DE102016009672A1 - Wasserstofftankstelle - Google Patents

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Martin Brücklmeier
Tobias Kederer
Wilfried-Henning Reese
Simon Schäfer
Roland Szardenings
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Linde GmbH
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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff an einen Empfängertank (7) in einem Fahrzeug, umfassend einen Speichertank (1) ausgestaltet zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff, eine direkt daran anschließende Pumpe (2) zur Förderung und Verdichtung des Wasserstoff, zwei Elektromotoren (M) zum Antrieb der Pumpe (2) sowie vakuumisolierte Rohrleitungen (5), mindestens einen Hochdruckspeichertank (3), mindestens ein Druckregulierventil (4) und mindestens einen damit verbundenen Druckregler (PC) zur Einstellung des Drucks des abgegebenen Wasserstoff mindestens einen mit der Rohrleitung (5) in Verbindung stehenden Temperaturregler (TC), welcher wiederum mit den Elektromotoren (M) in Wirkverbindung steht, sowie mindestens eine Zapfsäule (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff an einen Empfängertank in einem Fahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
  • Immer mehr Fahrzeughersteller präsentieren Kraftfahrzeuge, welche durch gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas oder Wasserstoff angetrieben werden. Dazu zählen nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Busse, Lastwagen und Gabelstapler. Parallel zu der wachsenden Anzahl an Fahrzeugen, welche mit komprimierten Gasen betrieben werden, wächst auch die Zahl der Tankstellen, insbesondere die der Wasserstofftankstellen. Die Wasserstofftankstellen werden häufiger von Privatkunden verwendet. Aufgrund der höheren Drücke und niedrigeren Temperaturen des Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas oder Autogas sind insbesondere für die Betankung mit Wasserstoff neue Entwicklungen für Betankungsverfahren und andere Vorrichtungen notwendig. Zudem müssen jedoch Kosten für den Wasserstoff so gering wie möglich gehalten werden um die Akzeptanz gegenüber anderen Kraftstoffen zu erhöhen. Dies bedeutet, dass auch die Investitionskosten für Tankstellen gering gehalten werden müssen.
  • Aufgrund der derzeit noch geringen Anzahl an Fahrzeugen, welche Wasserstoff benötigen sind Tankstellen jedoch oft noch nicht rentabel. Um die Akzeptanz von Wasserstoff als Kraftstoff zu erhöhen müssen die Tankstellen zudem leicht zugänglich sein und an gut erreichbaren Orten aufgestellt werden. Am besten eignet sich hierzu die Integration in bereits bestehende Tankstellen für herkömmliche Kraftstoffe. An derartigen Orten ist jedoch meist wenig Platz vorhanden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Tankstelle anzugeben, die wenig Investitionen erfordert und platzsparend aufgestellt werden kann.
  • Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass sie mindestens die folgenden Bestandteile umfasst:
    • a. einen Speichertank ausgestaltet zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff,
    • b. eine direkt daran anschließende Pumpe zur Förderung und Verdichtung des Wasserstoff,
    • c. zwei Elektromotoren zum Antrieb der Pumpe sowie
    • d. vakuumisolierte Rohrleitungen,
    • e. mindestens einen Hochdruckspeichertank,
    • f. mindestens ein Druckregulierventil und mindestens einen damit verbundenen Druckregler zur Einstellung des Drucks des abgegebenen Wasserstoff
    • g. mindestens einen mit der Rohrleitung in Verbindung stehenden Temperaturregler, welcher wiederum mit den Elektromotoren in Wirkverbindung steht sowie
    • h. mindestens eine Zapfsäule.
  • Zudem sind bevorzugt Mittel vorgesehen um Boil-Off Gas aus dem Kopfbereich des Speichertank auszuleiten und zur Kühlung der vakuumisolierten Rohrleitungen zu verwenden, welche insbesondere als Doppelrohr ausgeführt sind
  • Besonders bevorzugt wird die Vorrichtung innerhalb eines vorgefertigten Rahmengestells oder in einem Container platziert. Dadurch kann die Tankstelle an einem separaten Ort vorgefertigt werden und vor Ort einfach installiert werden. Durch die Vormontage lässt sich zudem eine kompakte Bauweise realisieren, da nicht auf die Platzverhältnisse und Montagezugänglichkeit am Aufstellungsort geachtet werden muss. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass insbesondere bei der Aufstellung in einem Container die Erweiterung einer bestehenden Tankstelle für herkömmlichen Kraftstoff einfach und schnell realisiert werden kann. Die Container können zudem einfach bewegt werden, so dass bei einer zu geringen Nachfrage an Wasserstoff innerhalb kurzer Zeit ein anderer Standort gewählt werden kann. Es ergibt sich somit eine hohe Verfügbarkeit an Wasserstofftankstellen und eine flexible Anpassung an den Markt. Durch die Vormontage muss zudem nicht auf individuelle Platzverhältnisse eingegangen werden, so dass die Fertigung der Tankstellen optimiert werden kann und immer auf die gleiche Weise erfolgen kann. Dies reduziert die Planungs- und Konstruktionskosten. Durch die kompakte Bauweise ist zudem ein Modulsystem möglich, welches eine beliebige Erweiterung der Kapazitäten zulässt.
  • Vorteilhafterweise wird die Vorrichtung unterirdisch aufgestellt und dazu sind Mittel, insbesondere Kamine, vorgesehen um Abgase und Kühlmittel auszutauschen Durch die unterirdische Aufstellung ergibt sich ein zusätzlicher Platzvorteil. Einzig die Zapfsäule oder ein daran befestigter Füllschlauch müssen oberirdisch zugänglich sein. Ein weiterer Vorteil der unterirdischen Aufstellung liegt darin, dass Lärmemissionen reduziert werden können und Sicherheitsabstände zu benachbarten Anlagen oder Grundstücken einfacher eingehalten werden können.
  • Verfahrensseitig kann mit der in den Ansprüchen 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung ein Fahrzeug betankt werden, so dass die Abgabe von gasförmigem Wasserstoff bei einem Druck zwischen 350 und 700 bar und bei einer Temperatur von –33 bis –40°C erfolgt. Zur Kühlung der Rohrleitung, Instrumente und Sensoren und zur Vermeidung von Wärmeeintrag wird bevorzugt Boil-Off Gas verwendet, welches aus dem Kopfbereich eines Speichertanks abgezogen wird. Dies hat zum Vorteil, dass keine separaten Kühleinrichtungen vorgehalten werden müssen. Dies ist sowohl für den Platzbedarf als auch für die Investitions- und Betriebskosten vorteilhaft. Boil-Off Gas fällt in einem Speicher für flüssige Gase durch einen nicht zu vermeidenden Wärmeeintrag immer an und muss um eine unzulässige Druckerhöhung im Speichertank zu vermeiden regelmäßig abgezogen werden. Das Boil-Off Gas kann nachdem es zur Kühlung der verschiedenen Komponenten verwendet wurde bevorzugt über einen Kamin an die Umgebung abgegeben werden oder falls mehr Platz zur Verfügung steht gesammelt und wiederaufbereitet werden.
  • Bevorzugt wird über ein Druckregulierventil der Druck des Wasserstoffs eingestellt. Gasförmiger Wasserstoff wird in dem mindestens einen Hochdruckspeicher eingelagert. Durch den Druckregler wird je nach Auslegungsdruck des Empfängertanks der Druck einen gewünschten Wert zwischen 350 und 700 bar eingestellt. In besonderen Ausführungsformen der Vorrichtung ist es möglich, dass auch andere Gasspeicher befüllt werden können, insbesondere Gasflaschen mit einem Druck zwischen 200 und 300 bar. Der Druckregler steht hierzu mit der Zapfsäule und einer Steuerung der Tankstelle in Verbindung. Die Auswahl des gewünschten Drucks erfolgt durch den Kunden oder wird durch die Auswahl der entsprechenden Betankungskupplung durch den Kunden getroffen oder durch den Empfängertank automatisch übermittelt.
  • Vorteilhafterweise wird über eine Temperaturregelung die Temperatur des Wasserstoffs eingestellt und die Temperaturregelung steht mit den Elektromotoren der Pumpe in Verbindung, um wenn nötig kalten Wasserstoff aus dem Speichertank nachzufördern. Hierzu steht der Temperaturregler mit den Elektromotoren in Wirkverbindung, welche insbesondere auch drahtlos ausgebildet sein kann. In dem mindestens einen Hochdruckspeichertank wird Gas bei Umgebungstemperatur eingelagert. Um das geforderte Temperaturniveau zu erreichen wird deshalb ein kalter Gasstrom aus dem Speichertank zugemischt. Hierzu ist keine spezielle Mischkammer nötig, durch die spezielle Ausführungsform der Pumpe kann eine direkte Förderung erfolgen. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Anzahl an Vorrichtungsbestandteilen reduziert werden kann.
  • Nicht aufgeführt sind die üblichen Vorrichtungsbestandteile, wie Ventile, Sensoren und Sicherheits- und Überwachungseinrichtungen. Deren Positionierung ist dem Fachmann bekannt. Aufgrund der kompakten Aufstellung und Vormontage kann insbesondere jedoch auch die Anzahl der Absperrventile minimiert werden. Dadurch verringert sich als weiterer Vorteil der Wärmeeintrag in das System.
  • Im Folgenden werden die wichtigsten Vorrichtungsbestandteile in einer vorteilhaften Ausführungsvariante genauer charakterisiert. Bei dem Speichertank handelt es sich um einen Speichertank für flüssigen Wasserstoff. Im Gegensatz zur Verwendung eines Gasspeichers kann so die Speicherkapazität an Wasserstoff bezogen auf das Speichervolumen erhöht werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Verwendung eines reinen Gasspeichers ist, dass aufgrund des bereits vorhandenen kalten flüssigen Wasserstoffs auch die Bereitstellung von transkritischem Wasserstoff (cryocompressed hydrogen CCH2) erfolgen kann. Der Speichertank ist bevorzugt dazu eingerichtet 400 bis 4000 kg Wasserstoff zu speichern. Je nach Auslastung der Tankstelle kann die Größe angepasst werden. Im Kopfbereich des Speichertanks fällt durch nicht zu vermeidenden, wenn auch minimierten Wärmeeintrag, Boil-Off Gas an. Dieses Gas muss um eine unzulässige Druckerhöhung zu vermeiden abgezogen werden. Das Gas liegt jedoch bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Wasserstoffs vor und kann so direkt zur Kühlung andere Anlagenkomponenten verwendet werden, so dass das Gas vor der Betankung auf die geforderte Temperatur gekühlt werden kann. Hierzu sind die Rohrleitungen vorteilhafterweise als Doppelrohr ausgestaltet, so dass das Boil-Off Gas als Kühlmittel verwendet werden kann. Das Doppelrohr ist weiterhin bevorzugt mit einer Vakuumisolierung ausgestaltet.
  • Bei der Pumpe zur Förderung des Wasserstoffs handelt es sich vorteilhafterweise um eine Kryopumpe deren Kurbelantrieb über zwei Elektromotoren angetrieben wird. Die Pumpe dient nicht nur zur Förderung, sondern auch zur Druckerhöhung des Wasserstoffs. Durch die Elektromotoren kann die Pumpe auch bei kleinen Drehzahlen einen hohen Druck bereitstellen.
  • Die Vorrichtung umfasst weiterhin zumindest mindestens einen Hochdruckspeichertank, bevorzugt jedoch drei Hochdruckspeichertanks. In diesen Speichertanks wird Gas bei Drücken bis zu 1000 bar durch die Pumpe eingespeichert. Die Gasspeicher weisen jedoch nahezu Umgebungstemperatur auf. Da bereits Gas bei hohem Druck vorliegt kann eine schnelle Betankung realisiert werden. Falls die Kühlung durch das Boil-Off Gas nicht ausreicht kann die Pumpe weiteren kalten Wasserstoff fördern und direkt mit dem Gas aus dem Hochdruckspeicher vermischen. Hierzu steht der Temperaturregler bevorzugt mit den Elektromotoren der Pumpe in Verbindung. Durch diese direkte Regelung können weitere Temperaturregelverfahren eingespart werden. Die mindestens eine Zapfsäule der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, dass verschiedene Empfängertanks befüllt werden können. Die Zapfsäulen umfassen unter anderem neben Füllschläuchen, Betankungskupplungen auch Vorrichtungen zur Abrechnung und Anzeige der abgetankten Wasserstoffmenge und deren Kosten. An einer Vorrichtung sind bevorzugt ein, zwei, drei oder vier Zapfsäulen gekoppelt. Diese können je nach Auslastung der Tankstelle variiert werden.
  • 1 zeigt schematisch die wichtigsten Bestandteile der Vorrichtung zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff an einen Empfängertank in einem Fahrzeug. Dargestellt ist ein Speichertank 1 für flüssigen Wasserstoff, eine Pumpe 2 mit Kurbelantrieb und zwei Elektromotoren M, ein Hochdruckspeichertank 3, ein Druckregelventil 4, ein Druckregler PC und ein Temperaturregler TC, eine Zapfsäule 6 und ein Fahrzeug mit Empfängertank 7. Als Ausschnitt ist zudem eine isolierte Rohrleitung 5, ausgeführt als Doppelrohr mit Vakuumisolierung, dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit wurde diese Rohrleitung nicht für alle wasserstoffführenden Rohre der Abbildung verwendet.
  • Dargestellt ist zudem eine Ableitung A für Boil-Off Gas aus dem Speichertank 1, welches in den Eingang E für Boil-Off Gas der Rohrleitung 5 geleitet wird sowie ein Kamin K durch den das Boil-Off Gas aus dem System ausgetragen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Speichertank
    2
    Pumpe
    3
    Hochdruckspeichertank
    4
    Druckregulierventil
    5
    Ausschnitt isolierte Rohrleitung
    6
    Zapfsäule
    7
    Empfängertank
    A
    Ableitung Boil-Off Gas
    E
    Eingang Boil-Off Gas
    K
    Kamin
    M
    Motor
    PC
    Druckregler
    TC
    Temperaturregler

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Abgabe von gasförmigem Wasserstoff an einen Empfängertank (7) in einem Fahrzeug, mindestens umfassend a. einen Speichertank (1) ausgestaltet zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff, b. eine direkt daran anschließende Pumpe (2) zur Förderung und Verdichtung des Wasserstoff, c. zwei Elektromotoren (M) zum Antrieb der Pumpe (2) sowie d. vakuumisolierte Rohrleitungen (5), e. mindestens einen Hochdruckspeichertank (3), f. mindestens ein Druckregulierventil (4) und mindestens einen damit verbundenen Druckregler (PC) zur Einstellung des Drucks des abgegebenen Wasserstoff g. mindestens einen mit der Rohrleitung (5) in Verbindung stehenden Temperaturregler (TC), welcher wiederum mit den Elektromotoren (M) in Wirkverbindung steht, sowie h. mindestens eine Zapfsäule (6).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind um Boil-Off Gas aus dem Kopfbereich des Speichertank (1) auszuleiten und zur Kühlung der vakuumisolierten Rohrleitungen (5) zu verwenden, welche insbesondere als Doppelrohr ausgeführt sind.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung innerhalb eines vorgefertigten Rahmengestells oder in einem Container platziert wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, ausgenommen der mindestens einen Zapfsäule, unterirdisch aufgestellt wird und dazu Mittel, insbesondere Kamine, vorgesehen sind um Abgase und Kühlmittel auszutauschen.
  5. Verfahren zur Betankung eines Fahrzeuges mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe von gasförmigem Wasserstoff bei einem Druck zwischen 350 und 700 bar und bei einer Temperatur von –33 bis –40°C erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Rohrleitung, Instrumente und Sensoren und zur Vermeidung von Wärmeeintrag Boil-Off Gas verwendet wird, welches aus dem Kopfbereich eines Speichertank (1) abgezogen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Druckregulierventil (4) der Druck des Wasserstoffs eingestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Temperaturregelung (TC) die Temperatur des Wasserstoffs eingestellt wird und dass die Temperaturregelung mit den Elektromotoren (M) der Pumpe in Verbindung steht, um wenn nötig kalten Wasserstoff aus dem Speichertank (1) nachzufördern.
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