DE10201273A1

DE10201273A1 - Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters mit einem gasförmigen Treibstoff

Info

Publication number: DE10201273A1
Application number: DE2002101273
Authority: DE
Inventors: Robert Adler
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-24
Also published as: EP1466122A1; AU2003235622A1; WO2003060374A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters, insbesondere eines Kfz-Speicherbehälters, mit einem gasförmigen Treibstoff, insbesondere mit gasförmigem Wasserstoff, auf einen Druck von mehr als 300 bar, wobei der Treibstoff verdichtet und zwischengespeichert wird, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der verdichtete Treibstoff auf wenigstens drei Druckniveaus, vorzugsweise auf wenigstens einem Nieder- (10), wenigstens einem Mittel- (13) und wenigstens einem Hochdruckniveau (18), zwischengespeichert, wird der zu betankende Speicherbehälter während des Betankungsvorganges zunächst aus dem Niederdruckniveauspeicher (10) und anschließend aus dem Mitteldruckniveauspeicher (13) betankt und erfolgt nach Erreichen eines Ausgleichsdruckes zwischen dem zu betankenden Speicherbehälter und dem Mitteldruckniveauspeicher (13) das Befüllen des zu betankenden Speicherbehälters auf den Enddruck mittels wenigstens eines Verdichters (4, 8), der den gasförmigen Treibstoff aus dem Mitteldruckniveauspeicher (13) verdichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters, insbesondere eines Kfz-Speicherbehälters, mit einem gasförmigen Treibstoff, insbesondere mit gasförmigem Wasserstoff, auf einen Druck von mehr als 300 bar, wobei der Treibstoff verdichtet und zwischengespeichert wird.
Im Folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt; also beispielsweise GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff.
Insbesondere Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch den steigenden Energiebedarf und das gestiegene Umweltbewusstsein als Energieträger zunehmend an Bedeutung. So werden bereits versuchsweise Flugzeuge, Lastkraftwagen, Busse sowie Personenkraftwagen mittels mit Wasserstoff-betriebener Turbinen bzw. Motoren angetrieben. Des Weiteren befinden sich bereits Fährzeuge im Feldversuch, bei denen mittels einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt wird, die wiederum einen E- Motor antreibt. Der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff wird bei diesen Fahrzeugen entweder in flüssiger oder gasförmiger und komprimierter Form gespeichert.
Gattungsgemäße Verfahren zum Betanken von Speicherbehältern mit gasförmigem Wasserstoff mit einem Druck von mehr als 300 bar - üblicherweise werden zwischenzeitlich bereits ca. 450 bar Druck im zu betankenden Speicherbehälter realisiert - haben den Nachteil, dass der gasförmige Treibstoff zunächst auf einen Druck von ca. 500 bar verdichtet und anschließend auf diesem Druck (zwischen)gespeichert werden muss, damit jederzeit das Betanken eines oder mehrerer Fahrzeuge in kurzer Zeit möglich ist.
Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist jedoch, dass die gesamte Gasmenge auf den hohen Druck verdichtet und gespeichert werden muss. Die hierzu erforderlichen Speicherbehälter bzw. -bündeln sind vergleichsweise teuer; ferner müssen sie entsprechend groß bemessen sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Darüber hinaus soll der für die Verdichtung des gasförmigen Treibstoffes benötigte Stromverbrauch reduziert und die Betankungstemperatur um ca. 20 bis 30°C abgesenkt werden können.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

- der verdichtete Treibstoff auf wenigstens drei Druckniveaus vorzugsweise auf wenigstens einem Nieder-, wenigstens einem Mittel- und wenigstens einem Hockdruckniveau, zwischengespeichert wird,
- der zu betankende Speicherbehälter während des Betankungsvorganges zunächst aus dem Niederdruckniveauspeicher und anschließend aus dem Mitteldruckniveauspeicher betankt wird und
- nach Erreichen eines Ausgleichsdruckes zwischen dem zu betankenden Speicherbehälter und dem Mitteldruckniveauspeicher das Befüllen des zu betankenden Speicherbehälters auf den Enddruck mittels wenigstens eines Verdichters, der den gasförmigen Treibstoff aus dem Mitteldruckniveauspeicher verdichtet, erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der Unteransprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigt den schematischen Aufbau einer Tankstelle für gasförmigen Wasserstoff, in der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann.
Über Leitung 1 wird an der Ansaugstelle Wasserstoff mit einem Druck von 3 bis 20 bar einem Puffer 2 zugeführt. Aus diesem wird der benötigte Wasserstoff über Leitung 3 abgezogen und der ersten Stufe 4 eines zweistufigen Verdichtersystems zugeführt. In dieser ersten Stufe 4 erfolgt eine Verdichtung des Wasserstoffes auf einen Druck zwischen 17 und 150 bar. Der verdichtete Wasserstoff wird anschließend über Leitung 5 einem Kühler 6 zugeführt und in diesem auf eine Temperatur zwischen 20 und 60°C abgekühlt. Anschließend wird der verdichtete Wasserstoffstrom über Leitung 7 der zweiten Verdichterstufe 8 zugeführt und auf einen Druck von 300 bar verdichtet. Wiederum erfolgt in einem, in der Figur nicht dargestellten Nachkühler eine Abführung der Kompressionswärme, bevor der verdichtete Wasserstoff über die Leitungen 9 und 12 zwei Speicher 10 und 13 - auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird - zugeführt wird.
Das Stufendruckverhältnis der Verdichterstufen 4 und 8 wird von dem in der Leitung 1 herrschenden Eingangsdruck des Wasserstoffes bestimmt werden. Die Verdichter 4 und 8 arbeiten stromverbrauchsorientiert. Sie werden vorzugsweise hydraulisch angetrieben und mit Hydrauliköl im Außenmantel gekühlt. Dadurch kann eine annähernd isotherme Verdichtung des gasförmigen Wasserstoffes erzielt werden.
Der verdichtete Wasserstoff wird in den beiden Speichern 10 und 13 (zwischen)gespeichert. Die Speichern 10 und 13 sind beispielsweise aus jeweils sechs Bündeln mit einem geometrischen Volumen von je 600 l aufgebaut. Bei einem Fülldruck von 300 bar und einem Kompressibilitätsfaktor von ca. 0,9 ergibt sich ein Füllvolumen so von ca. 162 m³ Wasserstoff pro Bündel. Die Speicher 10 und 13 besitzen somit je ein Fassungsvermögen von 972 m³.
Im Folgenden werden der Speicher 10 als Niederdruckniveauspeicher und der Speicher 13 als Mitteldruckniveauspeicher bezeichnet werden.
Die erforderliche Verdichterleistung im Normalbetrieb beträgt bei einem Eingangsdruck von 15 bar ca. 300 Nm³. Dies erfordert eine elektrische Leistung von 46 KW, woraus ein spezifischer Strombedarf von 0,15 KWh/Nm³ resultiert.
Im betriebsbereiten Zustand der Wasserstoff-Tankstelle sind die beiden Speicher 10 und 13 mit 300 bar Wasserstoff befüllt.
Zusätzlich ist ein weiterer Speicher 18 - im Folgenden als Hochdruckniveauspeicher bezeichnet - vorgesehen, der mit gasförmigem Wasserstoff bei einem Druck von 450 bar befüllt ist. Der Speicher 18 besteht beispielsweise aus einer 50 l Pufferflasche.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Speicherdruck des Niederdruckniveauspeichers 10 zwischen 150 und 300 bar, der Speicherdruck des Mitteldruckniveauspeichers 13 zwischen 200 und 300 bar und der Speicherdruck des Hochdruckniveauspeichers 18 zwischen 400 und 450 bar.
Das maximale Speichervolumen des Hochdruckniveauspeichers 18 beträgt vorzugsweise 1 bis 10% des maximalen Speichervolumens des Niederdruckniveauspeichers 10 und vorzugsweise 1 bis 10% des maximalen Speichervolumens des Mitteldruckniveauspeichers 13.
Die Speicher 10, 13 und 18 sind über Entnahmeleitungen 11, 14 bzw. 19 mit einer gemeinsamen, zu der Betankungskupplung führenden Leitung 15 verbunden.
Im Betankungsfall wird zunächst über einen Teststoß der Anfangsdruck im zu betankenden Speicherbehälter - also beispielsweise dem Kfz-Speicherbehälter - ermittelt. Aus diesem Druck wird eine Aufheizkurve errechnet und mit der Außentemperatur ins Verhältnis gesetzt, woraus sich der Fülldruck ergibt. Dieser Teststoß wird aus dem Hochdruckniveauspeicher 18 gespeist. Durch den damit verbundenen Druckabfall in dem Hochdruckniveauspeicher 18 werden die Verdichter 4 und 8 in den sog. High Booster-Betrieb geschaltet.
Erfindungsgemäß wird nunmehr der auf wenigstens drei Druckniveaus - nämlich dem Nieder-10, dem Mittel-13 und dem Hockdruckniveau 18 - verdichtete und gespeicherte Wasserstoff während des Betankungsvorganges zunächst aus dem Niederdruckniveauspeicher 10 und anschließend aus dem Mitteldruckniveauspeicher 13 über die Entnahmeleitungen 11 bzw. 14 sowie 15 in den zu betankenden Speicherbehälter entspannt und dieser so zumindest bis zu dem höchsten, in dem Mitteldruckniveauspeicher 13 herrschenden Druck gefüllt.
Hierbei wird der maximale Durchfluss vorzugsweise auf 90 m³/min eingeregelt. Bei der Befüllung eines leeren Kfz-Speicherbehälters wird der Wasserstoff auf ca. 250 bar geregelt, damit der maximale Durchfluss auch bei einem hohen Differenzdruck nicht überschritten wird. Bei der anschließenden Befüllung auf Höchstdruck (beispielsweise 450 bar) wird der in der Figur nicht dargestellte Regler durch ein in der Figur ebenfalls nicht dargestelltes Steuerventil weggeschaltet.
Nach Erreichen des Ausgleichsdruckes zwischen dem zu betankenden Speicherbehälter und dem Mitteldruckniveauspeicher 13 erfolgt das Befüllen des zu betankenden Speicherbehälters auf den Enddruck dadurch, dass die zweite Verdichterstufe 8 über Leitung 16 den gasförmigen Wasserstoff aus dem Mitteldruckniveauspeicher 13 ansaugt, auf beispielsweise 450 bar verdichtet und über die Leitungen 17 und 15 der Betankungskupplung und über diese dem zu betankenden Speicherbehälter zuführt; während dieses Verfahrensschrittes arbeitet der Verdichter 8 im sog. High Booster-Betrieb.
Der Eingangsdruck der zweiten Verdichterstufe 8 sollte vorzugsweise wenigstens 150 bar betragen. Im High Booster-Betrieb wird eine elektrische Leistung von va. 85 KW benötigt. Die Fülleistung im High Booster-Betrieb beträgt wenigstens 32,5 Nm³ Wasserstoff/min und maximal 43 Nm³ Wasserstoff/min.
Aufgrund der vorangegangenen Entnahme von Wasserstoff aus dem Mitteldruckniveauspeicher 13 ist der noch darin befindliche Wasserstoff unterkühlt; er weist eine Temperatur von ca. -40°C auf. Die Austrittstemperatur der zweiten Verdichterstufe 8 liegt daher bei ca. 10°C, wodurch eine vergleichsweise effiziente Befüllung des Speicherbehälters bei ca. 350 bar erreicht wird.
Die zweite Verdichterstufe 8 arbeitet nur ca. 30% der gesamten Betankungszeit im High Booster-Betrieb. Der Stromverbrauch je Nm³ Wasserstoff im High Booster-Betrieb beträgt - bezogen auf das gesamt getankte Gasvolumen - ca. 0,015 KWh/Nm³ Wasserstoff. Daher liegt der gesamte Strombedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Betankungsdruck von 350 bar bei 0,165 KWh/Nm³ Wasserstoff.
Zur Auffüllung des Hochdruckniveauspeichers 18 wird diesem im High Booster-Betrieb der zweiten Verdichterstufe 8 über die Leitungen 17 und 17' verdichteter Wasserstoff zugeführt. Eine Entnahme des verdichteten Wasserstoffes aus dem Hochdruckniveauspeicher 18 - beispielsweise für den vorbeschriebenen Teststoß - erfolgt über die Leitungen 19 und 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat des Weiteren den Vorteil, dass herkömmliche Durchflussmesser zum Einsatz kommen können. Bisher sind geeichte Durchflussmesser nur für Drücke bis 300 bar erhältlich. Somit konnten bei den zum Stand der Technik zählenden Betankungsverfahren, bei denen die gesamte Wasserstoffmenge auf Drücke bis 500 bar verdichtet wurde, keine geeichten Durchflussmesser verwendet werden. Da im High Booster-Betrieb der maximale Speicherdruck bei ca. 300 bar liegt und der Verdichter 8 bei diesem Druck aus dem Mitteldruckniveauspeicher 13 saugt, können herkömmliche, geeichte Durchflussmesser auf der Saugseite des Verdichters 8 - also beispielsweise in der Leitung 16 - vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, dass beispielsweise zwei Busse hintereinander betankt werden können. Die Betankung eines dritten Busses kann dann entweder langsamer oder in der gleichen Betankungszeit von ca. 10 min nach einer Wartezeit von 1,6 Stunden erfolgen. Diese Betankungszeiten sind auf eine Betankungsmenge von 500 Nm³ Wasserstoff bezogen und anhängig von dem Speichervolumen des Nieder- sowie des Mitteldruckniveauspeichers.
Die gesamte, zweistufige Verdichterstation ist vorzugsweise in einem Betongehäuse, bestehend aus einem E- und einem Gasraum, untergebracht. Das Betongehäuse ist hierbei explosionsfest gefertigt - wie dies auch bei der Gasregelstationen der Fall ist.
Im E-Raum sind das Hydraulikaggregat sowie die gesamte E-Installation untergebracht. Der Antrieb der Verdichterstufen erfolgt über Hydrauliköl im Ex- geschützten Teil des Gehäuses (Gasraum). Alle Leitungsdurchführungen sollten gasdicht ausgeführt werden. In dem Gasraum sind alle Einbauten entsprechend Ex- Zone 1 auszuführen. Im Dach des Gasraumes befindet sich zweckmäßigerweise eine Druckentlastungsklappe. Ferner sollte die Raumluft in dem Gasraum auf einen Wasserstoffaustritt überwacht werden. Ein Wasserstoffaustritt führt dann zur Abschaltung der Verdichterstation und zu einem Abschotten der einzelnen Sektionen über pneumatische Schnellschlussventile.

Claims

1. Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters, insbesondere eines Kfz- Speicherbehälters, mit einem gasförmigen Treibstoff, insbesondere mit gasförmigem Wasserstoff, auf einen Druck von mehr als 300 bar, wobei der Treibstoff verdichtet und zwischengespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- der verdichtete Treibstoff auf wenigstens drei Druckniveaus, vorzugsweise auf wenigstens einem Nieder- (10), wenigstens einem Mittel- (13) und wenigstens einem Hockdruckniveau (18), zwischengespeichert wird,

- der zu betankende Speicherbehälter während des Betankungsvorganges zunächst aus dem Niederdruckniveauspeicher (10) und anschließend aus dem Mitteldruckniveauspeicher (13) betankt wird und

- nach Erreichen eines Ausgleichsdruckes zwischen dem zu betankenden Speicherbehälter und dem Mitteldruckniveauspeicher (13) das Befüllen des zu betankenden Speicherbehälters auf den Enddruck mittels wenigstens eines Verdichters (4, 8), der den gasförmigen Treibstoff aus dem Mitteldruckniveauspeicher (13) verdichtet, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherdruck des Niederdruckniveaus (10) zwischen 150 und 300 bar liegt, der Speicherdruck des Mitteldruckniveaus (13) zwischen 200 und 300 bar liegt und der Speicherdruck des Hochdruckniveaus (18) zwischen 400 und 450 bar liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Speichervolumen des Hochdruckniveaus (18) 1 bis 10% des maximalen Speichervolumens des Niederdruckniveaus (10) beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Speichervolumen des Hochdruckniveaus (18) 1 bis 10% des maximalen Speichervolumens des Mitteldruckniveaus (13) beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (4, 8) des gasförmigen Treibstoffes im Wesentlichen isotherm erfolgt.