DE102016005220A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Hochdruckspeichertanks - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Hochdruckspeichertanks Download PDF

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Tobias Kederer
Wilfried-Henning Reese
Simon Schäfer
Michael Westermeier
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Wasserstoffaustrittstemperatur an einer Befüllstation, welche unter anderem einen Flüssigkeitsspeicher (1), eine Kryopumpe (2), einen Wärmetauscher (6), einen Gasspeicher (11) und eine Mischstelle (7) umfasst, wobei ein kalter Wasserstoffstrom und ein warmer Wasserstoffstrom so gemischt werden, damit die Temperatur an der Mischstelle (7) zwischen –30 und –45°C liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Wasserstoffaustrittstemperatur an einer Befüllstation, welche unter anderem einen Flüssigkeitsspeicher, eine Kryopumpe, einen Wärmetauscher, einen Gasspeicher und eine Mischstelle umfasst.
  • Immer mehr Fahrzeughersteller präsentieren Kraftfahrzeuge, welche durch gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas oder Wasserstoff angetrieben werden. Dazu zählen nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Busse, Lastwägen und Gabelstapler. Bisher ist jedoch noch kein flächendeckendes Netz an Tankstellen, insbesondere an Wasserstofftankstellen, vorhanden.
  • Ein Grund für die geringe Verbreitung von Wasserstofftankstellen oder Befüllstationen für Fahrzeuge die mit Wasserstoff betrieben werden ist deren geringe Wirtschaftlichkeit. Dadurch, dass es bisher wenige mit Wasserstoff betrieben Fahrzeuge gibt, sind Wasserstofftankstellen oft unrentabel.
  • Bestandteile einer Wasserstofftankstelle sind unter anderem eine Speichereinrichtung in welcher der Wasserstoff flüssig und/oder gasförmig gespeichert werden kann. Bevorzugt ist eine flüssige Lagerung, da die Speicherdichte höher ist. Nachteilig daran sind jedoch die geringen Temperaturen des flüssigen Wasserstoffs. So wird oft auch ein Gasspeicher vorgesehen, worin Wasserstoff bei Umgebungstemperatur lagert, jedoch auf einen Druck von bis zu 1000 bar, insbesondere auf bis zu 910 bar, komprimiert ist. Moderne Wasserstofffahrzeuge verfügen bevorzugt über einen Kraftstofftank zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei 350 oder 700 bar. Die Temperatur des Wasserstoffs, welcher in den Kraftstofftank eingefüllt wird, soll eine Fülltemperatur zwischen –33 bis –40°C aufweisen. Dies bedeutet, dass sowohl bei einer flüssigen als auch bei einer gasförmigen Lagerung des Wasserstoffs aufwendige Vorrichtungen zur Konditionierung des Wasserstoff vorgehalten werden müssen, da dieser entweder gekühlt oder erwärmt werden muss.
  • Bestandteile einer Wasserstofftankstelle sind deshalb in der Regel zusätzlich mindestens eine Pumpe, insbesondere eine Kryopumpe bei flüssiger Lagerung, mehrere Wärmetauschvorrichtungen, mehrere Druckregelventile insbesondere kryogene Hochdruck-Drosselventile und Temperatur-, Druck- und Durchflussregler. Weiterer Bestandteil einer Wasserstofftankstelle ist eine Zapfsäule, an welcher die Zapfpistole und der entsprechende Füllschlauch für den Kunden zugänglich sind. Die Zapfsäule weist in der Regel zusätzliche elektronische Einrichtungen, insbesondere zur Steuerung der Abgabe und zur Abrechnung des abgetankten Wasserstoffs auf.
  • Je mehr Bestandteile für eine Wasserstofftankstelle notwendig sind, desto höher sind die Investitionskosten und auch etwaige Betriebs- und Wartungskosten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Konditionierung von Wasserstoff anzugeben bei dem die Fülltemperatur des Wasserstoff an der Zapfsäule, bei Einhaltung einer definierten Druckänderungsrampe, bei einem vorher definierten Temperaturniveau gehalten werden kann ohne der Verwendung von aufwendiger Anlagentechnik.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass ein kalter Wasserstoffstrom und ein warmer Wasserstoffstrom so gemischt werden, damit die Temperatur an der Mischstelle zwischen –30 und –45°C liegt. Insbesondere liegt die Temperatur an der Mischstelle zwischen –33 und –40°C.
  • Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein erster Teilstrom, ein kalter Wasserstoffstrom, direkt nach der Kryopumpe über eine Gasleitung zur Mischstelle geführt wird. An der Mischstelle misst bevorzugt ein Temperatursensor die Temperatur des gemischten Gasstroms, welcher von der Mischstelle über eine weitere Gasleitung zur Zapfsäule geführt wird und von dort an einen Empfängertank, insbesondere den Kraftstofftank eines Fahrzeuges oder eine Gasflasche, abgegeben wird. Der kalte Gasstrom weist vorteilhafterweise eine Temperatur zwischen –243 und –203°C oder zwischen –203 und –80°C auf. Weiterhin wird nach der Kryopumpe an einem Verteiler ein zweiter Teilstrom abgezweigt. Dieser Teilstrom wird über einen Wärmetauscher erwärmt und über eine Gasleitung ebenfalls der Mischstelle zugeführt.
  • Der zweite Teilstrom, wird nach dem Wärmetauscher als warmer Wasserstoffstrom bezeichnet. Vorteilhafterweise wird der Wasserstoff in dem Wärmetauscher angewärmt. Der Wärmetaucher kann in einer besonderen Ausführungsform mehrere Stufen aufweisen. Der warme Teilstrom weist vorteilhafterweise Umgebungstemperatur, insbesondere –20 bis +40°C auf. Die Umgebungstemperatur ist abhängig von den äußeren klimatischen Bedingungen der Region an der die Tankstelle aufgestellt ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Anteil des warmen Teilstroms an der Mischstelle größer als der Anteil des kalten Teilstroms.
  • Die Wasserstoffströme weisen nach der Kryopumpe bevorzugt einen Druck von 20 bis 1500 bar, bevorzugt zwischen 350 und 1000 bar und insbesondere zwischen 700 und 900 bar auf. Vorteilhafterweise wird der Druck der Wasserstoffströme, insbesondere des warmen Wasserstoffstroms, durch einen Druckregler vorgegeben, welcher nach dem Gasspeicher platziert ist. Nach dem Wärmetauscher kann der warme Wasserstoffstrom wahlweise oder teilweise zur Mischstelle geleitet werden oder über eine weiter Gasleitung in einen Hochdruckspeicher, dem Gasspeicher, eingespeichert werden. Nach dem Gasspeicher ist ein Druckregler angeordnet. Der Druckregler steht wiederum mit der Gasleitung in Verbindung welche kalten Wasserstoffstrom in den Wärmetauscher leitet. So kann der warme Gasstrom nach dem Wärmetauscher bevorzugt direkt zur Mischstelle geleitet werden. Wird an der Mischstelle gerade kein warmer Wasserstoffstrom oder nur ein Teil des warmen Wasserstoffstroms benötigt, kann der andere Teil in den Gasspeicher eingelagert werden. Wird nun wieder ein warmer Wasserstoffstrom benötigt, wird dieser über den Druckregler aus dem Gasspeicher ausgespeichert, zur Temperierung in den Wärmetauscher geleitet und anschließend der Mischstelle zugeführt. Vorteilhafterweise wird der Wasserstoff in dem Gasspeicher bei einem Druck von 500 bis 2000 bar, insbesondere bei 800 bis 1000 bar gespeichert. Wenn in einem Ausführungsbeispiel der Druck im Gasspeicher höher ist, als in der Gasleitung wird der ausgespeicherte Wasserstoff über den Druckregler entspannt. Dadurch wird der Gasstrom abkühlt, so dass er durch den Wärmetauscher wieder temperiert wird.
  • Bei dem Gasspeicher handelt es sich bevorzugt um einen Hochdruckgasspeicher, welcher in mehrere Sektionen unterteilt ist. Die einzelnen Sektionen können vorteilhafterweise unabhängig voneinander genutzt werden. In einer besonderen Ausführungsvariante ist es zudem möglich, dass die Speicherdrücke der einzelnen Sektionen unterschiedlich sind.
  • Bei der Kryopumpe der Wasserstofftankstelle handelt es sich bevorzugt um eine Kolbenpumpe. Vorteilhafterweise wird die Menge an Wasserstoff, welche durch die Kryopumpe gefördert wird, durch die Frequenz des Hubkolbens geregelt. Insbesondere kann durch die Kryopumpe genau die Menge an kaltem Wasserstoffstrom gefördert werden, die an der Mischstelle zur Einstellung der Temperatur notwendig ist.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll die Austrittstemperatur des Gasstromes an der Mischstelle zwischen –33 und –40°C betragen und der Gasstrom einen Druck von 350 bis 900 bar aufweisen. Dieser Gasstrom wird dann über die Zapfsäule, in welcher vorteilhafterweise Druck-, Temperatur- und Durchflusssensoren oder Regler angebracht sind, an ein Fahrzeug abgegeben.
  • Dadurch dass an der Mischstelle ein warmer Gasstrom und ein kalter Gasstrom gemischt werden kann die Temperatur optimal eingestellt werden. Dadurch, dass vorteilhafterweise nur ein Teilstrom erwärmt wird, ist nur ein Wärmetauscher notwendig, welcher zudem kleiner dimensioniert werden kann. Dies spart Investitions- und Betriebskosten. Sollte in einem besonderen Ausführungsfalle in Wärmetauscher für den kalten Gasstrom notwendig sein, kann dieser ebenfalls kleiner dimensioniert werden. Zudem können die Wärmetauscher unabhängig voneinander betrieben werden und so an den Betrieb bzw. die Auslastung der Tankstelle angepasst werden. Durch den Druckregler kann gewährleistet werden, dass der warme Gasstrom auf dem gleichen Druckniveau wie der kalte Gasstrom, welcher direkt durch die Kryopumpe verdichtet wird, ähnlich oder gleich ist und die beiden Gasströme an der Mischstelle im richtigen Verhältnis gemischt werden können um das gewünschte Temperaturniveau zu erreichen. Dazu steht der Temperatursensor vorteilhafterweise mit dem Antrieb der Kryopumpe in Verbindung. An der Mischstelle und in der Gasleitung zwischen der Verteilstelle nach der Kryopumpe und der Kryopumpe sind vorteilhafterweise keine zusätzlichen Ventile und Regler zur Einstellung der Temperatur mehr notwendig.
  • Der Wasserstoff wird vorteilhafterweise in flüssiger Form in einem Speichertank der Tankstelle eingelagert. Der Speichertank steht zudem bevorzugt unmittelbar mit der Kryopumpe in Verbindung.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wasserstoff ist in flüssiger Form in einem Flüssigspeicher 1 gespeichert. Über eine Kryopumpe 2 wird der flüssige Wasserstoff aus dem Flüssigspeicher 1 entnommen und je nach Bedarf nur gefördert oder auch verdichtet. In einer Verteilung 3 wird der Gasstrom aus der Kryopumpe 2 auf eine Gasleitung 4 und/oder eine Gasleitung 5 aufgeteilt. Durch die Gasleitung 4 wird der Gasstrom aus der Kryopumpe 2 direkt zur Mischstelle 7 geleitet. Der Gasstrom, welcher aus der Kryopumpe 2 austritt hat eine Temperatur zwischen –223 und –210°C und liegt bei einem Druck von 900 bar vor. Die Gasleitung 5 führt über einen Wärmetauscher 6 und eine Gasleitung 8 zur Mischstelle 7. Aus der Gasleitung 5 zweigt nach dem Wärmetauscher aus der Gasleitung 8 die Gasleitung 9 ab. Die Gasleitung 9 führt über ein Absperrventil 10 zu dem Gasspeicher 11. Der Gasspeicher 11 ist ein Hochdruckspeicher, welche in mehrere Speicherbehälter, die von einander abgetrennt werden können, aufgeteilt ist. In dem Gasspeicher 11 wird das über den Wärmetauscher 6 erwärmte Wasserstoffgas bei einem Druck von 500 bis 1000 bar und einer Temperatur von –20 bis 40°C gespeichert. Über einen Druckregler 12 kann das Gas wieder in die Gasleitung 5 geführt werden und über den Wärmetauscher 6 und der Gasleitung 8 ebenfalls zur Mischstelle 7 geführt werden. An der Mischstelle 7 wird über einen Temperatursensor T die Temperatur gemessen. Der Temperatursensor T steht über eine Datenverbindung mit der Antriebseinheit M der Kryopumpe 2 in Verbindung. Die an der Mischstelle 7 gemessene Temperatur gibt die Temperatur vor, mit welcher der Wasserstoff in den Speicherbehälter des Fahrzeuges abgetankt wird. Diese Temperatur muss zwischen –33 und –40°C liegen. Um diese Temperatur einzustellen wird in der Mischstelle ein kalter Strom direkt aus der Kryopumpe und über Gasleitung 4 mit dem wärmeren Strom aus Gasleitung 8 gemischt. Von der Mischstelle 7 führt eine Gasleitung 13 in die Zapfsäule 14 und den Füllschlau 15 über welchen der Speichertank eines Fahrzeugs mit Wasserstoff befüllt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Flüssigkeitsspeicher
    2
    Kryopumpe
    3
    Verteilung
    4
    Gasleitung
    5
    Gasleitung
    6
    Wärmetauscher
    7
    Mischstelle
    8
    Gasleitung
    9
    Gasleitung
    10
    Absperrventil
    11
    Gasspeicher
    12
    Druckregler
    13
    Gasleitung
    14
    Zapfsäule
    15
    Füllschlauch

Claims (9)

  1. Verfahren zum Einstellen einer Wasserstoffaustrittstemperatur an einer Befüllstation, welche unter anderem einen Flüssigkeitsspeicher (1), eine Kryopumpe (2), einen Wärmetauscher (6), einen Gasspeicher (11) und eine Mischstelle (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein kalter Wasserstoffstrom und ein warmer Wasserstoffstrom so gemischt werden, damit die Temperatur an der Mischstelle (7) zwischen –30 und –45°C liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Mischstelle (7) zwischen –33 und –40°C liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kalte Gasstrom eine Temperatur zwischen –243 und –203°C oder zwischen –203 und –80°C aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Gasstrom Umgebungstemperatur, insbesondere –20 bis +40°C aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffströme nach der Kryopumpe (2) einen Druck von 20 bis 1500 bar, bevorzugt zwischen 350 und 1000 bar und insbesondere zwischen 700 und 900 bar aufweisen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Wasserstoffströme, insbesondere des warmen Wasserstoffstroms, durch einen Druckregler (12) vorgegeben wird, welcher nach dem Gasspeicher (11) platziert ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff in dem Gasspeicher (11) bei einem Druck von 500 bis 2000 bar, insbesondere bei 800 bis 1000 bar gespeichert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Wasserstoff, welche durch die Kryopumpe (2) gefördert wird, durch die Frequenz des Hubkolbens geregelt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in einem Wärmetauscher angewärmt wird.
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