elektrisch, durch Verbrennung, durch Seewasser oder aber durch Abwärme des Verbrauchers, also insbesondere durch Abwärme, die ein Schiffsantrieb (Motor oder Turbine) erzeugt und/oder aber durch Wärme, die dem verdichteten und so erhitzten Gas entzogen wird.
Propan ist ein geeignetes Medium, um einen als Verdampfer eingesetzten Wärmetauscher mit Wärme zu versorgen. Wichtig ist, das Wärmetauschermedium so auszuwählen, dass dieses sich einerseits nicht sofort aufgrund der herrschenden Temperaturen im Tank verfestigt. Andererseits muss die Wärmekapazität hinreichend groß sein, um genügend Wärmeenergie dem Verdampfer zuführen zu können. Daher wird Wärme vorzugsweise mit einer Flüssigkeit zum Wärmetauscher transportiert oder aber besonders bevorzugt mit einem Gas, welches durch Kondensation Wärme im Wärmetauscher austauscht.
Die Zuleitungen zum Wärmetauscher sind dann vorzugsweise ebenfalls thermisch isoliert, um so einen unerwünschten, vorzeitigen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauschermedium und dem im Tank befindlichen flüssigen Gas zu vermeiden. Vorzugsweise sind aus analogen Gründen die Gasleitung oder Gasleitungen thermisch isoliert, über die Gas aus dem Verdampfer und aus dem Tank heraus geleitet werden. So wird vor allem vermieden, dass durch Verdampfen bereitgestelltes Gas anschließend in den genannten Leitungen wieder kondensiert.
Um einen im Tank befindlichen Verdampfer geeignet thermisch zu isolieren, befindet sich dieser in einer Ausführungsform der Erfindung in einem vorzugsweise relativ kleinen Raum, der thermisch gegenüber dem übrigen Tankvolumen isoliert ist. Der Raum verfügt über einen Einlass, über den flüssiges Gas in den Tank hineinfließen kann. Der Raum ist klein im Sinne der Erfindung, wenn dieser erheblich kleiner ist im Vergleich zum Tankvolumen. Der Einlass in den Raum hinein befindet sich bevorzugt am Boden des Raums, damit flüssiges Gas auch bei niedrigem Füllstand im Tank in den isolierten Raum hinein fließen kann. Das Volumen des kleinen Raums beträgt insbesondere lediglich bis zu 1% des Volumens des Tanks, da ein größeres Volumen grundsätzlich nicht benötigt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung fließt flüssiges Gas aus dem Tank in eine beheizbare Rohrleitung hinein. Die Rohrleitung nebst den Heizmitteln sind mit einem isolierenden Material ummantelt. Zusätzlich kann die Rohrleitung in einem thermisch isolierten Raum untergebracht sein, in den flüssiges Gas hineinfließen kann, um so weiter verbessert sicherzustellen, dass die Lagerfähigkeit des flüssigen Gases nicht insgesamt spürbar beeinträchtigt wird. In der Rohrleitung wird das flüssige Gas verdampft und beispielsweise durch ein Gebläse oder einen Verdichter abgesaugt, welches bzw. welcher sich außerhalb des Tanks befindet. Der Einlass für flüssiges Gas in die Rohrleitung hinein kann sich vorteilhaft ebenfalls in dem genannten thermisch isolierten Raum befinden. Innerhalb des Tanks ist diese Rohrleitung vorzugsweise vollständig isoliert, um eine Kondensation von verdampftem Gas sowie unerwünschten Wärmeaustausch zu vermeiden.
Wird dem Tank verdampftes LNG entnommen, so liegt die Temperatur des Gases regelmäßig unterhalb von –140 Grad Celsius, welches dem Tank entnommen wird. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung daher ein Heizmittel, so zum Beispiel einen Wärmetauscher, mit dem das Gas auf sehr viel höhere Temperaturen von zum Beispiel –20 bis –60 Grad Celsius, vorzugsweise –40 Grad Celsius aufgeheizt wird. Dieses Heizmittel für das Erwärmen von bereits verdampftem Gas befindet sich grundsätzlich außerhalb des Tanks, um so einen unerwünschten Austausch von Wärme mit dem flüssigen Gas zu vermeiden, welches im Tank gelagert werden soll. Das Gas wird vorteilhaft so erwärmt, dass nachfolgend mit preiswerten Materialien gefördert werden kann. Darüber hinaus sollte das Gas nicht erwärmt werden, um unnötige energetische Nachteile zu vermeiden.
Um Gas geeignet einem Verbraucher wie einem Verbrennungsmotor zuführen zu können, muss dieses regelmäßig zunächst verdichtet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird für das Verdichten vorzugsweise ein relativ preiswerter mit Öl geschmierter Schraubenverdichter eingesetzt, wenn das Gas zuvor durch ein Heizmittel geeignet aufgeheizt wurde. Andernfalls wird beispielsweise ein vergleichsweise teurer, schwerer und großer Kolbenverdichter benötigt, der so beschaffen ist, dass er den sehr tiefen Gastemperaturen gewachsen ist.
Im Anschluss an einen Öl-geschmierten Schraubenverdichter ist vorzugsweise ein Ölabscheider vorgesehen, der das mit dem Gas transportierte Öl abscheidet und zum Öl-geschmierten Schraubenverdichter zurückführt. Es verbleibt dann zwar noch ein Ölgehalt von schätzungsweise 10 ppm im Gas. Dieser Anteil ist aber so gering, dass dieser Ölgehalt einen nachgeschalteten Verbraucher regelmäßig nicht beeinträchtig und auch dadurch nicht derart viel Öl verbraucht wird, dass relativ schnell Öl nachgefüllt werden muss.
Insgesamt ist daher der Aufbau mit dem externen Heizmittel für das Erwärmen von Gas und dem Öl-geschmierten Schraubenverdichter wirtschaftlicher im Vergleich zu dem Fall, dass relativ teure Apparate wie zum Beispiel ein spezieller Kolbenverdichter eingesetzt werden, die sehr tiefe Gastemperaturen auszuhalten vermögen. Hinzu kommt, dass das Gas in der Regel nur in einer Startphase durch Bereitstellung von externer Energie erwärmt werden muss, um einen preiswerten Öl-geschmierten Schraubenverdichter einsetzen zu können. Im Anschluss an eine Startphase kann nämlich die durch Verdichtung des Gases erzeugte Wärme für das Erwärmen von sehr kaltem Gas genutzt werden. Hinzu kommt, dass in vielen Fällen dem verdichteten Gas ohnehin Wärme wieder zu entziehen ist, um beispielsweise den Wirkungsgrad eines Turbinenantriebs zu steigern. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, das verdichtete und so erhitze Gas durch einen Wärmetauscher zu leiten und so abzukühlen. Das Wärmetauschermedium, welches dadurch erwärmt wird, wird dann beispielsweise zu einem anderen Wärmetauscher geleitet, in dem das verdampfte Gas aus dem Tank erwärmt wird. Alternativ kann das erwärmte Wärmetauschermedium für das Erwärmen des Verdampfers verwendet werden, der sich im Tank befindet. Das Wärmetauschermedium kann so im Kreislauf geführt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird durch einen Verdichter komprimiertes und dadurch erhitztes Gas teilweise zurückgeführt, um Gas aus dem Gastank zu erwärmen, bevor es in den Verdichter eingeleitet wird, Es kann so extern bereitgestellte Heizenergie eingespart werden, die beispielsweise andernfalls für das Erwärmen des sehr kalten Gases verwendet wird.
Dass aus dem Tank stammende Gas wird in einer Ausführungsform der Erfindung in einen druckfesten Behälter hineingeleitet, der als Puffer dient. Von diesem Pufferbehälter aus wird das Gas zum Verbraucher weitergeleitet. Der Druck im Behälter ist höher als der Druck, mit dem das Gas dem Motor zugeführt wird. Durch den Pufferbehälter wird sichergestellt, dass bei Ausfall von Gas, das dem Tank entnommen werden kann, für eine Überbrückungszeit nach wie vor Gas zur Verfügung steht, um den Verbraucher betreiben zu können. Diese Ausführungsform ist vor allem für solche Fahrzeuge wie zum Beispiel Schiffe von Vorteil, die nicht über einen Antrieb verfügen, der mit zwei verschiedenen Kraftstoffen wie Gas und Diesel oder Gas und Kerosin betrieben werden kann. Steht stattdessen sowohl ein Gasantrieb als auch ein alternativer Antrieb wie zum Beispiel ein Dieselmotor zur Verfügung, so kann aufgrund des Puffers ein Gasantrieb noch eine Zeit lang betrieben werden. Diese Zeit kann genutzt werden, um einen alternativen Verbraucher, wie zum Beispiel einen Dieselmotor eines Schiffes zu starten, damit der gewünschte Betrieb unterbrechungsfrei fortgesetzt werden kann.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise Steuer- und Messeinrichtungen, um Gastransport, Gastemperaturen und/oder Gasdrucke geeignet erfassen, steuern und/oder kontrollieren zu können, um so einen störungsfreien Betrieb sicherzustellen.
Boil-off-Gas ist im Fall von LNG für den Betrieb eines (Viertakt-)Motors regelmäßig ausreichend klopffest, da dieses im Wesentlichen aus dem vergleichsweise leichtflüchtigen Methan und Stickstoff besteht. Im Vergleich zu LNG ist das Boil-Off-Gas an längerkettigen Kohlenwasserstoffen verarmt. Wird LNG im Verdampfer verdampft, so entsteht ein Gasgemisch, welches relativ hohe Anteile von weiteren Gasen wie Ethan, Propan oder Butan aufweist, die eine Verringerung der Klopffestigkeit bewirken. Durch Mischen von Boil-off-Gas mit thermisch verdampften Gas gelingt es, hinreichend klopffestes Brenngas für den Betrieb eines Motors zur Verfügung zu stellen, der nur mit geeignet klopffestem Gas betrieben werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst daher die Vorrichtung Mittel für das Mischen von im Verdampfer verdampftem Gas mit Boil-Off-Gas. Vorzugsweise sind ergänzend Kontroll- und/oder Steuermittel vorgesehen, um ein gewünschtes Mischungsverhältnis bzw. eine gewünschte Klopffestigkeit zu erhalten.
Als Verbraucher eignen sich nicht nur Antriebsmittel wie Motor oder Turbine. Ein Verbraucher kann auch ein Mittel sein, um elektrische Energie zu gewinnen. Der Verbraucher kann daher eine Brennstoffzelle oder eine Turbine sein, die für die Stromerzeugung eingesetzt wird. Die Erfindung kann auch dann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn ein Tank lediglich der Bevorratung von Treibstoff dient, also nicht hauptsächlich dem Transport von flüssigem Gas zu weiteren Endverbrauchern wie dies bei einem Tanker für LNG der Fall ist. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht nur für Fortbewegungsmittel von Vorteil, sondern auch für einen Einsatz in stationären Anlagen und Einrichtungen.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figur näher erläutert.
In 1 wird im Schnitt ein thermisch isolierter Tank 1 gezeigt, der für die Lagerung von LNG bestimmt und geeignet ist. Im Tank 1 befindet sich ein. thermisch isolierter Raum 2, in den LNG durch eine unten befindliche Öffnung 3 hineinfließen kann. Im Raum 2 befindet sich außerdem ein Heizmittel 4, mit dem im Raum 2 befindliches LNG getrennt vom ansonsten im Tank befindlichem LNG verdampft werden kann. Über ein Gasleitungssystem 5 kann Gas dem Raum 2 entnommen werden. Über ein weiteres Gasleitungssystem 6 kann aus dem Tank Boil-Off-Gas herausgeleitet werden. Die beiden Gasleitungssysteme 5 und 6 sind mit Dosierventilen 7 und 8 versehen, um den jeweiligen Gasdurchfluss steuern zu können. Die beiden Gasleitungssysteme 5 und 6 münden in eine gemeinsame Gasleitung 9 ein, so dass hier ein Gemisch aus dem im Raum 2 verdampften Gas und dem Boil-Off-Gas mit durch die Ventile 7 und 8 steuerbarer Zusammensetzung gebildet werden kann. Die gemeinsame Gasleitung 9 mündet in ein Heizmittel 10 ein, in dem Gas erwärmt wird. Hinter dem Heizmittel 10 ist ein Verdichter 11 angeordnet, der einerseits dafür Sorge trägt, dass das Boil-Off-Gas sowie das im Raum 2 verdampfte Gas abgesaugt wird, und der andererseits das Gas bzw. Gasgemisch verdichtet. Mittels einer Gasrückführung 12, die ein Dosierventil umfasst, kann verdichtetes und dadurch erhitztes Gas gesteuert in das noch nicht verdichtete Gas eingeleitet werden, um dieses geeignet vorzuwärmen. Verdichtetes Gas, welches nicht zurückgeführt wird, gelangt anschließend in einen Ölabscheider 13 hinein, in dem Öl abgeschieden wird, welches aufgrund eines mit Öl geschmierten Kompressors bzw. Verdichters 11 in das Gas gelangt ist. Abgeschiedenes Öl wird zur Schmierung des Verdichters wieder verwendet. Eine entsprechende Rückführung ist in der 1 nicht dargestellt. Vom Ölabscheider 13 gelangt das Gas in eine Einrichtung 14, mit der das verdichtete Gas gekühlt wird. Diese Einrichtung 14 kann ein Wärmetauscher sein, dessen erwärmtes Wärmetauschermedium dazu benutzt wird, um beispielsweise zur Verdampfung von LNG beizutragen oder aber um das Gas vor dem Eintritt in den Kompressor vorzuwärmen. Von der Einrichtung 14 gelangt das Gas in einen druckfesten Pufferbehälter 15 hinein. Vom Pufferbehälter 15 aus wird das Gas schließlich über einen Auslass 16 zum vorgesehenen, in der Figur nicht dargestellten Verbraucher weiter geleitet.
In den Tank 1 reicht eine Deep-Well-Pumpe 17 hinein, mit der im Tank 1 gelagertes LNG herausgepumpt werden kann. Die Pumpe 17 ist außerdem mit Sprüheinrichtungen 18 verbunden, um den Tank geeignet temperieren zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007042158 A1 [0006]
- DE 102007008723 [0009]
- EP 1348620 B1 [0009]
- US 7484371 B2 [0009]
- US 7497180 B2 [0009]

Claims

Vorrichtung für das Verdampfen von flüssigem Gas mit einem Tank (1) für flüssiges Gas; mit einem im Tank befindlichen, thermisch isolierten Verdampfer (2, 4) für das Verdampfen einer Teilmenge von flüssigem Gas, mit Mitteln (3) zur Zuführung von flüssigem Gas vom Tank (1) zum Verdampfer (4) und mit einem Gasleitungssystem (5) für die Zuführung von durch den Verdampfer verdampftes Gas zu einem Verbraucher.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem weiteren Gasleitungssystem (6) für die Zuführung von Boil-Off-Gas aus dem Tank (1) zu einem Verbraucher. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Tank (1) und/oder der thermisch isolierte Verdampfer (2, 4) durch Perlit, Mineralwolle, Steinwolle, Polyurethanschaum, Polystyrenschaum, Nanogel, Holzlaminate, Balsaholz und/oder Sperrholz oder durch eine Vakuumisolierung thermisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Mittel (11) für das Pumpen von im thermisch isolierten Verdampfer (2, 4) erzeugtem Gas und für das Pumpen von sich im Tank (1) bildenden Boil-Off-Gas.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mit dem Tank (1) verbundene Gasleitungssysteme (5, 6) nach oben aus dem Tank (1) herausführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Tank (1) druckfest ausgeführt ist und/oder der Tank (1) wenigstens eine Cargopumpe (17) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Tank (1) keine Spraypumpe zusätzlich zu einer Cargopumpe (17) und/oder keine Stripping-Pumpe umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Tank (1) eine als Cargopumpe und/oder Spraypumpe dienende Deep-Well-Pumpe (17) umfasst, die in den Tank (1) hineinreicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Tankvolumen nicht mehr als 10.000 cbm, vorzugsweise nicht mehr als 5.000 cbm beträgt und insbesondere druckfest ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitung oder die Leitungen für den Transport von im thermisch isolierten Verdampfer (2, 4) erzeugtem Gas aus dem Tank (1) heraus thermisch isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich der Verdampfer (4) in einem thermisch isolierten Raum (2) befindet, der einen Einlass (3) für flüssiges Gas aufweist.
Vorrichtung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem außerhalb des Tanks befindlichen Heizmittel (10) für das Aufheizen von Gas, welches vom Tank (1) einem Verbraucher zugeführt werden soll.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch mit einem Öl geschmierten Schraubenverdichter (11) für das Verdichten von Gas, welches vom Tank (1) einem Verbraucher zugeführt werden soll.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch mit einem Ölabscheider (13) für das Abscheiden von Öl aus dem Gas, welches durch den Schraubenverdichter (11) verdichtet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer teilweisen Rückführung (12) von komprimiertem und so erhitztem Gas für das Erwärmen von Gas, welches dem Tank (1) entnommen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Gaspufferbehälter (15), in den aus dem Tank (1) entnommenes Gas einleitbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Antrieb für ein Schiff als Verbraucher des aus dem Tank (1) entnommenen Gases.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehren Tanks, wobei sich in jedem Tank ein thermisch isolierter Verdampfer (2, 4) für das Verdampfen einer Teilmenge von flüssigem Gas befindet, mit Mitteln (3) zur Zuführung von flüssigem Gas von jedem Tank (1) zum darin befindlichen Verdampfer (4) und mit nur einem Gebläse oder nur einem Verdichter für das Transportieren von in den Verdampfern verdampftem Gas zu einem Verbraucher.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem oder mehreren Tanks, in denen sich LNG befindet.
Verfahren für das Betreiben eines Verbrauchers mit Gas mit den Schritten: flüssiges Gas wird in einem Tank (1) gelagert, ein Teil des im Tank (1) gelagerten flüssigen Gases wird mit einem thermisch isolierten Verdampfer (2, 4) verdampft, der sich im Tank (1) befindet, mit dem mit dem Verdampfer (4) erzeugten Gas wird ein Verbraucher betrieben.