DE102013002431A1 - Befüllung von Speicherbehältern mit einem gasförmigen, unter Druck stehenden Medium, insbesondere Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters (3) mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, bei dem jenes Medium über eine Tankzuleitung (9) in den Speicherbehälter (3) eingeleitet wird, wobei die Temperatur des Mediums beim Eintritt in den Speicherbehälter (3) und der Druck im Speicherbehälter (3) so gesteuert werden, dass die Enthalpie des in den Speicherbehälter (3) eingeleiteten Mediums in einem vorgegebene Enthalpieintervall (I) schwankt oder konstant ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff
  • Zum Betanken von Fahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff als Treibstoff sind speziell ausgebildete Tankstellen nötig, welche die zur Betankung notwendigen technischen und sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllen. So kann z. B. vorgesehen sein, dass der Wasserstoff innerhalb von drei Minuten in einen dafür ausgelegten Speicherbehälter (z. B. Fahrzeugtank) eingeleitet und auf einen Druck von 700 bar gebracht werden soll, ohne dass dabei die Temperatur im Speicherbehälter über 85°C ansteigt und ohne dass die Temperatur des Wasserstoffs unter –40°C fällt.
  • Vor dem Start des Betankungsvorgangs wird für gewöhnlich (z. B. entsprechend des Standards SAE 2601) ein Druck- und Dichtheitstest durchgeführt, bei dem der Druck im Speicherbehälter ermittelt wird und die Dichtheit der angeschlossenen Tankzuleitung bzw. des Speicherbehälters überprüft wird. Sodann beginnt die eigentliche Betankung, bei der für gewöhnlich mittels eines Rampenreglers eine Druckrampe zur Betankung des Speicherbehälters gefahren wird. Der exakte Druck und die exakte Temperatur nach dem Betankungsvorgang lassen sich bei dieser Art der Betankung nur vergleichsweise ungenau ermitteln, besonders wenn der Speicherbehälter zu Beginn des Betankungsvorgangs vergleichsweise leer ist. Damit der Wasserstoff bei besagter Rampe keine Temperaturen über 85°C annimmt (durch die Drucksteigerung im Speicherbehälter steigt auch die Temperatur) muss der Wasserstoff innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf einen Temperaturbereich von –33°C bis –40°C gekühlt werden. Das dazu erforderliche Kühlsystem benötigt vergleichsweise viel Bauraum und Energie, was sich je nach Anordnung in der Tankstelle negativ auf die Kosten und auch auf die Schadensanfälligkeit des Kühlsystems auswirken kann.
  • Da ein derartiges Kühlsystem beim Durchlaufen der besagten Druckrampe kontinuierlich von Wasserstoff durchströmt wird, müssen solche Kühlsysteme mit einer relativ hohen Temperaturuntersetzung arbeiten, um die gewünschte Kühlung des Wasserstoffs an der Zapfstelle zu bewirken, was sich nachteilig auf den Energieverbrauch dieser Kühlsysteme auswirkt.
  • Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches den Wirkungsgrad des Kühlsystems erhöht und eine bessere Bestimmung der Temperatur und des Drucks im Speicherbehälter nach dem Betankungsvorgang erlaubt.
  • Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind des Weiteren in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters, insbesondere in Form eines Fahrzeugtanks, mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, jenes Medium über eine Tankzuleitung in den Speicherbehälter eingeleitet wird, wobei die Temperatur des Mediums beim bzw. kurz vor dem Eintritt in den Speicherbehälter und der Druck im Speicherbehälter so gesteuert werden, dass die Enthalpie oder eine dazu proportionale Größe des in den Speicherbehälter eingeleiteten Mediums innerhalb eines vorgegebenen Enthalpieintervalls schwankt oder idealerweise konstant ist.
  • Beider Enthalpie H = U + pV handelt es sich dabei bekanntermaßen um die Summe aus der inneren Energie U des betrachteten Mediums sowie der Volumenarbeit pV die gegen den Druck p verrichtet werden muss, um das Volumen V zu erzeugen, das vom System im betrachteten Zustand eingenommen wird. Für einen isenthalpen Prozess, also einen Prozess mit konstanter Enthalpie, gilt dH = dU + Vdp = 0.
  • Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass beim Betanken die relative Schwankung der Enthalpie geringer ist als 20%, bevorzugt geringer als 10%, besonderes bevorzugt geringer als 5%, besonders bevorzugt geringer als 1%.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur des Wasserstoffs beim Eintritt in den Speicherbehälter und der Druck im Speicherbehälter durch Einleiten eines entsprechend temperierten Massenstromes des besagten Mediums in den Speicherbehälter so gesteuert werden, dass die Enthalpie oder eine dazu proportionale Größe des in den Speicherbehälter eingeleiteten Mediums hin und her schwankt, wobei insbesondere die Enthalpie vorzugsweise quasi periodisch hin und her schwankt bzw. um einen konstanten Enthalpiewert schwankt.
  • Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein durch einen Wärmeübertrager kühlbares Volumen der Tankzuleitung mit dem Medium so befüllt, dass der im Wärmeübertrager herrschende Druck größer ist als der im Speicherbehälter herrschende Druck wobei das im Volumen befindliche Medium durch den Wärmeübertrager gekühlt wird, so dass insbesondere bei der Kompression des Mediums im Volumen entstehende Wärme mittels des Wärmeübertragers abgeführt wird, und wobei das in dem Volumen befindliche Medium über eine stromab des Volumens vorgesehene Drossel entspannt und so in den Speicherbehälter abgelassen wird (dieser Vorgang wird auch als Pulsation bezeichnet), dass der Druck und die Temperatur des Mediums im Speicherbehälter steigen und somit die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter um einen gewissen Betrag ansteigt, wobei durch die Entspannung die Temperatur des noch in dem Volumen befindlichen Mediums absinkt, so dass das aus dem Volumen in den Speicherbehälter nachströmende Medium das im Speicherbehälter befindliche Medium abkühlt und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter wieder absinkt.
  • In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein weiteres durch einen weiteren Wärmeübertrager kühlbares Volumen der Tankzuleitung mit dem Medium vorgefüllt wird, so dass – wie zuvor – der im weiteren Wärmeübertrager herrschende Druck größer ist als der im Speicherbehälter herrschende Druck, wobei das im weiteren Volumen befindliche Medium durch den weiteren Wärmeübertrager gekühlt wird, so dass insbesondere bei der Kompression des Mediums im weiteren Volumen entstehende Wärme mittels des weiteren Wärmeübertragers abgeführt wird, und wobei das in dem weiteren Volumen befindliche Medium über die stromab des weiteren Volumens vorgesehene Drossel entspannt und so in den Speicherbehälter abgelassen wird, dass der Druck und die Temperatur des Mediums im Speicherbehälter steigen und somit die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter ansteigt, und wobei durch die Entspannung die Temperatur des noch in dem weiteren Volumen befindlichen Mediums absinkt, so dass das aus dem weiteren Volumen in den Speicherbehälter nachströmende Medium das im Speicherbehälter befindliche Medium abkühlt und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter wieder absinkt.
  • Bevorzugt wird das in das eine Volumen vorgefüllte Medium zeitlich versetzt zu dem in das weitere Volumen vorgefüllte Medium in den Speicherbehälter abgelassen.
  • Dieser Prozess-Vorfüllen des Volumens oder der Volumina und Ablassen des Mediums über die Drossel in den Speicherbehälter – wird zum Betanken des Speicherbehälters bevorzugt wiederholt durchgeführt, so dass die Enthalpie im Wesentlichen in dem besagten Enthalpieintervall hin und her schwankt bzw. oszilliert.
  • Der oder die Wärmeübertrager weisen bevorzugt jeweils einen Thermoblock aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, auf (sog. ”Alu Cold Fill”), der einen Abschnitt bzw. das besagte jeweilige Volumen der Tankzuleitung umgibt bzw. ausbildet, wobei jener Thermoblock vorzugsweise mittels eines Kühlkreislaufs gekühlt wird, in dem z. B. ein Kühlmedium zirkuliert.
  • Weiterhin kann die besagte Drossel so gesteuert werden, dass die besagte Pulsation in dem mindestens einen Wärmeübertrager verbessert wird bzw. das Enthalpieintervall verkleinert wird. Mit anderen Worten wird hierdurch der Befüllprozess einem idealen isenthalpen Prozess angenähert. Das Verfahren kann natürlich auch mit einer fixen Drossel durchgeführt werden.
  • Im Ergebnis kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Endtemperatur des Befüllvorgangs bzw. des Mediums besser bestimmt werden, und zwar durch die Berechnung einer isenthalpen Befüllung; die bisher benutzte polytrope Befüllung wird durch eine Isenthalpe ersetzt]. Vor allem im kritischen Bereich (Befüllung eines leeren Fahrzeugtanks) kann die Genauigkeit aufgrund der isenthalpen Befüllung anstelle einer isentopen Befüllung enorm gesteigert werden.
  • Weiterhin wird durch die enthalpieabängige Pulsation in dem mindestens einen Wärmeübertrager zusätzlich die Kälteleistung erhöht. Dadurch kann mit einem geringeren Temperaturgefälle zwischen den Kühlmedien gearbeitet werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 schematische Darstellung einer Betankungseinrichtung zum idealerweise isenthalpen Betanken eines Speicherbehälters (z. B. Fahrzeugtank) mit Wasserstoff; und
  • 2 einen beispielhaften Verlauf der Temperatur und Enthalpie des Wasserstoffs in dem Speicherbehälter (z. B. Fahrzeugtank) beim erfindungsgemäßen Betanken des Speicherbehälters mit Wasserstoff.
  • 1 zeigt eine Betankungseinrichtung 1 zum Betanken eines mit einer Tankzuleitung 9 verbindbaren Speicherbehälters 3 in Form eines Fahrzeugtanks. Hierbei wird Wasserstoff über einen Verdichter 10 und ein stromab des Verdichters 10 angeordnetes, regelbares Ventil 5 in einen ersten Wärmeübertrager 4 geleitet, der einen Abschnitt bzw. ein bekanntes Volumen 91 der Tankzuleitung 9 kühlt. Der Wärmeübertrager 4 wird dabei bevorzugt durch einen Thermoblock gebildet, der das besagte Volumen 91 der Tankzuleitung 9 umgibt bzw. ausbildet und durch einen Kühlkreislauf gekühlt wird. Der Thermoblock besteht vorzugsweise aus Aluminium (sog. Alu Cold Fill). Mittels des Wärmeüberträgers 4 wird der Wasserstoff auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt. Stromab des Wärmeüberträgers 4 ist ein Druck- und ein Temperatursensor 71, 72 vorgesehen, die den Druck bzw. die Temperatur des Wasserstoffs stromauf einer insbesondere regelbaren Drossel 6 ermitteln. Stromab der Drossel 6 ist eine Massendurchflussmesseinheit 11 angeordnet, die zum Erfassen des Massenstromes des in den Speicherbehälter 3 geleiteten Wasserstoffes dient. Ferner ist stromab der Massendurchflussmesseinheit 11 ein weiterer Druck- und ein weiterer Temperatursensor 81, 82 an der Tankzuleitung 9 vorgesehen, mit denen der Druck im Speicherbehälter 3 sowie die Temperatur des in den Speicherbehälter 3 eingeleiteten Wasserstoffs erfassbar ist. Aus den Messwerten der Sensoren 71, 72, 81, 82 bzw. der Einheit 11 wird insbesondere ermittelt, wie der Massendurchfluss, der Druck und die Temperatur des Wasserstoffs konditioniert sein müssen, damit die Betankung im Wesentlichen isenthalp verläuft, also die Enthalpie des Wasserstoffs sich beim Betanken innerhalb eines vorgegeben Enthalpieintervalls I bewegt.
  • Ein solcher erfindungsgemäßer Befüllvorgang ist in der 2 beispielhaft anhand eines qualitativen Temperaturverlaufs V der mit dem Temperatursensor 81 gemessenen Temperatur T des in den Speicherbehälter 3 eingeleiteten Wasserstoffs sowie eines qualitativen Verlaufs V' der Enthalpie des in den Speicherbehälter 3 gefüllten Wasserstoffs gezeigt. Dabei ist auf der Ordinate die Temperatur T bzw. die Enthalpie H in arbiträren Einheiten aufgetragen und auf der Abszisse die Zeit t. Der periodische Anstieg der Temperatur T im Speicherbehälter 3 entsteht durch die Variation des Drucks des Wasserstoffs mit dem der Speicherbehälter 3 betankt wird. Die gerade durchgezogene Linie repräsentiert zum Vergleich einen fiktiven durchschnittlichen Temperaturverlauf.
  • Zur Betankung des Speicherbehälters 3 wird eine definierte Menge Wasserstoff über das Ventil 5 in das Volumen 91 des Wärmeüberträgers 4 gegeben und dort auf eine initiale Temperatur vorgekühlt. Aufgrund der Drossel 6 liegt der initiale Druck des Wasserstoffs in dem Volumen 91 dabei über dem des Speicherbehälters 3. Über die Drossel 6 wird der Wasserstoff sodann in den Speicherbehälter 3 geleitet, so dass ein definierter Temperaturanstieg T1 im Speicherbehälter 3 bewirkt wird, was wiederum einen Anstieg H1 der Enthalpie zur Folge hat. Durch den in den Speicherbehälter 3 einströmenden Wasserstoff sinkt der Druck und die Temperatur des Wasserstoffs in dem Volumen 91 des Wärmeüberträgers 4, was zu einem Nachfließen von kälterem Wasserstoff bei geringerem Druck aus dem Wärmeübertrager 4 bzw. dem Volumen 91 über die Drossel 6 in den Speicherbehälter 3 führt, derart, dass die Temperatur T2 des Wasserstoffs sowie die Enthalpie H2 im Speicherbehälter 3 wieder sinkt. Der Vorgang wird dabei so gesteuert, dass sich die Enthalpie in einem vorgegebenen Enthalpieintervall I bewegt.
  • Ein weiteres Bedrücken des Volumens 91 des Wärmeüberträgers 4 über das Ventil 5 führt zu einer erneuten Druck- und Temperaturerhöhung im Wärmeüberträger 4 (Die Temperaturerhöhung entsteht in der Hauptsache durch den wachsenden Druck), wobei der Wärmeübertrager 4 dem Wasserstoff die kompressionsbedingte Wärme wiederum sofort entzieht, so dass sich der Wasserstoff abkühlt. Ausgehend von dieser sich im Wärmeübertrager 4 einstellenden Temperatur wird der Wasserstoff wiederum über die Drossel 6 in den Speichertank 3 geleitet, was wiederum zu einem Anstieg der Temperatur T3 im Speicherbehälter und einem damit verbunden Enthalpieanstieg H3 im Speichertank 3 führt, diesmal allerdings unter erhöhten Druckbedingungen. Durch den aus dem Wärmeübertrager 4 bzw. dem Volumen 91 ausströmenden Wasserstoff und die damit verbundene Druckabsenkung, kühlt sich der noch im Volumen 91 befindliche Wasserstoff ab, was wiederum zu einem Nachströmen von kälterem Wasserstoff aus dem Wärmeübertrager 4 in den Speicherbehälter 3 führt (bei T4). Dieses Verfahren wird bis zum Erreichen eines gewünschten Drucks bzw. einer gewünschten Temperatur Tn wiederholt, so dass am Ende des Betankungsvorgangs ein definierter Druck und eine definierte Temperatur Tn im Speicherbehälter 3 herrschen. Wichtig bei diesem Verfahren ist insbesondere, dass die Enthalpie im Speicherbehälter 3 im Verlauf des Betankungsvorgangs durch diese Art der Betankung idealerweise konstant bleibt bzw. innerhalb des besagten Intervalls schwankt.
  • Um das Schwankungsintervall I möglichst gering zu halten, kann es nützlich sein, die Drosselung des Wasserstoffs in den Speicherbehälter 3 über die Drossel 6 variabel zu gestalten, d. h., den Massenstrom des Wasserstoffs mittels der Drossel 6 zu regeln. Eine weitere Maßnahme zur Verkleinerung des Schwankungsintervalls I und zur schnelleren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung eines weiteren, parallel geschalteten Wärmeüberträgers, der vorzugsweise antizyklisch zum Wärmeübertrager 4 betrieben wird, d. h., die oben beschriebenen Nachfüll-, Kühl und Ausströmperioden des einen Wärmeüberträgers 4 finden zeitlich versetzt im weiteren Wärmeübertrager statt.
  • Um den Wärmeeintrag in den Speicherbehälter 3 überwachen zu können, ist es insbesondere notwendig, den Massendurchfluss in den Speicherbehälter 3 zu erfassen. Dies geschieht insbesondere durch ein Massendurchflussmessgerät 11. Das Profil des Temperatur- V und Enthalpieverlaufs V' kann im realen Betrieb insbesondere durch verrundete, harmonische (z. B. sinusförmige) Schwankungen charakterisiert sein.
  • Die Abkühlung des Wasserstoffs durch die beschriebene Druckabsenkung im Volumen 91 des Wärmeüberträgers 4 und gegebenenfalls auch im weiteren Wärmeüberträger trägt zusätzlich zur Kühlung des Wasserstoffs bei, was insbesondere eine energiesparendere Betankung des Speicherbehälters 4 gegenüber dem Stand der Technik, der eine konstante Druck- oder Massenrampe vorsieht, gewährleistet. Dabei ist zu beachten, dass die Temperaturabnahme durch die Druckabsenkung in dem Wärmetauscher 4 und ggf. dem weiteren Wärmetauscher durch das jeweilige Volumen 91 bestimmt ist; je kleiner das Volumen 91 desto größer die Temperaturabnahme. Bezugszeichenliste
    1 Betankungseinrichtung
    3 Speicherbehälter
    4 Wärmeüberträger
    5 Ventil
    6 Drossel
    71 Drucksensor
    72 Temperatursensor
    81 Drucksensor
    82 Temperatursensor
    9 Tankzuleitung
    91 Volumen
    10 Verdichter
    11 Massendurchflussmesseinheit
    H1, H3 Enthalpieanstieg
    H2 Enthalpieabnahme
    V Zeitlicher Temperaturverlauf
    V' Zeitlicher Enthalpieverlauf
    T1, T3 Temperaturanstieg
    T2, T4 Temperaturabnahme
    I Enthalpieintervall
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Standards SAE 2601 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betanken eines Speicherbehälters (3) mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, bei dem jenes Medium über eine Tankzuleitung (9) in den Speicherbehälter (3) eingeleitet wird, wobei die Temperatur des Mediums beim Eintritt in den Speicherbehälter (3) und der Druck im Speicherbehälter (3) so gesteuert werden, dass die Enthalpie oder eine dazu proportionale Größe des in den Speicherbehälter (3) eingeleiteten Mediums in einem vorgegebene Enthalpieintervall (I) schwankt oder konstant ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Schwankung der Enthalpie beim Betanken kleiner ist als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5%, besonders bevorzugt kleiner als 1%.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums beim Eintritt in den Speicherbehälter (3) und der Druck im Speicherbehälter (3) so gesteuert werden, dass die Enthalpie oder jene dazu proportionale Größe des in den Speicherbehälter (3) eingeleiteten Mediums in jenem Enthalpieintervall (I) hin- und her schwankt, insbesondere periodisch.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch einen Wärmeüberträger (4) kühlbares Volumen (91) der Tankzuleitung (9) mit dem Medium vorgefüllt wird, so dass der im Wärmeübertrager (4) herrschende Druck größer ist als der im Speicherbehälter (3) herrschende Druck, wobei das im Volumen (91) befindliche Medium durch den Wärmeübertrager (4) gekühlt wird, und wobei das in dem Volumen (91) befindliche Medium über eine stromab des Volumens (91) vorgesehene Drossel (6) entspannt und so in den Speicherbehälter (3) abgelassen wird, dass der Druck und die Temperatur des Mediums im Speicherbehälter (3) steigen und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter (3) ansteigt, und wobei durch die Entspannung die Temperatur des noch in dem Volumen (91) befindlichen Mediums absinkt, so dass das aus dem Volumen (91) in den Speicherbehälter (3) nachströmende Medium das im Speicherbehälter (3) befindliche Medium abkühlt und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter (3) wieder absinkt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres, durch einen weiteren Wärmeübertrager kühlbares Volumen der Tankzuleitung (9) mit dem Medium vorgefüllt wird, so dass der im weiteren Wärmeübertrager herrschende Druck größer ist als der im Speicherbehälter (3) herrschende Druck, wobei das im weiteren Volumen befindliche Medium durch den weiteren Wärmeübertrager gekühlt wird, und wobei das in dem weiteren Volumen befindliche Medium über die Drossel (6) entspannt und so in den Speicherbehälter (3) abgelassen wird, dass der Druck und die Temperatur des Mediums im Speicherbehälter (3) steigen und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter (3) ansteigt, und wobei durch die Entspannung die Temperatur des noch in dem weiteren Volumen befindlichen Mediums absinkt, so dass das aus dem weiteren Volumen in den Speicherbehälter (3) nachströmende Medium das im Speicherbehälter (3) befindliche Medium abkühlt und die Enthalpie des Mediums im Speicherbehälter (3) wieder absinkt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in das eine Volumen (91) vorgefüllte Medium zeitlich versetzt zu dem in das weitere Volumen vorgefüllte Medium in den Speicherbehälter (3) abgelassen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine und/oder das weitere Volumen (91) zum Betanken des Speicherbehälters (3) wiederholt mit dem Medium vorgefüllt wird und jenes Medium jeweils über die Drossel (6) in den Speicherbehälter (3) abgelassen wird.
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