DE102014015987A1 - Boil-Off-Gas-Management an Wasserstoff-Tankstellen - Google Patents

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Simon Schäfer
Johann Scheday
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle beschrieben, wobei diese wenigstens einen Speicherbehälter (S), der der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff dient und in dem zumindest zeitweilig Boil-off-Gas (6) anfällt, wenigstens eine Kryopumpe (C), die der Verdichtung des Wasserstoffs auf den gewünschten Abgabedruck dient, wenigstens einen Dispenser (D), über den der komprimierte Wasserstoff abgegeben wird, und die vorgenannten Komponenten verbindende Leitungen (1–4) aufweist. Erfindungsgemäß dient das anfallende Boil-off-Gas (6) zumindest teilweise der Kühlung wenigstens einer Komponente und/oder Leitung der Wasserstofftankstelle und/oder wird zumindest teilweise katalytisch verbrannt (K).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle, aufweisend
    • – wenigstens einen Speicherbehälter, der der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff dient und in dem zumindest zeitweilig Boil-off-Gas anfällt,
    • – wenigstens eine Kryopumpe, die der Verdichtung des Wasserstoffs auf den gewünschten Abgabedruck dient,
    • – wenigstens einen Dispenser, über den der komprimierte Wasserstoff abgegeben wird, und
    • – die vorgenannten Komponenten verbindende Leitungen.
  • Unter dem Begriff ”Wasserstofftankstelle” seien nachfolgend alle Einrichtungen zur Abgabe von verdichtetem, gasförmigen Wasserstoff an in mobilen oder stationären Geräten vorhandene Druckspeicherbehälter, die der Speicherung von verdichtetem Wasserstoff dienen, zu verstehen.
  • Bei der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff an Wasserstofftankstellen kommt es zwangsläufig zur Bildung von Boil-Off-Gas, das gegenwärtig entweder ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben oder einem sog. Boil-Off-Gas-Management-System zugeführt wird. Ein derartiges System weist bspw. einen Kompressor, der das Boil-Off-Gas verdichtet, so dass es ebenfalls für die Befüllung eines Druckspeicherbehälters verwendet werden kann, oder ein ein kleines Blockheizkraftwerk (Mini-BHKW) auf, das den Wasserstoff verbrennt.
  • Die Abgabe des Boil-Off-Gases an die Atmosphäre ist jedoch sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht unvorteilhaft. Die vorbeschriebene Komprimierung von Boil-Off-Gas ist anlagentechnisch vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv und daher im Regelfall nicht wirtschaftlich. Ein kommerzieller Einsatz dieses Konzepts bei Wasserstofftankstellen ist somit eher unwahrscheinlich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das in dem wenigstens einen Speicherbehälter anfallende Boil-Off-Gas zumindest teilweise der Kühlung wenigstens einer Komponente und/oder Leitung der Wasserstofftankstelle dient und/oder zumindest teilweise katalytisch verbrannt wird.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr die Wärmekapazität des Boil-Off-Gases zur Kühlung von Komponenten und/oder Leitungen der Wasserstofftankstelle verwendet. Die Kühlung und Beheizung derartiger Komponenten und Leitungen erfolgt bisher mittels elektrischer Energie.
  • In vorteilhafter Weise wird das Boil-Off-Gas zumindest teilweise für die Kühlung der die Kryopumpe und den Dispenser verbindenden Leitung verwendet. Aufgrund vorgegebener Rahmenbedingungen ist diese Leitung auf einen Temperaturbereich zwischen –40 und –33°C zu temperieren.
  • Alternativ oder ergänzend wird das Boil-Off-Gas katalytisch verbrannt. Nach Zugabe von Sauerstoff oder einem Sauerstoff-reichen Gasgemisch, wie beispielsweise Luft, kann das Boil-Off-Gas an einem geeigneten Katalysator flammlos verbrannt werden.
  • In vorteilhafter Weise wird die bei der katalytischen Verbrennung des Boil-Off-Gases entstehende Wärme zumindest teilweise der Anwärmung des mittels der Kryopumpe verdichteten Wasserstoffs, der dem Dispenser zugeführt wird, verwendet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die katalytische Verbrennung des Boil-Off-Gases in einer Wärme-speichernden Vorrichtung, vorzugsweise in einem Aluminiumblock, erfolgt, die bzw. der von dem anzuwärmenden Wasserstoff durchströmt wird. Mittels dieser Verfahrensweise wird erreicht, dass der gepumpte, tiefkalte Wasserstoff, der bei einem Druck von 900 bar eine Temperatur zwischen –220 und –60°C aufweist, auf eine gewünschte Temperatur z. B. –40°C angewärmt werden kann. Der Wasserstoff im Boil-Off-Gas wird im Beisein bzw. unter Zugabe von Sauerstoff aus Luft katalytisch zu Wasser verbrannt. Dieses Wasser wird in Form von Wasserdampf umweltverträglich über einen geeigneten Kamin an die Umgebung bzw. Atmosphäre abgegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Wasserstofftankstelle, nämlich einen Speicherbehälter S, der der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff dient, eine Kryopumpe C, die der Verdichtung des Wasserstoffs auf den gewünschten Abgabedruck dient, und einen Dispenser D, über den der komprimierte Wasserstoff an einen mobilen oder stationären Druckspeicherbehälter abgegeben wird. Ferner sind die vorgenannten Komponenten verbindende Leitungen 1 bis 4 dargestellt.
  • Der aus dem Speicherbehälter S über Leitung 1 abgezogene verflüssigte Wasserstoff wird in der Kryopumpe C auf den gewünschten Abgabedruck, der beispielsweise zwischen 750 und 900 bar liegt, verdichtet. Über Leitung 2 wird der verdichtete Wasserstoff, der beispielsweise eine Temperatur zwischen –220 und –60°C aufweist, durch einen Aluminiumblock T geführt und in diesem auf eine Temperatur von z. B: –40°C angewärmt. Über die Leitungsabschnitte 3 und 4 wird der verdichtete Wasserstoff dem Dispenser D zugeführt, aus dem er über die Befüllleitung 5 einem in der 1 nicht dargestellten Druckspeicherbehälter zugeführt wird.
  • Das in dem Speicherbehälter S anfallende Boil-Off-Gas 6 wird bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf zwei Teilströme 7 und 10 aufgeteilt. Der erste Boil-Off-Gas-Teilstrom 7 wird nach Zugabe von Luft 8 einem in dem Aluminiumblock T angeordneten Katalysator K zugeführt, in diesem katalytisch verbrannt und über Leitung 9 an die Atmosphäre abgegeben. Die bei der katalytischen Verbrennung am Katalysator K entstehende Wärme wird in dem Aluminiumblock T gespeichert und erwärmt den durch den Aluminiumblock T kontinuierlich oder diskontinuierlich strömenden Wasserstoffstrom 2. Sollte der Wärmeinhalt des katalytisch verbrannten Boil-Off-Gas-Teilstromes 7 nicht ausreichen, um den Wasserstoffstrom 2 auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, ist eine zusätzliche Heizvorrichtung, die in der 1 nicht dargestellt ist und bei der es sich beispielsweise um eine elektrische Heizvorrichtung handelt, vorzusehen.
  • Der zweite Boil-Off-Gas-Teilstrom 10 dient der Kühlung – dargestellt durch den Wärmetauscher E – der die Kryopumpe C und den Dispenser D verbindenden Leitungsabschnitte 3 und 4. Diese Leitungsabschnitte sind, wie bereits beschrieben, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen –40 und –33°C zu temperieren, um die geforderten Randbedingungen einhalten zu können. Nach erfolgter Abkühlung der Leitungsabschnitte 3 und 4 wird der Boil-Off-Gas-Teilstrom über Leitung 11 ebenfalls an die Atmosphäre abgegeben oder ebenfalls katalytisch verbrannt.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle kann die im Boil-Off-Gas enthaltende Energie und Enthalpie genutzt werden. Von besonderem Vorteil ist, dass aufgrund dieser Nutzung die benötigte Menge an elektrischer Energie beim Betrieb einer Wasserstofftankstelle wesentlich reduziert werden kann, da Kühlung und Heizung bisher im Wesentlichen mittels elektrischer Kühl- und Heizvorrichtungen realisiert werden. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle einfach aufgebaut, leicht zu regeln sowie skalierbar.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Wasserstofftankstelle, aufweisend – wenigstens einen Speicherbehälter (S), der der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff dient und in dem zumindest zeitweilig Boil-off-Gas (6) anfällt, – wenigstens eine Kryopumpe (C), die der Verdichtung des Wasserstoffs auf den gewünschten Abgabedruck dient, – wenigstens einen Dispenser (D), über den der komprimierte Wasserstoff abgegeben wird, und – die vorgenannten Komponenten verbindende Leitungen (1–4), dadurch gekennzeichnet, dass das in dem wenigstens einen Speicherbehälter (S) anfallende Boil-off-Gas (6) zumindest teilweise der Kühlung wenigstens einer Komponente und/oder Leitung der Wasserstofftankstelle dient und/oder zumindest teilweise katalytisch verbrannt wird (K).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der katalytischen Verbrennung (K) des Beil-Off-Gases (6) entstehende Wärme zumindest teilweise der Anwärmung des mittels der Kryopumpe (C) verdichteten Wasserstoffs dient (T).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Verbrennung (K) des Beil-Off-Gases (6) in einer Wärme-speichernden Vorrichtung, vorzugsweise in einem Aluminiumblock, erfolgt, die von dem anzuwärmenden Wasserstoff (2) durchströmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem wenigstens einen Speicherbehälter (S) anfallende Boil-off-Gas (6) zumindest teilweise der Kühlung (E) der die Kryopumpe (C) und den Dispenser (D) verbindenden Leitung (3, 4) dient.
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