DE102016013458A1

DE102016013458A1 - Metallhydridspeicher als Konstantdruckspeicher

Info

Publication number: DE102016013458A1
Application number: DE102016013458.5A
Authority: DE
Inventors: Sarah Gruber; Johannes Hell; Christoph Nagl; Lukas Tobeiner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-11-12
Filing date: 2016-11-12
Publication date: 2018-05-17
Also published as: WO2018086753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speicheranordnung (100) zur Entnahme von Wasserstoff unter gleichbleibendem Druck aus einem Metallhydridspeicher (5), aufweisend: Ein Wasserstoff-Reservoir (1), in dem Wasserstoff speicherbar ist, einen Metallhydridspeicher (5), einen ersten Wärmetauscher (7), der dazu ausgebildet ist, den Metallhydridspeicher (5) auf eine vordefinierte Betriebstemperatur einzustellen, wobei die Speicheranordnung (100) so konfiguriert ist, dass wenn Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher (5) entnommen wird, der erste Wärmetauscher (7) dem Metallhydridspeicher (5) Wärme zuführt, so dass der Druck und die Temperatur im Metallhydridspeicher (5) innerhalb eines vordefinierten Druckintervalls umfassend einen Betriebsdruck und innerhalb einer vordefinierten Temperaturspanne umfassend eine Betriebstemperatur bleibt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Metallhydridspeichers (5) als Konstantdruckspeicher.

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicheranordnung mit einem Metallhydridspeicher als Konstantdruckspeicher gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Speicheranordnung als Konstantdruckspeicher gemäß Anspruch 9.
Konstantdruckspeicher stellen ein Fluid insbesondere ein Gas, wie beispielsweise molekularen Wasserstoff unter konstantem Druck zur Verfügung, bzw. speichern das Fluid unter konstantem Druck, was für viele Anwendung im Bereich der Wasserstoffwirtschaft vorteilhaft ist.
Typischerweise werden als Konstantdruckspeicher sogenannte Kolbenspeicher eingesetzt, die den konstanten Druck des Fluids im Speicher dadurch realisieren, dass ein Kolben mit immer gleichem Druck auf das Speichervolumen drückt. Der externe Druck auf den Kolben wird dabei typischerweise durch ein inkompressibles Hydrauliköl bewirkt.
Je nach Füllstand befindet sich der Kolben dabei unterschiedlich weit im Speichervolumen des Konstantdruckspeichers.
Diese Art von Konstantdruckspeichern hat zwei Nachteile. Zum einen ist durch die Bewegung des Kolbens im Speichervolumen ein Verschleißen der Kolbendichtung unvermeidbar und zum anderen wird insbesondere das gleiche Volumen an Hydrauliköl benötigt wie Speichervolumen vorhanden ist. D.h. je größer das Speichervolumen ist, also je größer die Speicherkapazität eines solchen Kolbenspeichers ist, desto mehr Hydrauliköl wird benötigt.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und eine Verfahren bereitzustellen, mit denen verschleißfrei und auf energieeffiziente Weise Wasserstoff unter konstantem Druck gespeichert werden kann.
Das erfindungsgemäße Problem wird durch eine Speicheranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist im Unteranspruch 10 gegeben. Die Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
Danach ist eine Speicheranordnung zur Entnahme von Wasserstoff unter gleichbleibendem Druck aus einem Metallhydridspeicher vorgesehen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:

- Ein Wasserstoff-Reservoir, in dem Wasserstoff insbesondere flüssig oder gasförmig speicherbar ist oder gespeichert ist,
- einen Metallhydridspeicher der mit dem Wasserstoff-Reservoir verbunden ist, wobei insbesondere Wasserstoff unter einem Betriebsdruck bei einer Betriebstemperatur im Metallhydridspeicher, insbesondere gasförmig und/oder als Metallhydrid, gespeichert ist,
- insbesondere einen Verdichter, über den der Metallhydridspeicher mit dem Wasserstoff-Reservoir verbunden ist, und wobei der Verdichter dazu ausgebildet ist, dem Metallhydridspeicher gasförmigen Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Reservoir insbesondere mit einem vordefinierten Druck bereitzustellen, wobei der vordefinierte Druck insbesondere dem Betriebsdruck des Metallhydridspeichers entspricht,
- einen ersten Wärmetauscher, der dazu ausgebildet ist, den Metallhydridspeicher auf eine vordefinierte Betriebstemperatur einzustellen oder auf der Betriebstemperatur zu halten, insbesondere durch Wärmezufuhr,
- insbesondere einen Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur im Metallhydridspeicher zu erfassen,
- insbesondere einen Drucksensor, der dazu ausgebildet ist, den Druck im Metallhydridspeicher zu erfassen, wobei die Speicheranordnung so konfiguriert ist, dass, wenn Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher entnommen wird, der erste Wärmetauscher dem Metallhydridspeicher Wärme zuführt, so dass der Druck und die Temperatur im Metallhydridspeicher innerhalb eines vordefinierten Druckintervalls um einen Betriebsdruck und innerhalb einer vordefinierten Temperaturspanne um die Betriebstemperatur bleiben.

Durch die erfindungsgemäße Speicheranordnung kann in vorteilhafter Weise, insbesondere ohne Verschleiß, gasförmiger Wasserstoff unter gleichbleibendem Druck entnommen werden.
Metallhydridspeicher sind aus dem Stand der Technik bekannt. Metallhydride werden durch Bindung von Wasserstoff und Metallen gebildet. Bei der Bildung des Metallhydrids wird Wärme frei. Durch Wärmezufuhr kann das Metallhydrid reversibel in Wasserstoff und Metall umgewandelt werden, so dass Wasserstoff frei wird und als molekularer Wasserstoff vorliegt.
Diesen Mechanismus macht man sich bei Metallhydridspeichern zu Nutze. Die Erfindung verknüpft in vorteilhafterweise die Vorteile eines Konstantdruckspeichers mit den Vorteilen eines Metallhydridspeichers. Dadurch ist ein energieeffizienter und verschleißarmer Betrieb der erfindungsgemäßen Speicheranordnung gewährleistet.
Weiterhin ist die Speicheranordnung vorteilhaft dazu ausgebildet, Lastwechsel im Metallhydridspeicher zu vermeiden, was die Lebenszeit des Metallhydridspeichers positiv beeinflusst. Bei einem solchen Betrieb sind die konstruktiven Anforderungen an den Metallhydridspeicher vergleichsweise gering.
Ein Druckabfall im Metallhydridspeicher wird erfindungsgemäß insbesondere durch Wärmezufuhr über den ersten Wärmetauscher ausgeglichen, wobei die Wärmezufuhr dazu führt, dass Wasserstoff aus dem Speichermedium freigesetzt wird, also dass Metallhydrid in Metall und Wasserstoff umgewandelt wird. Dadurch wird der Druck und die Temperatur im Metallhydridspeicher aufrechterhalten.
Insbesondere ist in der erfindungsgemäßen Speicheranordnung gasförmiger Wasserstoff im Restvolumen des Metallhydridspeichers gespeichert, wobei das Restvolumen das Differenzvolumen aus Speichervolumen und Speichermediumsvolumen ist.
Das Speichermediumsvolumen ist das Volumen, das durch das Metall eingenommen wird, welches als Metallhydridspeicher verwendet wird.
Im Gegensatz dazu ist das Speichervolumen durch das komplette Volumen des Metallhydridspeichers gegeben, und umfasst insbesondere Hohlräume, die zwischen dem Speichermedium liegen und dem gasförmigen Wasserstoff zugänglich sind. Der Druck des gasförmigen Wasserstoffs ist dabei gleich dem Betriebsdruck im Metallhydridspeicher.
Die Komponenten der Vorrichtung sind dabei so aufeinander abgestimmt und wirken so zusammen, dass bei einer Entnahme von Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher der Druck im Metallhydridspeicher innerhalb vordefinierter Toleranzen bleibt und daher Druckschwankungen um den Betriebsdruck sowie Temperaturschwankungen um die Betriebstemperatur möglichst nur innerhalb vordefinierter Intervalle stattfinden.
Um dies zu gewährleisten, sind insbesondere der Drucksensor und der Temperatursensor notwendig, damit eine Temperatur und ein Druck im Metallhydridspeicher ermittelt werden kann.
Aufgrund der gemessenen Temperatur und des Drucks kann bestimmt werden, wieviel Wärme dem Metallhydridspeicher über den ersten Wärmetauscher zugeführt werden muss, um den Druck und die Temperatur konstant zu halten.
Nach einem Entnahmevorgang kann der entnommene Wasserstoff beispielsweise über den Verdichter aus dem Wasserstoff-Reservoir nachgeliefert werden. Wobei beim Befüllungsvorgang des Metallhydridspeichers Wärme abgeführt werden sollte, bzw. der eingeleitete Wasserstoff kühler sein sollte, als die Betriebstemperatur, damit die bei der Bildung des Metallhydrids entstehende Wärme nicht zu einer Temperaturerhöhung im Metallhydridspeicher führt. Zuviel entstandene Wärme im Metallhydridspeicher kann auch über den ersten Wärmetauscher abgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine obere Grenze des Druckintervalls durch den 1.1-fachen Betriebsdruck gegeben ist und eine untere Grenze des Druckintervalls durch den 0.9-fachen Betriebsdruck gegeben ist.
Das Druckintervall erstreckt sich also in beide Richtung um 10% des Betriebsdrucks. Diese Toleranz, was die Druckschwankungen im Metallhydridspeicher angeht, gewährleistet einen besonders schonenden Betrieb des Metallhydridspeichers, da die Lastwechsel vergleichsweise gering sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine obere Grenze der Temperaturspanne durch das 1.1-fache der Betriebstemperatur gegeben, und eine unter Grenze der Temperaturspanne ist durch das 0,9-fache der Betriebstemperatur gegeben.
Die vergleichsweise geringen Temperaturschwankungen ermöglichen einen ökonomischen Betrieb des Metallhydridspeichers als Konstantdruckspeicher.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Betriebsdruck zwischen 300 bar und 1200 bar, insbesondere bei 620 bar oder bei 1000 bar.
Die Hochdruckspeicherung des Wasserstoffs ist für eine Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Metallhydridspeicher Wasserstoff unter nahezu konstanten Betriebsdruck dieser Größenordnung - mehrere hundert bar - abgeben kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Betriebstemperatur im Metallhydridspeicher zwischen -40°C und 80°C. Für diesen Temperaturbereich existieren Legierungen, die geeignet sind, bei den genannten Drücken Wasserstoff zu speichern.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung weist der Metallhydridspeicher ein Speichermedium auf, wobei das Speichermedium beispielsweise eine Titan-Mangan Legierung aufweist und wobei insbesondere das Speichermedium aus der Titan-Mangan Legierung besteht.
Diese Legierung ist besonders vorteilhaft in dem Metallhydridspeicher einsetzbar und kann vorteilhaft bei den genannten Betriebsdrücken und Betriebstemperaturen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Speicheranordnung einen zweiten Wärmetauscher und einen dritten Wärmetauscher, der insbesondere als Wärmespeicher ausgeführt ist, auf, wobei der zweite Wärmetauscher so in der Speicheranordnung angeordnet ist, dass er vom Wasserstoff-Reservoir, insbesondere über den Verdichter bereitgestellten Wasserstoff auf eine vordefinierte Temperatur temperiert, wobei die Temperatur insbesondere gleich hoch oder niedriger als die Betriebstemperatur des Metallhydridspeichers ist und wobei der dritte Wärmetauscher wärmeleitend mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, und so in der Speicheranordnung angeordnet ist, dass er den ersten Wärmetauscher mit Wärme versorgen kann.
Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders energieeffizient und ökonomisch betreibbar, da überschüssige Wärme beim Einleiten des Wasserstoffs in den Metallhydridspeicher vom zweiten Wärmetauscher abgeführt wird und im dritten Wärmetauscher zwischengespeichert werden kann. Die überschüssige Wärme entsteht beispielsweise durch das Verdichten des Wasserstoffs am Verdichter. Außerdem ist unter Umständen eine Kühlung des Wasserstoffs vor Einleiten in den Metallhydridspeicher notwendig, um die beim Befüllen des Metallhydridspeichers entstehende Wärme zu kompensieren, so dass nach Befüllung die richtige Betriebstemperatur im Metallhydridspeicher herrscht. Bei Bedarf kann auch der erste Wärmetauscher zum Kühlen der Temperatur im Metallhydridspeicher verwendet werden. Die dabei abgeführte Wärme kann ebenfalls im dritten Wärmetauscher zwischengespeichert werden.
Bei Bedarf, also beispielsweise bei Entnahme von Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher, kann die im dritten Wärmetauscher gespeicherte Wärme vom dritten Wärmetauscher auf den ersten Wärmetauscher übertragen werden, der seinerseits diese Wärme auf den Metallhydridspeicher überträgt, wodurch ein Wärmeeintrag in den Metallhydridspeicher ermöglicht wird.
Dieser Wärmeeintrag ist notwendig, um die Temperatur im Metallhydridspeicher während der Entnahme konstant zu halten.
Wie beschrieben, wird gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung insbesondere durch zwei gekoppelte Wärmetauschkreisläufe überschüssige Energie wieder verwertet, so dass wärmebedingte Energieverluste minimiert sind.
Die zwei Wärmetauschkreisläufe sind dabei über den dritten Wärmetauscher wärmetechnisch gekoppelt. Der dritte Wärmetauscher weist insbesondere eine hohe Wärmekapazität auf, und kann daher auch einen Wärmespeicher oder einen Pufferspeicher aufweisen oder ein Wärmespeicher oder Pufferspeicher sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Speicheranordnung so ausgebildet, dass der Metallhydridspeicher als Konstantdruckspeicher betreibbar ist.
Die Betriebsdrücke eines solchen Konstantdruckspeichers liegen dabei zwischen 1 bar und 5000 bar. Die Betriebstemperaturen liegen bei solchen Speichern je nach Speichermedium zwischen -40 und 400°C.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass vor und/oder nach dem Metallhydridspeicher ein Filter angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, in den bzw. aus dem Metallhydridspeicher strömenden Wasserstoff von Verunreinigungen zu filtern.
Das Einleiten und die Entnahme von Wasserstoff in den bzw. aus dem Metallhydridspeicher können insbesondere über dafür vorgesehene Ventile an einem Zulauf und einem Ablauf des Metallhydridspeichers erfolgen. Weiterhin kann ein Überdruck-Sicherheitsventil am Metallhydridspeicher vorgesehen sein, dass eine Überlastung des Metallhydridspeichers verhindert.
Das erfindungsgemäße Problem wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines Metallhydridspeichers in einer erfindungsgemäßen Speicheranordnung gelöst, wobei die zumindest die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:

- Befüllen des erfindungsgemäßen Metallhydridspeichers mit gasförmigem Wasserstoff, so dass sich
- eine Betriebstemperatur und ein Betriebsdrucks im Metallhydridspeicher einstellt,
- Entnahme von Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher, wobei bei der Entnahme dem Metallhydridspeicher Wärme, insbesondere über den ersten Wärmetauscher, zugeführt wird, so dass die Temperatur im Metallhydridspeicher in einer vordefinierten Temperaturspanne um die Betriebstemperatur bleibt und der Druck im Metallhydridspeicher in einem vordefinierten Druckintervall um den Betriebsdruck bleibt.

Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise das energieeffiziente Betreiben eines Metallhydridspeichers in einer erfindungsgemäßen Speicheranordnung unter Konstantdruck.
Die Temperaturspanne und das Druckintervall erstrecken sich dabei insbesondere ±10% um die Betriebstemperatur bzw. um den Betriebsdruck. Schwankungen der Betriebstemperatur und des Betriebsdrucks sind beim Betreiben des Metallhydridspeichers als Konstantdruckspeicher unvermeidbar, wobei idealer Weise diese Schwankungen möglichst klein gehalten werden sollen und somit der Druck möglichst konstant bleibt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Wesentlichen die gleichen wie bei der erfindungsgemäßen Speicheranordnung, nämlich dass ein solcher als Konstantdruckspeicher betriebener Metallhydridspeicher ohne größere Lastwechsel betrieben werden kann, dass ein solcher Betrieb sehr energieeffizient erfolgen kann, und dass aufgrund fehlender beweglicher Verschleißteile und Kolbendichtungen, die Speicheranordnung nur selten gewartet werden muss.
Beim Befüllen des Metallhydridspeichers werden die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck, insbesondere durch Wärmezufuhr über den ersten Wärmetauscher und Vorkühlung des einzuleitenden Wasserstoffs durch den zweiten Wärmetauscher eingestellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird beim Befüllen des Metallhydridspeichers mit Wasserstoff Wärme vom zweiten Wärmetauscher an den dritten Wärmetauscher übertragen, wobei die übertragene Wärme des dritten Wärmetauschers auf den ersten Wärmetauscher übertragen wird, wenn Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher entnommen wird.
Dieser Wärmespeichermechanismus ermöglicht ein besonders energiesparendes Betreiben der Speicheranordnung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Speicheranordnung; und
2 eine schematische Darstellung von Konzentrations-Druck-Isothermen eines Metallhydridspeichers.

In 1 ist schematisch eine Speicheranordnung 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Metallhydridspeicher 5 ist über einen Verdichter 2 mit einer Wasserstoffquelle 1 verbunden. Die Wasserstoffquelle 1 enthält gasförmigen oder flüssigen Wasserstoff. Der Verdichter 2 ist dazu ausgelegt, den Metallhydridspeicher 5 mit gasförmigem Wasserstoff von bis zu 1200 bar, insbesondere bis zu 5000 bar zu versorgen. Am Metallhydridspeicher 5 ist ein erster Wärmetauscher 7 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den Metallhydridspeicher 5 mit Wärme zu versorgen. Zwischen dem Verdichter 2 und dem Metallhydridspeicher 5 ist ein zweiter Wärmetauscher 3 und ein Filter 4 angeordnet. Der Filter 4 ist dazu ausgebildet, Verunreinigungen aus dem vom Verdichter 2 oder dem ersten Wärmtauscher 3 kommenden Wasserstoff zu filtern. Damit ist gewährleistet, dass der Wasserstoff auch nach Entnahme aus dem Metallhydridspeicher 5 chemisch rein ist und in höchster Qualität entnommen werden kann. Insbesondere genügt der Filter 4 den erforderlichen Reinheitsstandards gemäß der Norm SAE 2719.
Der zweite Wärmetauscher 3 ist in einem ersten Wärmetauschkreislauf 11 mit einer ersten Kreislaufpumpe 10 angeordnet, und dazu ausgebildet, über ein Wärmeträgermedium des ersten Wärmetauschkreislaufs 11 einen dritten Wärmetauscher 8 mit Wärme zu versorgen. Diese Wärme wird insbesondere beim Befüllen des Metallhydridspeichers 5 gewonnen, bzw. erzeugt, da der vom Verdichter 2 zur Verfügung gestellte Wasserstoff vor Zuleitung in den Metallhydridspeicher 5 gekühlt wird, und daher Wärme abgeführt werden muss. Die dabei abgeführte Wärme wird dem dritten Wärmetauscher 8 zugeführt, der auch als Wärmespeicher dient. Der dritte Wärmetauscher 8 ist an einem zweiten Wärmetauschkreislauf 12 mit einer zweiten Kreislaufpumpe 9 angeordnet, und dazu ausgebildet, über ein Wärmeträgermedium des zweiten Wärmetauschkreislaufs 12, falls erforderlich, den am Metallhydridspeicher 5 angeordneten ersten Wärmetauscher 7 mit der erforderlichen Prozesswärme für die Entnahme von Wasserstoffs aus dem Metallhydridspeicher 5 zu versorgen.
Um bei der Entnahme von Wasserstoff einen Druckabfall im Metallhydridspeicher 5 zu vermeiden bzw. zu kompensieren, wird dem Metallhydridspeicher 5 Wärme bei der Entnahme von Wasserstoff zugeführt. Da die Umwandlung von Metallhydrid in Metall und Wasserstoff ein endothermer Prozess ist, entsteht bei der Entnahme von Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher 5 Kälte. Diese Kälte wird durch die Wärmezufuhr durch den ersten Wärmetauscher 7 kompensiert, so dass die Temperatur und der Druck im Metallhydridspeicher 5 annähernd konstant bleibt, zumindest aber in einem vordefinierten Intervall von ± 10% des Betriebsdrucks bzw. der Betriebstemperatur bleibt.
Die erfindungsgemäße Speicheranordnung 100 erlaubt somit den Betrieb eines Metallhydridspeichers 5 als Konstantdruckspeicher. Weiterhin gewährt die spezifische Anordnung und das Zusammenwirken des ersten, zweiten und dritten Wärmetauschers 7, 3, 8 einen äußerst energieeffizienten und ökonomischen Betrieb einer solchen Speicheranordnung 100, da entstehende Wärme in der gleichen Anlage weiterverwendet wird.
Da der Metallhydridspeicher 5 im Idealfall keinerlei Lastwechseln ausgesetzt ist, gewährt die Speicheranordnung 100 einen nahezu verschleißfreien Betrieb eines solchen als Konstantdruckspeicher betriebenen Metallhydridspeicher 5. Lastwechsel treten insbesondere nur bei der erstmaligen Befüllung und bei vollständiger Entleerung auf. Der Metallhydridspeicher 5 soll daher aufgrund der Drucktoleranzen eine Druckänderung oder einen Druckabfall von bis zu 200 bar standhalten können, d.h. der Metallhydridspeicher 5 ist für einen solchen Druckwechsel ausgelegt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Metallhydridspeicher 5 für bis zu 1000 Volllastwechsel ausgelegt ist.
Der so betriebene Metallhydridspeicher 5 bildet einen Konstantdruckspeicher ohne bewegliche Teile und erfordert insbesondere keinerlei Kolbendichtungen wie sie bei herkömmlichen Konstantdruckspeichern anzutreffen sind.
Zum Erfassen des Drucks weist die Speicheranordnung 100 zumindest einen Drucktransmitter auf, der so in der Speicheranordnung angeordnet ist, dass der Druck im Metallhydridspeicher 5 ermittelt werden kann. Über ein Steuermittel, das insbesondere den im Metallhydridspeicher 5 herrschenden Druck als Steuersignal verwendet, wird genau die gleiche Menge an Wasserstoff in den Metallhydridspeicher 5 nachgefördert, wie entnommen wurde. Dies kann gleichzeitig geschehen, oder aber zeitversetzt nach der Entnahme.
Stromab oder am Metallhydridspeicher 5 ist ein Dispenser 6 angeordnet, über den der Wasserstoff unter gleichbleibendem Druck aus dem Metallhydridspeicher 5 entnommen werden kann.
Das Speichermedium für den Metallhydridspeicher 5 wird vorzugsweise anhand der Betriebstemperatur und der gewünschten Drücke gewählt.
Insbesondere kommen dabei die folgenden Legierungen als Speichermedium in Betracht. In Klammern ist der Temperaturbereich in dem die bevorzugte Betriebstemperatur der Legierungen liegt, vermerkt:

Niedrigtemperaturhydride (-20°C bis 80°C), wie beispielsweise Zr-Mn, Fe-Ti, La-Ni oder Ti-Mn.
Mitteltemperaturhydride (80°C bis 200°C), wie beispielsweise Alanate oder Amide, Hochtemperaturhydride (200°C bis 400°C), wie beispielsweise Mg, Mg-Ni, oder anderen Legierungen, wie beispielsweise in der WO2014198948 A1 offenbart.

D.h. die Betriebstemperatur des Metallhydridspeichers 5 richtet sich nach der verwendeten Legierung. So kann beispielsweise beim Einsatz einer Ti-Mn- (Titan-Mangan) Legierung als Speichermedium pro Kubikmeter Speichervolumen 70 kg Wasserstoff gespeichert werden. Dieser Wert ist ab ca. 200 bar Speicherdruck im Metallhydridspeicher 5 annährend konstant. Dadurch kann bei 900 bar Betriebsdruck anstatt rund 45 kg/m³ (was der Dichte von Wasserstoff bei 900 bar bei 303 K entspricht), wie es bei herkömmlichen Wasserstoffspeichern der Fall ist, schon 70kg/m³ gespeichert werden. Gleiches gilt für einen Betriebsdruck von 500 bar. Die Betriebstemperatur eines solchen Ti-Mn-Speichers liegt dabei je nach Betriebsdruck zwischen 0°C und 50°C.
Die Berechnung des speicherbaren Wasserstoffvolumens V_H2 kann folgendermaßen durchgeführt werden:

V_Speicher*07 = V_{Speichermedium}

V_H2 = V_{Speichermedium}* Füllgrad Füllgrad ≈ 70 g/l (für Ti-Mn)
Dabei ist V_Speicher das gesamte im Metallhydridspeicher 5 zur Verfügung stehende Volumen. V_{Speichermedium} ist gleich dem Volumen, das durch das Speichermedium eingenommen wird und V_H2 ist die speicherbare Menge an Wasserstoff, wobei der maximale Füllgrad durch das spezifische Material des Speichermediums gegeben ist.
In 2 ist schematisch der Verlauf des Wasserstoffdrucks im Metallhydridspeicher 5 als Funktion der Wasserstoffkonzentration c im Metallhydridspeicher 5 für drei verschiedene Temperaturen T1, T2, T3 dargestellt.
Entlang der x-Achse ist die Wasserstoffkonzentration c im Metallhydridspeicher 5 aufgetragen und entlang der y-Achse ist der Druck p im Metallhydridspeicher 5 aufgetragen. Die drei Kurven im Diagramm entsprechen drei verschiedenen Isothermen für die Temperaturen T1, T2, T3 im Metallhydridspeicher 5, wobei die unterste Kurve der niedrigsten Temperatur T1 entspricht und die oberste Kurve der höchsten Temperatur T3 entspricht.
Alle drei Isothermen weisen einen Sattelbereich (angedeutet und begrenzt durch die gestrichelten Linien) auf, in dem trotz steigender bzw. fallender Wasserstoffkonzentration im Metallhydridspeicher 5 der Druck nicht ansteigt bzw. fällt. Dies ist der Bereich in dem Wasserstoff in Metallhydrid gebunden bzw. aus dem Metallhydrid freigesetzt wird.
Durch den Einsatz und das Betrieben des Metallhydridspeichers 5 als Konstantdruckspeicher, werden die Vorteile des herkömmlichen Druckspeichers und die Vorteile eines Konstantdruckspeichers verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoffquelle
2: Verdichter
3: Zweiter Wärmetauscher
4: Filter
5: Metallhydridspeicher
6: Dispenser
7: Erster Wärmetauscher
8: Dritter Wärmetauscher
9: Zweite Kreislaufpumpe
10: Erste Kreislaufpumpe
11: Erster Wärmetauschkreislauf
12: Zweiter Wärmetauschkreislauf
100: Speicheranordnung
C: Wasserstoffkonzentration
T1: Temperatur der ersten Isotherme
T2: Temperatur der zweiten Isotherme
T3: Temperatur der dritten Isotherme
P: Wasserstoffdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014198948 A1 [0057]

Claims

Speicheranordnung (100) zur Entnahme von Wasserstoff unter gleichbleibendem Druck aus einem Metallhydridspeicher (5), aufweisend: - ein Wasserstoff-Reservoir (1), in dem Wasserstoff speicherbar ist, - einen Metallhydridspeicher (5), der mit dem Wasserstoff-Reservoir verbunden ist, - einen ersten Wärmetauscher (7), der dazu ausgebildet ist, den Metallhydridspeicher (5) auf eine vordefinierte Betriebstemperatur einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung (100) so konfiguriert ist, dass wenn Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher (5) entnommen wird, der erste Wärmetauscher (7) dem Metallhydridspeicher (5) Wärme zuführt, so dass der Druck und die Temperatur im Metallhydridspeicher (5) innerhalb eines vordefinierten Druckintervalls umfassend einen vordefinierten Betriebsdruck und innerhalb einer vordefinierten Temperaturspanne umfassend eine Betriebstemperatur bleiben.
Speicheranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Grenze des Druckintervalls durch den 1.1-fachen Betriebsdruck gegeben ist und eine untere Grenze des Druckintervalls durch den 0.9-fachen Betriebsdruck gegeben ist.
Speicheranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Grenze der Temperaturspanne durch das 1.1-fache der Betriebstemperatur gegeben ist, und eine unter Grenze der Temperaturspanne durch das 0,9-fache der Betriebstemperatur gegeben ist.
Speicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck zwischen 300 bar und 1200 bar, insbesondere bei 620 bar oder bei 1000 bar liegt.
Speicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur zwischen -40°C und 80°C liegt.
Speicheranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallhydridspeicher (5) ein Speichermedium aufweist, wobei das Speichermedium eine Titan-Mangan Legierung aufweist und wobei insbesondere das Speichermedium aus der Titan-Mangan Legierung besteht.
Speicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung (100) einen zweiten Wärmetauscher (3) und einen dritten Wärmetauscher (8) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher (3) so in der Speicheranordnung (100) angeordnet ist, dass aus dem Wasserstoff-Reservoir (1), insbesondere über den Verdichter (2), bereitgestellter Wasserstoff durch den zweiten Wärmetauscher (3) auf eine vordefinierte Temperatur einstellbar ist, wobei die Temperatur insbesondere niedriger als oder gleich hoch wie die Betriebstemperatur des Metallhydridspeichers (5) ist, und wobei der dritte Wärmetauscher (8) wärmeleitend mit dem zweiten Wärmetauscher (3) verbunden ist, und so in der Speicheranordnung (100) angeordnet ist, dass er den ersten Wärmetauscher (7) mit Wärme versorgen kann.
Speicheranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung (100) so ausgebildet ist, dass der Metallhydridspeicher (5) als Konstantdruckspeicher betreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Metallhydridspeichers (5) in einer Speicheranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte: - Befüllen des Metallhydridspeichers (5) mit gasförmigem Wasserstoff, - Einstellen einer Betriebstemperatur und eines Betriebsdrucks im Metallhydridspeicher (5), - Entnahme von Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher (5), wobei bei der Entnahme dem Metallhydridspeicher (5) Wärme zugeführt wird, so dass die Temperatur im Metallhydridspeicher (5) in einer vordefinierten Temperaturspanne um die Betriebstemperatur bleibt und der Druck im Metallhydridspeicher (5) in einem vordefinierten Druckintervall um den Betriebsdruck bleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Befüllen des Metallhydridspeichers (5) mit Wasserstoff Wärme vom zweiten Wärmetauscher (3) an den dritten Wärmetauscher (8) übertragen wird, wobei die übertragene Wärme des dritten Wärmetauschers (8) auf den ersten Wärmetauscher (7) übertragen wird, wenn Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher (5) entnommen wird.