DE102015016327A1

DE102015016327A1 - Tankstelle mit Konstantdruckspeicher

Info

Publication number: DE102015016327A1
Application number: DE102015016327.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Christoph Nagl; Markus Rasch; Michael Stefan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017102059A1; TW201727134A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankstelle und ein Verfahren zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen (33) an einer Tankstelle, wobei das Gas in einem oder in mehreren Konstantdruckspeichern (25) gelagert ist und über eine Gaskonditioniereinheit (24) und eine Zapfsäule (30) in einer Ausspeicherphase abgegeben wird. Der Druck wird in dem einen oder in mehreren Konstantdruckspeichern (25) während einer Ausspeicherphase dadurch konstant gehalten, dass eine Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher (26) in den einen oder in mehrere Konstantdruckspeicher (25) gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankstelle zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen mit einem Gas und ein Verfahren zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen an einer Tankstelle.
Gasförmige Stoffe, wie Wasserstoff oder Erdgas, werden immer häufiger als Kraftstoff für Fahrzeuge, sei es in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen, eingesetzt. Konzepte für Tankstellen zur Betankung der Fahrzeuge mit gasförmigen oder flüssigem Kraftstoff, wie Wasserstoff oder Erdgas, sind bekannt, insbesondere für Autos, Busse, Fahrräder, Lastkraftwagen oder Gabelstapler. Aufgrund der noch nicht weit fortgeschrittenen Markteinführung der Fahrzeuge, insbesondere von Fahrzeugen, die mit Wasserstoff betankt werden, sind die Investitionskosten für Tankstellen sehr hoch. Herkömmliche Tankstellen benötigen zahlreiche Komponenten, die einen hohen Aufwand an Investitions- und Wartungskosten bedeuten (siehe 1). Dazu zählen in der Regel Gasspeicher für mehrere Druckstufen, Verdichter, Kompressoren, Pumpen und Steuereinheiten. Die so anfallenden Kosten, machen bei gleichzeitig geringer Benutzung der Tankstelle, insbesondere Wasserstofftankstellen, unrentabel. Je weniger geeignete Tankstellen es jedoch gibt, desto geringer sind die Chancen auf eine breite Markteinführung von Fahrzeugen die auf Wasserstoff angewiesen sind. Tankstellen, die zur Betankung von Fahrzeugen mit Erdgas eingerichtet sind, sind zwar schon seit längerem in Betrieb und bekannt, jedoch wird das Erdgas bei geringeren Drücken von max. 100 bis 300 bar gespeichert. Moderne Fahrzeuge verfügen jedoch über Speichertanks, bei denen Wasserstoff bei höheren Drücken gespeichert wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die Reichweiten der Fahrzeuge erhöhen. Aufgrund der stofflichen Eigenschaften von Wasserstoff, müssen zudem die Vorrichtungsbestandteile anderen Ansprüchen genügen als beispielsweise bei Erdgas, um die nötige Sicherheit und Laufzeit der Tankstellen zu gewährleisten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Tankstelle zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen mit einem Gas, insbesondere mit Wasserstoff, aufzuzeigen, die trotz geringer Nutzung wirtschaftlich arbeitet.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Konstantdruckspeicher über eine Flüssigkeitspumpe mit einem Flüssigkeitsspeicher sowie einer Gaskonditioniereinheit in Verbindungen stehen und diese Gaskonditioniereinheit mit einer Vorrichtung zur Befüllung der Speicherbehälter in mobilen Fahrzeugen in Verbindung steht. Das bedeutet in anderen Worten, die Tankstelle umfasst eine Konstantdruckspeichereinheit und mindestens eine Zapfsäule oder Gasabgabevorrichtung, aber keine Versorgungseinrichtungen mehr. Bevorzugt ist die Tankstelle so ausgestaltet, dass der eine oder mehrere Konstantdruckspeicher von einem mobilen Speicherbehälter aus befüllt werden können. Die Tankstelle selbst weist so nur noch die Konstantdruckspeicher auf und keine weiteren Gasspeicher, mit unterschiedlichen Druckstufen. Zudem fallen Kosten für zusätzliche Verdichter weg, wenn diese ebenfalls mobil sind. So sind beispielsweise der mobile Speicherbehälter und/oder der mobile Verdichter auf einem Tanklastwagen installiert. Diese Tanklastwagen, mit Speicherbehälter und Verdichter, können dann dazu genutzt werden die Konstantdruckspeicher zu befüllen. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet, dass als Gas Wasserstoff verwendet werden kann. Dies ist wichtig besonders für die Auswahl der Materialien aus denen die Konstantdruckspeicher und insbesondere alle Dichtungen und Ventile gefertigt sind. Besonders bevorzugt sind die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet, dass der Wasserstoff bei 235 bis 5000 bar, bevorzugt bei 301 bar bis 1200 bar, insbesondere bei 620, 700, 850, 900 oder 1000 bar gelagert sowie eingespeichert werden kann. Werte unterhalb 235 bar sind zwar denkbar, jedoch aufgrund der geringen Speicherkapazität nicht sinnvoll.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet, dass der Wasserstoff bei einem Druck von 235 bis 1000 bar, bevorzugt bei 300 bis 900 bar und insbesondere bei 350 bis 700 bar und einer Temperatur von –45°C bis 80°C, insbesondere von –40°C bis 60°C an den Speicherbehälter des mobilen Fahrzeugs überführt werden kann. Insbesondere die Temperatur darf nur um +/–10% von der gewünschten Temperatur abweichen und liegt bevorzugt im Bereich von –40°C bis –33°C. Dies wird bevorzugt dadurch realisiert, dass das Gas vor der Betankung durch einen entsprechenden Wärmetauscher abgekühlt wird, sowie die Temperatur während des gesamten Betankungsvorgangs überwacht und ggfs. nachgeregelt wird.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das Gas in einem oder in mehreren Konstantdruckspeichern gelagert ist und über eine Gaskonditioniereinheit und eine Zapfsäule in einer Ausspeicherphase abgegeben wird und das der Druck in dem einen oder in den mehreren Konstantdruckspeichern während einer Ausspeicherphase dadurch konstant gehalten wird, dass eine Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher in den einen oder in mehrere Konstantdruckspeicher gefördert wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gas um Wasserstoff. Das Gas, insbesondere Wasserstoff wird vorteilhafterweise bei 235 bis 5000 bar, bevorzugt bei 301 bar bis 1200 bar, insbesondere bei 620, 700, 850, 900 oder 1000 bar gelagert. Die Betankung eines leeren Fahrzeugtanks mit einem Speicherdruck von 700 bar, dauert daher nur mehr 2 bis 10 min bei einer Abgabe von 2,0 bis 10 kg H₂. Bei größeren Fahrzeugen, wie Bussen, LKWs oder Straßenreinigungsfahrzeugen wird dies meistens ohne Gaskonditioniereinheit realisiert. Die Betankungszeiten bewegen sich bei der Verwendung von Konstantdruckspeichereinheiten auch bei Mengen von 10 bis 40 kg H2 zwischen 2 und 10 min. So fasst beispielsweise ein Wasserstofftank eines Autos 3,5 kg Wasserstoff. Wenn nun der Speicherdruck des Konstantdruckspeichers bei 900 bar liegt, dauert die Betankung ungefähr 3 min. Dies führt, abhängig von der Umgebungstemperatur zu einem Wasserstoffdruck im Fahrzeug von, 650 bis 900 bar.
Die Tankstelle ist jedoch so ausgestaltet, dass wenn die Menge an Gas in der Konstantdruckspeichereinheit nicht mehr ausreicht, weil die Anzahl an Betankungen steigt, eine Nachrüstung mit einer Versorgungseinrichtung oder mit weiteren Konstantdruckspeichereinheiten möglich ist. So bietet sich der Vorteil, die Investitionsund Wartungskosten zu Beginn der Markteinführung von Wasserstoffautos gering zu halten, was eine weite Verbreitung von derartigen Tankstellen fördern wird. Wenn dann mehr Fahrzeuge, welche mit Wasserstoff betrieben werden vorhanden sind und die Anzahl an Betankungen steigt, können die notwendigen weiteren Investitionen getätigt werden. Das unternehmerische Risiko für Tankstellenbetreiber in neue Technologien zu investieren wird so gesenkt. Gleichzeitig wird bei einer höheren Tankstellendichte die Bereitschaft in der Bevölkerung für alternative Antriebe erhöht. Interessant ist eine erfindungsgemäße Tankstelle jedoch auch für Firmen, die eine firmeneigene Fahrzeugflotte mit Wasserstoff betreiben, beispielsweise Gabelstapler, oder für Privatpersonen, welche den Verbrauch an Wasserstoff präzise abschätzen können und so eine individualisierte Wasserstoffversorgung aufbauen können. Dies bietet sich besonders an, da die Konstantdruckspeichereinheiten modular gebaut werden können und insbesondere durch Auswahl der Anzahl an Konstantdruckspeicher individualisiert werden können.
Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Bedeutung der verwendeten Begriffe sollen diesen im Folgenden nochmals kurz erklärt werden.
Als Konstantdruckspeichereinheit wird eine Vorrichtung verstanden, die insbesondere zum Befüllen von kleineren, mobilen oder stationären Speichertanks genutzt werden kann. Die Konstantdruckspeichereinheit selbst kann stationär aufgebaut sein, insbesondere als Teil einer Tankstelle. Eine Konstantdruckspeichereinheit umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere Konstantdruckspeicher, eine Flüssigkeitsversorgung, also mindestens eine Flüssigkeitspumpe und mindestens einen Speicherbehälter für die Flüssigkeit und gegebenenfalls eine Gaskonditioniereinheit zur Anpassung des Gases an die Anforderungen an den Verbraucher. Es versteht sich, dass außerdem unterschiedliche Ventile, Regler und Sensoren zum Betrieb der Anlage vorhanden sind.
Bei der Verwendung von Konstantdruckspeichern kann auf Verdichter oder Kompressoren zwischen dem Konstantdruckspeicher und dem Verbraucher verzichtet werden. Investitions- und Wartungskosten können so gesenkt werden.
Herkömmliche Druckspeichereinrichtungen durchlaufen beim Entleeren und Befüllen viele Lastwechsel. Gerade bei der Speicherung von gasförmigem Treibstoff, insbesondere von Wasserstoff, werden die Speicherkapazitäten vor allem dadurch erhöht, dass größere Speicherdrücke verwendet werden. Dies erhöht die Belastung durch Lastwechsel zusätzlich. Aufgrund der stärkeren Nachfrage nach Wasserstoff und der Inbetriebnahme von Wasserstofftankstellen steigt die Nachfrage nach stabilen, langlebigen und wartungsarmen Speichersystemen. Herkömmliche Materialien und Vorrichtungen sind jedoch kostenintensiv oder nicht stabil genug. Wie bereits in WO2015051894 dargestellt, bieten Konstantdruckspeichereinheiten eine Alternative, da die Anzahl an Lastwechsel deutlich reduziert wird. Die Lebensdauer von Tankstellen kann dadurch deutlich verlängert werden.
Konstantdruckspeicher sind dazu vorgesehen Verbrauchern ein Gas mit einem bestimmten, konstanten Druck zur Verfügung zu stellen und zählen so zur Gruppe der Gasdruckspeicher. In der Regel ist der Druck in einem Gasspeicher abhängig von dessen Füllstand und der Druck muss beispielsweise über Verdichter bei der Abgabe an den Verbraucher angepasst werden.
Die Abgabe von Gas mit einem konstanten Druck ist vor allem bei Betankungsvorgängen, also dem befüllen kleinerer, mobiler oder stationärer Speichertanks hilfreich. Der Tankvorgang ist einfacher auslegbar, bei konstanten Druckverhältnissen. Zudem kann ein Druck gewählt werden, bei dem ein einfaches Überströmen des Gases realisiert werden kann.
Die Konstantdruckspeicher selbst können durch mobile Einrichtungen, wie zum Beispiel durch entsprechende Tankfahrzeuge oder auch stationär, beispielsweise durch Druckerhöhungsanlagen, in einer Einspeicherphase befüllt werden.
Ein Konstantdruckspeicher umfasst im Allgemeinen einen Zylinder, welcher durch einen beweglichen Trennkolben in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Ein erster Bereich ist zur Aufnahme eines Gases ausgebildet und ein zweiter Bereich zur Aufnahme einer Flüssigkeit. Als Gas wird insbesondere Wasserstoff oder Erdgas verwendet. Als Flüssigkeit wird bevorzugt Wasser oder eine schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeit, welche Wasser und Polyglykol enthalten kann (z. B. HFC) oder eine mineralölbasierte Hydraulikflüssigkeit (z. B. HLP) verwendet.
Das Prinzip eines Konstantdruckspeichers beruht darauf, dass während einer Einspeicherphase der Druck des Gases im ersten Bereich, dem Gasbereich, durch Vergrößerung des Volumens im ersten Bereich konstant gehalten wird, dadurch, dass sich der Trennkolben verschiebt und das Volumen des zweiten Bereiches kleiner wird. Während der Ausspeicherphase wird das Volumen des ersten Bereiches verkleinert in dem mehr Flüssigkeit in den zweiten Bereich gefördert wird und das Volumen des zweiten Bereiches so vergrößert wird, so dass wiederum der Druck im ersten Bereich konstant gehalten wird.
In einer Gaskonditioniereinheit sind alle Verfahrensschritte zusammengefasst, welche notwendig sind um das Gas, welches aus einem Konstantdruckspeicher ausgespeichert wird für den Abnehmer vorzubereiten. Hierzu können unter anderem Trocknungsschritte, die Anpassung und/oder Überwachung der Temperatur oder eine Drucküberwachung sowie eine Kontrolle und Bestimmung der Abgabemenge zählen.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren schematisch dargestellt. Die verwendeten Bezugszeichen sind in beiden dargestellten Ausführungsbeispielen gleich gewählt, wenn gleiche Teile beschrieben werden.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Tankstelle nach Stand der Technik.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Tankstelle.
Die Ausführungsbeispiele umfassen die wichtigsten Vorrichtungskomponenten einer Tankstelle. Der Einfachheit halber sind kleinere, dem Fachmann bekannte Vorrichtungsbestandteile, wie beispielsweise Ventile, Regler, einfache Pumpen und Sensoren nicht dargestellt. 1 zeigt eine Wasserstofftankstelle nach derzeitigem Stand der Technik. Diese ist ausgerüstet mit einer Versorgungseinheit 10, die in diesem Fall aus einem Vorort fest installiertem Wasserstofftank 11 besteht. Dort wird der Wasserstoff in der Regel bei einem Druck von 1 bis 220 bar gespeichert. Der Wasserstofftank 11 steht in Verbindung mit einer Verdichterstation 20 und hierbei insbesondere mit einer Kompressoreinheit 21. Die Kompressoreinheit 21 steht wiederum über die Banksteuerung 22 mit einem Hochdruckspeicher 23, von beispielsweise 1000 bar in Verbindung oder mit der Gaskonditioniereinheit 24. Die Gaskonditioniereinheit 24 reduziert stellt die Temperatur des Wasserstoff auf –20 bis –50°C ein und steht mit der Zapfsäule 30 in Verbindung. Die wesentlichen Bestandteile der Zapfsäule 30 umfassen Zapfsäulenventile 31 und eine Temperaturkompensationseinheit 32 um die Temperatur in einem Bereich von –50 bis +80°C, insbesondere bei –40 bis –20°C zu halten. Die Zapfsäule 30 steht wiederum in Verbindung mit einem mobilen Speichertank, insbesondere mit Autos, Bussen, Fahrrädern oder weiteren Fahrzeugen, welche mit Wasserstoff angetrieben werden.
2 zeigt eine Ausgestaltungsform einer Wasserstofftankstelle nach der vorliegenden Erfindung. Diese Wasserstofftankstelle verfügt nun nicht mehr über einen Vorort installierten Wasserstofftank, sondern wird über einen mobilen Speicherbehälter 12, vorzugweise von einem Tanklastzug, mit Wasserstoff versorgt. Dieser wird direkt in die Konstantdruckspeicher 25 eingespeichert. Der angelieferte Wasserstoff wird bereits auf einem Druckniveau von 500 bis 900 bar angeliefert oder über einen mobilen Verdichter, welcher vorzugsweise auf dem Tanklastzug vorhanden ist, auf den entsprechenden Speicherdruck gebracht. Die Konstantdruckspeicher stehen lediglich mit einer Flüssigkeitspumpe und einem Flüssigkeitsspeicher 26 in Verbindung die notwendig sind um den Druck konstant zu halten. Die Konstantdruckspeicher 25 stehen zudem in Verbindung mit der Gaskonditioniereinheit 24. Diese erfüllt ebenso wie die Zapfsäule 30 die identischen Aufgaben wie in 1.
In der Einspeicherphase einer Konstantdruckspeichereinheit 27 werden der oder die Konstantdruckspeicher 25 befüllt oder wiederbefüllt. Die Zuführung des Wasserstoffs erfolgt in der Regel aus mobilen Einheiten 12. In der Regel ist es notwendig, den Wasserstoff über Kompressoren und/oder Tieftemperatur-Pumpen, sogenannten Cryo-Pumpen, in die Konstantdruckspeicher einzufüllen. Dabei wird der Wasserstoff gegen einen Trennkolben gefördert, also mechanische Arbeit verrichtet, so dass dieser sich innerhalb des Konstantdruckspeichers 25 in axialer Richtung bewegt. Der Bereich für die Flüssigkeit wird kleiner und der Gasbereich größer. Auch beim Einspeichervorgang, dem Befüllvorgang, muss der Gasdruck im Konstantdruckspeicher 25 konstant gehalten werden, so dass gegen den eingestellten maximalen Speicherdruck gefördert wird. Der Druck wird dabei mittels eines Druckhalteventils eingestellt bzw. gewährleistet. In der Ausspeicherphase einer Konstantdruckspeichereinheit 27 wird ein Verbraucher 33 über eine Abgabevorrichtung 30, insbesondere über eine Gaskonditioniereinheit 24 mit dem Wasserstoff beschickt. Um den Druck konstant zu halten wird das Volumen des Gasbereiches verkleinert. Realisiert wir dies dadurch, dass Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher über eine Flüssigkeitspumpe 26 in den zweiten Bereich des Konstantdruckspeichers gefördert wird und der bewegliche Trennkolben axial verschoben wird, wodurch der zweite Bereich vergrößert und der Gasbereich verkleinert wird.
Bezugszeichenliste

10: Versorgungseinheit
11: Wasserstofftank
12: mobiler Speicherbehälter
20: Verdichterstation
21: Kompressoreinheit
22: Banksteuerung
23: Hochdruckspeicher
24: Gaskonditioniereinheit
25: Konstantdruckspeicher
26: Flüssigkeitspumpe und Flüssigkeitsspeicher
27: Konstantdruckspeichereinheit
30: Zapfsäule
31: Zapfsäulenventil
32: Temperaturkondensation
33: Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015051894 [0011]

Claims

Tankstelle zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen (33) mit einem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Konstantdruckspeicher (25) über eine Flüssigkeitspumpe mit einem Flüssigkeitsspeicher (26) sowie einer Gaskonditioniereinheit (24) in Verbindungen stehen und diese Gaskonditioniereinheit (24) mit einer Vorrichtung zur Befüllung (30) der Speicherbehälter in mobilen Fahrzeugen (33) in Verbindung steht.
Tankstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder mehrere Konstantdruckspeicher (25) so ausgestaltet sind, dass sie von einem mobilen Speicherbehälter (12) aus befüllt werden können.
Tankstelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet sind, dass als Gas Wasserstoff verwendet werden kann.
Tankstelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet sind, dass der Wasserstoff bei 235 bis 5000 bar, bevorzugt bei 301 bar bis 1200 bar, insbesondere bei 620, 700, 850, 900 oder 1000 bar gelagert sowie eingespeichert werden kann.
Tankstelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorrichtungsbestandteile der Tankstelle so ausgestaltet sind, dass der Wasserstoff bei einem Druck von 235 bis 1000 bar, bevorzugt bei 301 bis 900 bar und insbesondere bei 350 bis 700 bar und einer Temperatur von –45°C bis 80°C an den Speicherbehälter des mobilen Fahrzeugs überführt werden kann.
Verfahren zur Befüllung von Speicherbehältern in mobilen Fahrzeugen (33) an einer Tankstelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in einem oder in mehreren Konstantdruckspeichern (25) gelagert ist und über eine Gaskonditioniereinheit (24) und eine Zapfsäule (30) in einer Ausspeicherphase abgegeben wird und das der Druck in dem einen oder in mehreren Konstantdruckspeichern (25) während einer Ausspeicherphase dadurch konstant gehalten wird, dass eine Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher (26) in den einen oder in mehrere Konstantdruckspeicher (25) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gas um Wasserstoff handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bei 235 bis 5000 bar, bevorzugt bei 301 bar bis 1200 bar, insbesondere bei 620, 700, 850, 900 oder 1000 bar gelagert sowie eingespeichert werden kann.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bei einem Druck von 235 bis 1000 bar, bevorzugt bei 301 bis 900 bar und insbesondere bei 350 bis 700 bar und einer Temperatur von –45°C bis 80°C an den Speicherbehälter des mobilen Fahrzeugs überführt werden kann.