DE102012003446A1

DE102012003446A1 - Verdichten eines kryogenen Mediums

Info

Publication number: DE102012003446A1
Application number: DE102012003446A
Authority: DE
Inventors: Harald Kraus; Wilfried-Henning Reese
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-08-22
Also published as: CN103256205A; US20130213059A1; FR2987106A1; JP2013170580A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Argon, beschrieben. Erfindungsgemäß wird das kryogene Medium in zwei Verdichterstufen von einem Ausgangs- über einen Zwischen- auf einen Enddruck verdichtet, wobei die erste Verdichterstufe als kryogene Verdichterstufe ausgeführt ist. In vorteilhafter Weise wird das kryogene Medium in der ersten Verdichterstufe auf einen Druck zwischen 30 und 70 bar und in der zweiten Verdichterstufe mittels einer Warmgasverdichtung auf den gewünschten Enddruck verdichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums.
Gattungsgemäße Verfahren zum Verdichten kryogener Medien, wie beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Argon, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Unter dem Begriff „kryogenes Medium” wird üblicherweise ein verflüssigtes tiefkaltes Gas, das eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist, verstanden. Kryogener Wasserstoff beispielsweise liegt im Regelfall bei einer Temperatur zwischen –253°C und –245°C vor.
Gattungsgemäße Verfahren zum Verdichten kryogener Medien kommen beispielsweise beim Be- und Umfüllen von Speicherbehältern zur Anwendung. So werden beispielsweise bei der Befüllung von in Fahrzeugen eingebauten Wasserstoff-Speicherbehältern mehrere Befüllmethoden realisiert:
Druckausgleichsmethode: Aus einem Versorgungssystem – hierbei kann es sich um einen stationären Speicherbehälter oder eine Pipeline handeln – werden mittels eines Kompressors oder einer Kryopumpe mehrere Gaspufferspeicher mit unterschiedlichen Druckniveaus befüllt. Aus den Gaspufferspeichern wird im Falle einer Fahrzeugbetankung per Druckausgleich der verdichtete Wasserstoff in die Fahrzeug-Speicherbehälter gefüllt bis der Betankungsenddruck erreicht ist.
Booster Methode: Hierbei wird aus einem Versorgungssystem über einen Verdichter großer Mengenleistung der Wasserstoff verdichtet und direkt in den Fahrzeug-Speicherbehälter gefüllt.
Kombinationen aus Druckausgleichs- und Booster Methode: Hierbei erfolgt zunächst eine Teilbefüllung des zu befüllenden Fahrzeug-Speicherbehälters aus den Gaspufferspeichern über einen Druckausgleich, bevor mittels der Boostermethode eine Befüllung auf den Enddruck erfolgt.
Des Weiteren existieren Betankungsverfahren, bei denen der Wasserstoff mittels einer kryogenen Verdichtung auf 700 bar – temperaturkompensiert bis max. 875 bar – verdichtet wird, wobei das bei der kryogenen Verdichtung entstehende Boil-off-Gas in einem ersten Betankungsschritt dem Fahrzeug-Speicherbehälter zugeführt wird. Eine kryogene Verdichtung von flüssigem in überkritischen gasförmigen Wasserstoff findet bei Eintrittstemperaturen zwischen –253°C und –245°C statt. Die Verdichtung des bei der kryogenen Verdichtung entstehenden Boil-off-Gases erfordert sog. Warmgasverdichter, mittels derer Gas, das unter Umgebungstemperaturen vorliegt – hierunter sei ein Temperaturbereich zwischen –20°C und 40°C zu verstehen, verdichtet wird. Derartige Warmgasverdichter sind jedoch vergleichsweise teuer. Des Weiteren bedarf es aufgrund des erforderlichen Verdichtungsverhältnisses eines wenigstens zwei- bis dreistufigen Verdichtersystems, das jedoch energetisch ungünstig arbeitet. Auch muss der Wasserstoff vor der Zuführung in den Warmgasverdichter mittels eines Umgebungsluftverdampfers angewärmt werden und verliert dadurch den Vorteil der hohen Dichte als kryogenes Gas. Kryogene Verdichtungssysteme, die für die Verdichtung des Boil-off-Gases auf das erforderliche Druckniveau von 400 bis 500 bar verwendet werden könnten, existieren bisher nicht. Drücke von 400 bis 500 bar sind jedoch erforderlich, um das Boil-off-Gas für die Fahrzeugbetankung gemäß der gegenwärtigen Betankungstechnik – dabei liegen die Betankungsenddrücke zwischen 700 und 800 bar – nutzen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums, insbesondere von Wasserstoff anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das kryogene Medium in zwei Verdichterstufen von einem Ausgangs- über einen Zwischen- auf einen Enddruck verdichtet wird und die erste Verdichterstufe als kryogene Verdichterstufe ausgeführt ist.
Unter dem Begriff „kryogene Verdichterstufe” bzw. „kryogene Verdichtung” sei im Folgenden ein Verdichtungsprozess zu verstehen, der ein kryogenes, flüssiges Medium in ein verdichtetes, überkritisches Gas überführt und bei dem die Eintrittstemperatur des kryogenen Mediums unterhalb von –70°C liegt. Die kryogene Verdichtung von Flüssigwasserstoff oder anderen tiefkalt verflüssigten Gasen erfolgt üblicherweise mittels kryogener Kolbenpumpen. Das zu verdichtende kryogene Medium tritt dabei in den Kolben als Flüssigkeit ein und wird als überkritisches Gas ausgestoßen.
Erfindungsgemäß wird das kryogene Medium nunmehr in zwei Verdichterstufen von einem Ausgangs- über einen Zwischen- auf einen Enddruck verdichtet, wobei die erste Verdichterstufe als kryogene Verdichterstufe ausgeführt ist. Hierbei wird das kryogene Medium, dessen Ausgangsdruck zwischen 1 und 3 bar liegt, in der kryogenen Verdichterstufe vorzugsweise auf einen Druck zwischen 30 und 70 bar verdichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums wird in vorteilhafter Weise in einem kombinierten Verdichter realisiert, dessen erste, kryogene Verdichterstufe das kryogene Medium von dem Ausgangs- auf den gewünschten Zwischendruck verdichtet. Bei dieser kryogenen Verdichtung wird insbesondere genutzt, dass das zu verdichtende Medium mit hoher Dichte vorliegt und der Verdichtungszylinder aus diesem Grund nur vergleichsweise klein auszulegen ist. Dies hat zur Folge, dass die erforderliche Antriebskraft für die Verdichtung gering ist, woraus ein energetisch günstiger Verdichtungsprozess resultiert.
In der ersten Verdichterstufe wird das Medium auf eine höhere Temperatur gebracht, so dass das Medium in der zweiten Verdichterstufe mittels eines warmen Verdichtungsprozesses auf den Enddruck verdichtet werden kann. Aufgrund der Vorverdichtung in der kryogenen Verdichterstufe kann auch der für die zweite Verdichterstufe erforderliche Verdichtungsraum vergleichsweise klein ausgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die beiden Verdichterstufen in Kolbenverdichtern realisiert werden und diese über einen gemeinsamen Antrieb angetrieben werden. Als gemeinsamer Antrieb kann bspw. ein Elektromotor mit Doppelgetriebe für den Betrieb von zwei Verdichtungsstufen zur Anwendung kommen.
Des Weiteren wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verdichten eines kryogenen Mediums pro Verdichterstufe ein Einkolbenverdichter verwendet, wobei die beiden Einkolbenverdichter in vorteilhafter Weise im Gegenhub betrieben werden.
Im Falle einer optimalen Auslegung der Verdichtungsverhältnisse in den beiden Einkolbenverdichtern bzw. Verdichterstufen können diese über einen gemeinsamen Antrieb im Gegenhub betrieben werden. Dabei verdichtet ein Kolben zunächst in der ersten Verdichterstufe das kryogene Medium. Gleichzeitig befindet sich der Kolben der zweiten Verdichterstufe im Rückhub und saugt das vorverdichtete Medium aus der ersten Verdichterstufe an. Wenn die zweite Stufe verdichtet, befindet sich die erste Verdichterstufe im Rückhub und saugt erneut kryogenes Medium an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums sei nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die in der 1 dargestellte Pumpenanordnung besteht aus zwei Einkolbenverdichtern, die jeweils einen Verdichtungsraum V1 bzw. V2, einen über eine Kolbenstange angetriebenen Kolben K1 bzw. K2 sowie einen für den Antrieb der Kolben erforderlichen Arbeitsraum A1 bzw. A2 aufweisen. Den beiden Verdichtungsräumen V1 und V2 ist jeweils ein Ansaugventil a bzw. c sowie ein Auslassventil b bzw. d zugeordnet.
Das zu verdichtende Medium wird der ersten Verdichterstufe bzw. dem ersten Verdichtungsraum V1 über Leitung 1 zugefügt. Bei dieser handelt es sich um eine speziell isolierte, vorzugsweise vakuumisolierte Leitung, die den unerwünschten Wärmeeinfall auf das zu verdichtende Medium auf ein Mindestmaß reduziert. Des zu verdichtende Medium strömt nunmehr bei geöffnetem Ansaugventil a in den Verdichtungsraum V1. Das einströmende Medium weist üblicherweise einen Druck zwischen 1 und 3 bar auf. Im Verdichtungsraum V1 erfolgt eine kryogene Verdichtung auf einen Druck zwischen 30 und 70 bar. Anschließend wird das verdichtete Medium bei geöffnetem Auslassventil b in einen zwischen den beiden Verdichtungsräumen V1 und V2 angeordneten Ausgleichsbehälter 2 gefördert. Aus diesem strömt es bei geöffnetem Ansaugventil c in die zweite Verdichterstufe V2, in der eine Verdichtung auf den gewünschten Enddruck erfolgt. Bei geöffnetem Auslassventil d wird das auf den Enddruck verdichtete Medium über eine (Hochdruck)Leitung 3 abgeführt.
Die 1 zeigt den Moment, zu dem sich der Kolben K1 im Verdichtungsraum V1 am oberen Totpunkt und damit am Ende des Ansaughubs befindet, während der Kolben K2 im Verdichtungsraum V2 am unteren Totpunkt angelangt ist, der Verdichtungshub folglich beendet ist.
Der Antrieb der beiden gegenläufigen Kolben K1 und K2 erfolgt mittels einer Hydraulikpumpe P, die über die Leitungen 4 bis 7 die in den Arbeitsräumen A1 und A2 befindliche Hydraulikflüssigkeit derart fördert, dass daraus eine Auf- und Abwärtsbewegung der Kolben K1 und K2 resultiert. Anstelle der vorgenannten Hydraulikpumpe P kann beispielsweise auch ein E-Motor mit einem gegenläufigen Doppelgetriebe zur Anwendung kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums weist gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verdichtungsverfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf:

– energetisch und anlagentechnisch günstige Verdichtung, da lediglich vergleichsweise kleine Verdichtungsräume und damit niedrige Antriebsleistungen erforderlich sind
– im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen Warmgasverdichtung ist keine Voranwärmung des kryogenen Mediums erforderlich; ferner erübrigt sich ein Zwischenkühler zwischen den beiden Verdichterstufen
– es lassen sich hohe Enddrücke bei nennenswerten Mengenleistungen realisieren
– trotz zweier unterschiedlicher Verdichtungssysteme („kryogen” und „warm”) wird bei optimaler Auslegung lediglich ein gemeinsames Antriebssystem benötigt
– bzgl. Bauraum, Komplexität und Energieeffizienz stellt das erfidungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums eine wesentliche Verbesserung gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verdichtungsverfahren dar

Claims

Verfahren zum Verdichten eines kryogenen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Medium in zwei Verdichterstufen von einem Ausgangs- über einen Zwischen- auf einen Enddruck verdichtet wird und die erste Verdichterstufe als kryogene Verdichterstufe ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Medium in der ersten Verdichterstufe auf einen Druck zwischen 30 und 70 bar verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdichterstufen in Kolbenverdichtern realisiert werden und diese über einen gemeinsamen Antrieb angetrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei pro Verdichterstufe ein Einkolbenverdichter verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einkolbenverdichter im Gegenhub betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Medium Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Argon ist.