DE102010010108A1 - Verfahren zur Speicherung von und Speicher für Erdgas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von transkritischen bzw. überkritischem Erdgas, das es ermöglicht, die volumetrische Energiedichte von unter Druck gelagertem Erdgas ohne Drucksteigerung mehr als zu verdoppeln. Nach dem Verfahren wird das Erdgas oberhalb des kritischen Drucks von 46, und oberhalb der kritischen Temperatur von ca. 190 K bzw. im kompressiblen Phasenbereich gelagert. Der Speicher umfasst einen thermisch isolierten, druckdichten Behälter (1), der für Innendrücke oberhalb von 46 bar ausgelegt ist und der über eine verschließbare Öffnung (4) zur Entnahme und Befüllung mit Erdgas verfügt, sowie eine Kältemaschine (2), die derart am Behälter (1) angebracht ist, dass sie die von ihr erzeugte Kälte an das Erdgas im Behälter (1) abgeben kann. Der Speicher eignet sich besonders als Tank von mit Erdgas betriebenen Fahrzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Erdgas, das es ermöglicht, die volumetrische Energiedichte von unter Druck gelagertem Erdgas ohne Drucksteigerung mehr als zu verdoppeln. Der Speicher eignet sich für Erdgastransporte im Allgemeinen, für die Speicherung von Erdgas an Tankstellen und für den Einsatz als Tank von mit Erdgas betriebenen Fahrzeugen.
  • Komprimiertes Erdgas wird bereits seit Jahren als Treibstoff für Kraftfahrzeuge benutzt und entsprechend gibt es auch ein gut ausgebautes Tankstellennetz. Das Erdgas wird typischerweise bei einem Druck von 200 bar bereit gehalten; bei diesem Druck hat es eine Dichte von ca. 155 kg/m3 bzw. einen Heizwert von ca. 6.25 MJ/l. Damit ist die Energiedichte von komprimiertem Erdgas (200 bar) im Vergleich zu anderen fossilen Kraftstoffen, wie z. B. Benzin mit einer Energiedichte von 32 MJ/l oder Dieselkraftstoff mit einer Energiedichte von 36 MJ/l, oder regenerativen Kraftstoffen, wie z. B. Bio-Diesel mit 32 MJ/l oder Bioethanol mit 21 MJ/l, eher gering.
  • Eine Erhöhung der Energiedichte des Erdgases ist zwar prinzipiell durch eine Erhöhung des Speicherdrucks möglich, die technischen und insbesondere die sicherheitstechnischen Anforderungen an die eingesetzten Druckbehälter nehmen bei Drücken über 200 bar jedoch unverhältnismäßig zu, wodurch eine solche Lagerung nicht mehr wirtschaftlich ist.
  • Weiterhin ist bekannt das Erdgas in flüssiger Form zu speichern. Da flüssiges Erdgas (LNG – Liquified Natural Gas) nur etwa ein 1/600stel des Volumens von gasförmigem Erdgas hat, sind mit der Speicherung von LNG sehr hohe Speicherdichten erreichbar. Allerdings muss das Erdgas zur Verflüssigung auf ca. 110 K abgekühlt werden; zudem muss Energie für dessen Phasenumwandlung von gasförmig zu flüssig aufgebracht werden. Hinzukommt, dass aufgrund der vergleichsweise tiefen Lagertemperaturen, auch wenn sich das LNG in thermisch gut isolierten Behältern befindet, das LNC ständig mit hohen Kälteleistungen gekühlt werden muss, wenn ein Verdampfen des LNG vermieden werden soll.
  • Die Speicherung von Erdgas in Form von LNG wird zurzeit in größerem Maßstab nur bei sog. LNG-Tankschiffen (s. z. B. DE 10 2006 056 821 A1 ) eingesetzt. Obwohl die Speicher der Tankschiffe ein wesentlich besseres Verhältnis von Volumen zur Oberfläche haben als z. B. die Tanks von Kraftfahrzeugen, geht dennoch beim Transport des Erdgases ungefähr ein Viertel der transportierten Energie verloren, da das Erdgas zuerst verflüssigt und während der Fahrt gekühlt werden muss bzw. ein Teil des Erdgases während der Fahrt verdampft. Für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen ist diese Methode jedoch völlig ungeeignet, da das LNG ständig, also auch in Zeiten, in denen das Kraftfahrzeug nicht bewegt wird, auf 110 K gekühlt werden muss.
  • Des Weiteren sind aus der Patentliteratur ( CN 2389281 Y , US 5,709,203 A , US 5,582,016 A , CA 2,113,774 A1 , EP 0 670 452 A1 , US 6,089,226 A , US 6,513,521 B1 ) Lösungen bekannt, bei denen eine Flüssig-Erdgas-Speicherung bei hohen Drücken als unterkühlte Flüssigkeit angewandt, und folglich die Verdampfung des flüssigen Erdgases unterbunden wird. Hierdurch kann gegenüber der oben beschriebenen LNG-Speicherung zwar die während der Lagerung erforderliche Energie etwas gesenkt werden, jedoch muss auch hier eine große Energiemenge für die Phasenumwandlung des Erdgases von der gasförmigen in die flüssige Phase aufgebracht werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Speicherung von Erdgas zu finden, dass es ermöglicht, die volumetrische Energiedichte von unter Druck gelagertem Erdgas ohne Drucksteigerung und mit geringem Energieeinsatz signifikant zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 4 bis 7.
  • Nach Maßgabe der Erfindung wird das Erdgas oberhalb seines kritischen Druckes von 46 bar und oberhalb der kritischen Temperatur von ca. 190 K bzw. im kompressiblen Phasenbereich gelagert.
  • Bevorzugt erfolgt die Lagerung des Erdgases unter einem Druck von ca. 200 bar und einer Temperatur von 190 bis 210 K. Die Dichte des Erdgases beträgt bei der tieferen Temperatur dann 330 kg/m3, d. h., gegenüber der Speicherung bei Umgebungstemperatur (unter 200 bar), bei der die Dichte des gespeicherten Erdgases lediglich 155 kg/m3 beträgt, wird die Speicherdichte auf das 2.13-fache erhöht. Für bestimmte Speicheranwendungen können auch Drücke sowohl oberhalb, aber vor allem auch unterhalb der 200 bar günstig sein, solange der kritische Druck nicht unterschritten wird. Gleiches gilt für den Temperaturbereich.
  • Systeme mit einem Maximaldruck von 200 bar sind kostengünstig erhältlich (die gängigen Gasflaschen sowie die daran angeschlossenen Systeme haben üblicherweise einen Maximaldruck von 200 bar) und außerdem sind die Sicherheitsanforderungen geringer als die für Systeme mit höheren Drücken. Für das Abkühlen des Erdgases wird wesentlich weniger Energie benötigt als bei der Speicherung des Erdgases als LNG oder als flüssige Phase im überkritischen Bereich, da erstens das Erdgas weit weniger abgekühlt und zweitens auch keine Kondesationsenergie abgeführt werden muss.
  • Der Speicher für das Erdgas besteht aus einem thermisch isolierten, druckdichten Behälter und einer Kältemaschine.
  • Der Behälter ist mit einer Öffnung versehen, die zur Entnahme des Erdgases sowie zur Befüllung mit Erdgas dient und die üblicherweise mittels eines Ventils verschließbar ist. Die thermische Isolation des Behälters ist entweder als Feststoff- oder als Vakuumsisolierung ausgeführt. Bevorzugt sind Behälter eingesetzt, die maximalen Druckbelastungen von 200 bar standhalten, ggf. kann jedoch auch ein Einsatz von Behältern mit höheren maximalen Druckbelastbarkeiten angezeigt sein.
  • Die Kältemaschine ist bevorzugt als Kompressionskälte-Kaskade oder als Gemisch-Joule-Thomson-Kühler ausgeführt und derart am Behälter angebracht, dass sie die von ihr erzeugte Kälte an das Erdgas im Tank abgeben kann. Hierzu muss das Kaltteil/der Kühlfinger mit dem Erdgas im Innenraum des Behälters in thermischem Kontakt stehen. Da sich im Behälter keine flüssige Phase ausbildet, ist es unerheblich, an welcher Stelle das Kaltteil/der Kühlfinger in den Behälter geführt ist.
  • Der Speicher kann besonders vorteilhaft als Kraftfahrzeugtank eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
  • 1: einen Speicher für überkritisches Erdgas in schematische Darstellung;
  • 2: das Diagramm der Temperaturabhängigkeit von Dichte und Heizwert für Erdgas bei unterschiedlichen Drücken.
  • Wie aus 1 ersichtlich, besteht der Speicher für Erdgas aus dem Behälter 1 und der Kältemaschine 2.
  • Der Behälter 1 weist eine mittels eines Ventils 3 verschließbare Öffnung 4 auf, die zur Befüllung mit und zur Entnahme von Erdgas dient. Der Behälter 1 ist mit einer entweder als Feststoff- oder Vakuumisolierung ausgeführten Isolationsschicht 5 ausgestattet, die den Wärmeübertrag von der Umgebung in das transkritische bzw. überkritische Erdgas 6 im Speicher minimiert.
  • Die Kältemaschine 2 ist entweder als Kompressionskälte-Kaskade oder als Gemisch-Joule-Thomson-Kühler ausgeführt. Das Kaltteil 7 der Kältemaschine 2 steht mit dem Innenraum 8 des Behälters 1 und damit mit dem transkritischen bzw. überkritischen Erdgas 6 im thermischen Kontakt. Dabei spielt es keine Rolle, an welcher Stelle des Behälters 1 die Kältemaschine 2 angeordnet (oben oder unten) ist, da das transkritische bzw. überkritische Erdgas 6 den Innenraum 8 gleichmäßig ausfüllt.
  • Wie aus 2 ersichtlich, erfolgt bei einem Druck oberhalb des kritischen Drucks (46 bar) und einer Temperatur von 190 K ein Anstieg der Dichte des gespeicherten überkritischen Erdgases. Infolgedessen kann bei einem Druck von 200 bar und einer Temperatur von 190 K die Dichte von Erdgas gegenüber Erdgas bei Umgebungstemperatur (auch 200 bar) von 155 kg/m3 auf 330 kg/m3, also auf das 2.13 fache gesteigert werden. Die volumetrische Energiedichte steigt im gleichen Verhältnis von 6.25 MJ/l auf 13.3 MJ/l, wodurch sich beim Einsatz des Speichers als Fahrzeugtank bei gleichem Tankvolumen mehr als das Doppelte an Energie speichern und entsprechend die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen lässt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Behälter
    2
    Kältemaschine
    3
    Ventil
    4
    Öffnung
    5
    Isolationsschicht
    6
    transkritisches bzw. überkritisches Erdgas
    7
    Kaltteil der Kältemaschine
    8
    Innenraum des Behälters
  • 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 102006056821 A1 [0005]
    • CN 2389281 Y [0006]
    • US 5709203 A [0006]
    • US 5582016 A [0006]
    • CA 2113774 A1 [0006]
    • EP 0670452 A1 [0006]
    • US 6089226 A [0006]
    • US 6513521 B1 [0006]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Speicherung von Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas oberhalb des kritischen Drucks von 46 bar und oberhalb der kritischen Temperatur von ca. 190 K bzw. im kompressiblen Phasenbereich gelagert wird.
  2. Verfahren zur Speicherung von Erdgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas unter einem Druck von ca. 200 bar und bei einer Temperatur von 190 bis 220 K gelagert wird.
  3. Speicher für Erdgas, arbeitend nach dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem thermisch isolierten, druckdichten Behälter (1), der über eine verschließbare Öffnung (4) zur Entnahme und Befüllung mit Erdgas verfügt, und einer Kältemaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) für Innendrücke oberhalb von 46 bar ausgelegt ist und die Kältemaschine (2) derart am Behälter (1) angebracht ist, dass sie die von ihr erzeugte Kälte an das Erdgas im Behälter (1) abgeben kann.
  4. Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher für Innendrücke bis maximal 200 bar ausgelegt ist.
  5. Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemaschine (2) eine Kompressionskälte-Kaskade eingesetzt ist.
  6. Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemaschine (2) ein Gemisch-Joule-Thomson-Kühler eingesetzt ist.
  7. Verwendung des Speichers nach Anspruch 3 als Kraftfahrzeugtank.
DE102010010108A 2009-05-06 2010-03-04 Verfahren zur Speicherung von und Speicher für Erdgas Active DE102010010108B4 (de)

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