DE102016005217A1 - Wasserstofftankstelle mit flüssigem Wasserstoff - Google Patents

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Tobias Kederer
Wilfried-Henning Reese
Simon Schäfer
Roland Szardenings
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung und ein Verfahren zum Aufbau und Betrieb einer Versorgungseinrichtung einer Tankstelle für flüssigen Wasserstoff, umfassend mindestens einen Speichertank (1) für flüssigen Wasserstoff und mindestens eine Pumpe (2) für flüssigen Wasserstoff, wobei der Speichertank (1) und die Pumpe (2) unmittelbar miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung einer Tankstelle für flüssigen Wasserstoff umfassend mindestens einen Speichertank und mindestens eine Pumpe sowie ein Verfahren zum Aufbau und Betrieb einer solchen Versorgungseinrichtung.
  • Versorgungseinrichtungen für Tankstellen weisen in der Regel einen Vorrats- oder Speichertank auf und eine Pumpe um das Fluid aus dem Speichertank zu entnehmen und/oder um den Druck des Fluides für die Betankung zu erhöhen. Der oder die Speichertanks sind mit der Pumpe über eine Rohrleitung verbunden. Diese ist in der Regel durch Absperr- oder Regelventile und Kontrollarmaturen unterbrochen. Die Verbindung zwischen den Bauteilen, insbesondere zwischen dem Speichertank und der Pumpe wird in der Regel erst bei der Vorortinstallation hergestellt. Um eine Montage gewährleisten zu können, muss die Rohrleitung eine gewisse Länge aufweisen, damit die Rohrleitung zugänglich ist so dass mindestens ein Techniker in der Lage ist an der Verbindung zwischen Speichertank und Pumpe zu arbeiten. Zudem muss gewährleistet werden, dass Ventile und sonstige Bauteile überprüft und gegebenenfalls getauscht werden können. Trotz einer Isolierung der Rohrleitung ergibt sich der Nachteil, dass je länger die Rohrleitung ist desto mehr Wärme in das System eingetragen wird. Durch den Wärmeeintrag bei flüssigem Wasserstoff entsteht durch Abdampfverluste eine Gasphase (im Folgenden auch als Boil-Off-Gas bezeichnet) welche unter anderem zu einer Druckerhöhung in der Anlage, zu Produktverlusten oder zu Schäden an den nachfolgenden Bestandteilen der Versorgungseinrichtung, insbesondere der Pumpe führen kann. Wärmeeinträge können auch durch die Wärmeleitung der Bestandteile von Ventilen und anderen Instrumenten, beispielsweise Temperatur oder Drucksensoren, entstehen, welche sowohl mit der Umgebung als auch mit dem Inneren einer Rohrleitungen für das Fluid oder direkt mit der Rohrleitung für die Fluide oder dem Fluidbereich innerhalb eines Speichertanks in Verbindung stehen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben um den Wärmeeintrag in die Versorgungseinrichtung einer Tankstelle für flüssigen Wasserstoff zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Speichertank und die Pumpe unmittelbar miteinander verbunden sind. Zwischen der Außenhülle des Speichertanks und der Pumpe sind vorteilhafterweise keine Ventile oder Instrumente angebracht, welche die Rohrleitung zwischen dem Ausgang aus dem Speichertank und dem Niederdruckbereich der Pumpe unterbrechen könnten. Vorteilhafterweise beträgt die Rohrleitungslänge der Verbindung zwischen Speichertank und Pumpe zwischen 0,01 und 3 m, insbesondere zwischen 0,5 und 1 m und besonders bevorzugt zwischen 0,63 und 0,78 m. Die Verbindung zwischen Speichertank und Pumpe, also die Abführleitung für die Flüssigkeit, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, ist so kurz wie möglich zu halten. Desto kürzer die Abführleitung ist, desto weniger Wärme kann in die Versorgungseinrichtung eingetragen werden. Die Abführleitung, also die Leitung welche insbesondere den flüssigen Wasserstoff aus dem Speichertank hin zur Pumpe leitet ist bevorzugt 0,63 m lang. Vorteilhafterweise wird kaltes Boil-Off-Gas in den Speichertank zurückgeführt. Diese Rückführleitung ist bevorzugt 0,78 m lang.
  • Der Speichertank besteht vorteilhafterweise aus einem thermisch isoliertem Bereich welcher einen Fluidbehälter umgibt. Der Speichertank und damit auch der Fluidbehälter sind bevorzugt so ausgestaltet, dass darin flüssiger Wasserstoff gespeichert werden kann. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bildet sich eine Gasphase des Wasserstoffs. Der thermisch isolierte Bereich, dient dazu die Temperatur innerhalb des Fluidbehälters konstant zu halten. Als Isolationsmaterial kann eine Schüttung eingefüllt werden, der Bereich kann evakuiert sein oder aus unterschiedlichen Schichtmaterialien bestehen. Auch eine Kombination verschiedener Isolationstechniken ist denkbar. Der Speichertank verfügt vorteilhafterweise über eine Zuführung für flüssigen Wasserstoff. Diese Zuführung ist vorteilhaftweise übe Absperr- und/oder Druckhalteventile abgesichert, welche bevorzugt in den thermische isolierten Bereich integriert sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt der Speichertank über Temperatur- und Drucksensoren sowie weitere Sicherheitsvorrichtungen.
  • Ventile, welche zum Füllen, Entgasen oder Absperren eines Niederdruckraumes der Pumpe notwendig sind, sind vorteilhafterweise in den thermisch isolierten Bereich des Speichertanks integriert. Dies bietet den Vorteil, dass die dort vorhandene Kälte auch zur Kühlung der Ventile verwendet werden kann. Durch diese Ventile ist es zudem möglich den Speichertank von der Pumpe zu isolieren. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn der Speichertank befüllt wird oder die Pumpe gewartet wird. Bedienungselemente, wie Hebel und Anzeigen der Ventile und Sensoren, welche vorteilhafterweise in den thermisch isolierten Bereich integriert sind, stehen mit der Umgebung des Speichertanks in Kontakt und tragen ebenso wie Rohrleitungen dazu bei dass über eine Wärmeleitung Wärme in den Fluidbereich des Speichertanks bzw. in den thermisch isolierten Bereich eingetragen wird. Deshalb sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Versorgungseinrichtung Ventile und andere Instrumente des Speichertanks, welche von der Umgebung des Speichertanks in einen Fluidbereich des Speichertanks hineinragen, innerhalb des thermisch isolierten Bereichs mit einer Zwischenkühlung verbunden.
  • Die Zwischenkühlung kann so ausgestaltet sein, dass eine Rohrleitung innerhalb des thermisch isolierten Bereichs, jedoch in der Nähe der Außenwand des Speichertanks an den wärmeleitenden Bestandteilen der Ventile oder Sensoren vorbeigeleitet wird. Die Rohrleitung kann auch in einer oder mehreren Windungen um diese Bestandteile herumgeführt werden. Vorteilhafterweise wird ein durch Abdampfverluste entstandenes Gas (Boil-Off-Gas) zur Zwischenkühlung von Ventilen und des thermisch isolierten Bereiches verwendet. Das Boil-Off-Gas wird vorteilhafterweise aus dem Gasbereich des Flüssigkeitsbehälters entnommen und durch eine Rohrleitung zur Zwischenkühlung geführt. Diese Rohrleitung ist bevorzugt ebenfalls innerhalb des thermisch isolierten Bereichs angeordnet, so wird auch dieser gekühlt. Boil-Off-Gas entsteht durch Wärmeeintrag in den Speichertank und vor allem durch das Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs. Boil-Off-Gas muss aus dem Speichertank abgeführt werden um eine Druckerhöhung zu vermeiden. Das Boil-Off-Gas liegt jedoch bei einer kalten Temperatur ähnlich dem des flüssigen Wasserstoffs vor und kann somit zur Kühlung eingesetzt werden. Das Boil-Off-Gas wird zuerst zur Kühlung des thermisch isolierten Bereichs und der darin angeordneten Apparaturen verwendet, kann jedoch nachdem es aus dem Speichertank abgeführt wird zur Kühlung nachfolgender Bestandteile der Tankstelle verwendet werden. Dadurch wird die thermodynamische Effizienz der Gesamtanlage, also der Tankstelle, optimiert. Anschließend kann das Boil-Off-Gas wieder gekühlt und/oder verflüssigt werden und in den Speichertank zurückgeführt werden. Das Boil-Off-Gas kann in einer anderen Ausführungsvariante auch verworfen und beispielsweise an die Umgebung abgelassen oder verbrannt werden.
  • Die Pumpe ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass damit flüssiger Wasserstoff gefördert und/oder verdichtet werden kann. Die Pumpe ist besonders bevorzugt sowohl zur Förderung von Wasserstoff als auch zu dessen Verdichtung, also zur Druckerhöhung ausgestaltet. Die Pumpe erhöht den Druck des flüssigen Wasserstoffes vorteilhafterweise auf 50 bis 1000 bar, insbesondere 350 bis 500 bar oder 700 oder 900 bar.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Versorgungseinrichtung ist die Pumpe, insbesondere ein Niederdruckbereich der Pumpe, innerhalb des thermisch isolierten Bereichs des Speichertanks oder direkt in den Fluidbehälter des Speichertanks montiert.
  • Der flüssige Wasserstoff wird bevorzugt bei einer Temperatur von 20 K bis 27,5 K, insbesondere von 22,5 K bis 24 K gespeichert und/oder gefördert. Dies bedeutet, dass im Inneren des Speichertanks eine Temperatur von 20 K bis 27,5 K herrscht und außerhalb in der Regel Umgebungstemperatur vorliegt.
  • Vorteilhaft an der unmittelbaren Verbindung des Speichertanks mit der Pumpe ist insbesondere, dass die Aufstellungsfläche verringert wird. Die Montage muss dazu in der Regel zwar vorteilhafterweise an einem anderen Ort durchgeführt werden, dies bietet jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass in einer Fabrik bessere Möglichkeiten der Isolation bestehen. So kann gewährleistet werden, dass insbesondere die Übergänge der thermischen Isolationsbereiche zwischen Speichertank, Pumpe und der verbindenden Rohrleitung ohne Fehler ausgestaltet sind. Es kann sogar eine gemeinsame Isolationshülle aus einem durchgehenden Material geschaffen werden. Dadurch verringert sich der Wärmeeintrag wesentlich. Es wird verhindert, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Speichertank und der Pumpe ein Boil-Off-Gas entsteht und dieses Gas zu Schäden an der Pumpe, insbesondere durch Blasenbildung oder Kavitation führt. Durch die Vormontage in einer Fabrik, kann zudem die Montagezeit am Aufstellungsort verringert werden, was wiederum zu einer Kosteneinsparung führt. Eine Vormontage ist insbesondere auch dann hilfreich, wenn die Versorgungseinrichtung unterirdisch aufgestellt werden soll und die Zugänglichkeit noch weiter eingeschränkt ist wie bei einer oberirdischen Aufstellung.
  • Die Versorgungseinrichtung ist vor allem für Tankstellen zur Versorgung von Fahrzeugen mit Wasserstoff oder Erdgas anwendbar.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die 1 zeigt eine schematische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Speichertank 1 und die Pumpe 2 sind bevorzugt Teile einer Tankstelle für Wasserstoff zur Betankung von Fahrzeugen. Der Speichertank 1 setzt sich aus einem thermisch isoliertem Bereich 3 und einem Fluidbehälter 4 zusammen. Der Fluidbehälter ist zur Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff ausgestaltet, wobei sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels eine wasserstoffhaltige Gasatmosphäre einstellt. Der thermisch isolierte Bereich 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Schüttung und ein angelegtes Vakuum isoliert. Alle Ventile und Sicherheits- und Regelungseinrichtungen des Speichertanks 1 sind so in den thermisch isolierten Bereich eingebracht, dass über die von außen zugänglichen Griffe, Hebel oder Anzeigen möglichst keine Wärme in den thermisch isolierten Bereich eingebracht wird. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass kaltes Boil-off-Gas innerhalb des thermisch isolierten Bereiches 3 an den Ventilen vorbeigeführt wird, so dass diese gekühlt werden. Dies ist schematisch durch die Zwischenkühlung 9 an drei exemplarischen Positionen dargestellt. Wärmeeinträge über Ventilgriffe, Sensoren oder anderen Leitungen, welche von außen in den thermischen Bereich 3 eingeführt sind, werden so weitestgehend vermieden. Dass Boil-Off-Gas wird über die Abführung 8 aus dem Speicherbehälter ausgebracht. Das Boil-Off-Gas kann zur Kühlung von weiteren Anlagenteilen eingesetzt werden, verworfen werden oder wieder gekühlt werden.
  • Der Speichertank 1 verfügt über eine Zuführleitung 5 für eine Flüssigkeit, in diesem Beispiel für flüssigen Wasserstoff. Die Zuführleitung 5 wird unter anderem über Absperr- und Druckhalteventile abgesichert. Der Speichertank 1 steht über die Abführleitung 6 für flüssigen Wasserstoff mit der Pumpe 2 in Verbindung. Bei der Pumpe 2 handelt es sich bevorzugt um eine Kryopumpe zur Handhabung von flüssigem Wasserstoff. Die Abführleitung 6 ist unter anderem über Absperr- und Druckhalteventile abgesichert. Aufbereitetes und gekühltes Boil-Off-Gas wird in diesem Ausführungsbeispiel über die Rückführung 7 in den Speicherbehälter 1 zurückgeführt und entweder wieder direkt zur Kühlung verwendet oder in den Gasbereich am Kopf des Fluidbehälters 4 geführt. Dadurch kann eine Kühlung des Gasbereichs am Kopf des Fluidbehälters 4 erzielt werden und/oder der Druck beeinflusst werden.
  • Die Länge der Abführleitung 6 beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 0,63 m zwischen Speichertank 1 und Pumpe 2. Durch diesen engen Abstand wird gewährleistet, dass ein möglichst geringer Wärmeeintrag erfolgt. Um den Montageaufwand vor Ort aufgrund des geringen Abstandes zu verringern, wird die Anlage vormontiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Speichertank
    2
    Pumpe
    3
    Thermisch isolierter Bereich
    4
    Fluidbehälter
    5
    Zuführleitung Flüssigkeit
    6
    Abführleitung Flüssigkeit
    7
    Rückführung Gas
    8
    Abführung Boil-off-Gas
    9
    Zwischenkühlung

Claims (8)

  1. Versorgungseinrichtung einer Tankstelle für flüssigen Wasserstoff umfassend mindestens einen Speichertank (1) und mindestens eine Pumpe (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (1) und die Pumpe (2) unmittelbar miteinander verbunden sind.
  2. Versorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungslänge der Verbindung (6) zwischen Speichertank (1) und Pumpe (2) zwischen 0,01 und 3 m, insbesondere zwischen 0,5 und 1 m und besonders bevorzugt zwischen 0,63 und 0,78 m beträgt.
  3. Versorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ventile, welche insbesondere zum Füllen, Entgasen oder Absperren eines Niederdruckraumes der Pumpe (2) notwendig sind, in einen thermisch isolierten Bereich (3) des Speichertanks (1) integriert sind.
  4. Versorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Ventile und andere Instrumente des Speichertanks (1), welche von der Umgebung des Speichertanks (1) in einen Fluidbereich des Speichertank (1) hineinragen, innerhalb des thermisch isolierten Bereichs (3) mit einer Zwischenkühlung (9) verbunden sind.
  5. Verfahren zum Aufbau und Betrieb einer Versorgungseinrichtung einer Tankstelle für flüssigen Wasserstoff, umfassend mindestens einen Speichertank (1) für flüssigen Wasserstoff und mindestens eine Pumpe (2) für flüssigen Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (1) und die Pumpe (2) unmittelbar miteinander verbunden sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Abdampfverluste entstandenes Gas (Boil-Off-Gas) zur Zwischenkühlung von Ventilen und des thermisch isolierten Bereiches (3) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Wasserstoff bei einer Temperatur von 21,5 K bis 27,5 K, insbesondere von 21,5 K bis 24 K gespeichert und/oder gefördert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) den Druck des flüssigen Wasserstoffes 50 bis 1000 bar, insbesondere 350 bis 500 bar oder 700 oder 900 bar erhöht.
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