DE102016203200A1 - Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters (10) offenbart, wobei der erste kryogene Druckbehälter (10) zum Speichern von kryogenem Gas ausgebildet ist, wobei Gas zuerst durch den ersten Druckbehälter (10) zum Abkühlen des ersten Druckbehälters (10) geführt wird und anschließend einem zweiten Druckbehälter (20) zum Speichern des Gases zugeführt wird, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters (10) einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat oder bis der zweite Druckbehälter (20) einen vorgegebenen Befüllungsgrad an Gas erreicht hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters, ein weiteres Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters und ein Druckbehältersystem umfassend einen ersten kryogenen Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas und einen zweiten Druckbehälter zum Speichern von.
  • Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter bzw. Drucktanks werden beispielsweise für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Kryogene Druckbehälter können mehr Gas speichern, je kälter der Druckbehälter ist. Insbesondere bei längeren Standzeiten des Druckbehälters, d. h. z. B. des Kraftfahrzeugs, in dem der Druckbehälter angeordnet ist, kann die Temperatur des Druckbehälters und folglich die Temperatur des Gases in dem Druckbehälter stark steigen.
  • Durch das Abführen von Gas aus dem Druckbehälter sinkt der Druck und die Temperatur des Gases und folglich die Temperatur des Druckbehälters. Sofern jedoch nur wenig Gas in dem Druckbehälter vorhanden ist und es zu einer längeren Standzeit des Kraftfahrzeugs kommt, kann auch bei dem Verbrauch, d. h. dem Abführen aus dem Druckbehälter, des restlichen Gases dies den Druckbehälter nur sehr geringfügig abkühlen. Somit weist der Druckbehälter bei einer Betankung bzw. Wiederbefüllung eine relativ hohe Temperatur auf. Dies führt dazu, dass nur wenig Gas in dem Druckbehälter aufgenommen bzw. dem Druckbehälter zugeführt werden kann. In der Folge ist die Reichweite des Kraftfahrzeugs mit dem Druckbehälter gering.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie.
  • Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, den Gegenstand des Patentanspruchs 5 und den Gegenstand des Patentanspruchs 6. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Somit wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters gelöst, wobei der erste kryogene Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas ausgebildet ist, wobei Gas zuerst durch den ersten Druckbehälter zum Abkühlen des ersten Druckbehälters geführt wird und anschließend einem zweiten Druckbehälter zum Speichern des Gases zugeführt wird, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat oder bis der zweite Druckbehälter einen vorgegebenen Befüllungsgrad an Gas erreicht hat.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass der erste kryogene Druckbehälter abgekühlt wird und das sich durch die Abkühlung des ersten kryogenen Druckbehälters erwärmte Gas nicht im ersten Druckbehälter verbleibt, sondern in den zweiten Druckbehälter geführt wird. Erst wenn der erste Druckbehälter ausreichend abgekühlt wurde, d. qh. wenn das Gas nicht mehr nennenswert durch den ersten Druckbehälter erwärmt wird, oder wenn der zweite Druckbehälter einen bestimmten Füllstand bzw. Befüllungsgrad erreicht hat, wird das Gas nicht mehr durch den ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter geführt. Das Gas kann, nach Erreichen der Endbedingungen der Durchführung des Gases durch den ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter, anschließend beispielsweise in den ersten Druckbehälter geführt werden und dort verbleiben bzw. gespeichert werden. Somit kann bei einem Betankungsvorgang der erste Druckbehälter für die (kryogene) Gasfüllung (zusätzlich) abgekühlt werden. Am Ende der Abkühlung bzw. Erreichen der Endbedingung weist der erste Druckbehälter somit eine niedrigere Temperatur auf als ohne zusätzliche Abkühlung durch das kalte Gas, wodurch eine höhere Betankungsdichte erreicht werden kann. Das kryogene oder kalte Gas wird durch den Wärmeaustausch mit dem Behälter erwärmt und kann im zweiten warmen Druckbehälter nahezu verlustfrei gespeichert werden. Hierdurch erfolgt eine Konditionierung des ersten (kryogenen) Behälters in welchem somit der Anteil an erwärmten Gas minimiert wird, das für das Abkühlen des ersten Druckbehälters verwendet wurde. Hierdurch, d. h. insbesondere die niedrige Temperatur des Druckbehälters, steigt die Menge an Gas (bei gleichem Betankungsdruck), die in dem ersten Druckbehälter gespeichert werden kann, an. Dies führt zu einer erhöhten Reichweite eines Kraftfahrzeugs, in dem der Druckbehälter angeordnet sein kann.
  • Die vorgegebene Temperatur kann die Temperatur des Gases sein, bevor das Gas in den ersten Druckbehälter eingeführt wird. Somit wird solange Gas durch den ersten Druckbehälter geführt, bis der erste Druckbehälter (bis auf eventuelle Isolationsverluste) die Temperatur des Gases (vor der Einführung in den ersten Druckbehälter) erreicht hat. Wenn der erste Druckbehälter diese Temperatur erreicht hat, kann das Gas den ersten Druckbehälter nicht mehr abkühlen und der Druckbehälter erwärmt das Gas nicht mehr. Vorteilhaft hieran ist, dass die Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert werden kann, besonders stark erhöht wird.
  • Das Gas kann nach dem Durchströmen des ersten Druckbehälters erwärmt werden, bevor das Gas dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird. Hierdurch kann das Gas in dem zweiten Druckbehälter im warmen Zustand gespeichert werden. Wenn der zweite Druckbehälter zum Speichern von CGH2 ausgebildet ist, kann somit das Gas im warmen Zustand in den zweiten Druckbehälter geführt und dort gespeichert werden. Ein Vorteil hiervon ist somit, dass einerseits das Gas den ersten Druckbehälter abkühlt und andererseits das gleiche Gas anschließend im warmen Zustand im zweiten Druckbehälter gespeichert werden kann.
  • Das Gas kann kryogenes und oder überkritisches Gas sein, bevor das Gas durch den ersten Druckbehälter geführt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass besonders viel Gas in dem ersten Druckbehälter gespeichert werden kann. Zudem wird der erste Druckbehälter besonders stark abgekühlt.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Druckbehältersystem umfassend einen ersten kryogenen Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas, und einen zweiten Druckbehälter zum Speichern von Gas gelöst, wobei das Druckbehältersystem derart ausgebildet ist, dass zum Kühlen des ersten Druckbehälters Gas zunächst durch den ersten Druckbehälter geführt wird und anschließend dem zweiten Druckbehälter zugeführt wird, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat oder bis der zweite Druckbehälter einen vorgegebenen Befüllungsgrad an Gas erreicht hat.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass der erste kryogene Druckbehälter abgekühlt werden kann und das sich durch die Abkühlung des ersten kryogenen Druckbehälters erwärmte Gas nicht im ersten Druckbehälter verbleiben kann, sondern in den zweiten Druckbehälter geführt werden kann. Erst wenn der erste Druckbehälter ausreichend abgekühlt wurde, d. h. wenn das Gas nicht mehr nennenswert durch den ersten Druckbehälter erwärmt wird, oder wenn der zweite Druckbehälter einen bestimmten Füllstand bzw. Befüllungsgrad erreicht hat, wird das Gas nicht mehr durch den ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter geführt. Das Gas kann, nach Erreichen der Endbedingung der Durchführung des Gases durch den ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter, anschließend beispielsweise in den ersten Druckbehälter geführt werden und dort verbleiben. Somit kann bei einem Betankungsvorgang der erste Druckbehälter zunächst abgekühlt werden, bevor er mit Gas, insbesondere kryogenem Gas, befüllt wird. Hierdurch steigt die Menge an Gas, die in dem ersten Druckbehälter gespeichert werden kann, an. Dies führt zu einer erhöhten Reichweite eines Kraftfahrzeugs, in dem der Druckbehälter angeordnet sein kann.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters gelöst,, wobei der erste kryogene Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas ausgebildet ist, wobei zum Kühlen des ersten kryogenen Druckbehälters Gas zunächst in den ersten kryogenen Druckbehälter geführt wird, bis der erste kryogene Druckbehälter zu einem vorgegebenen Befüllungsgrad mit Gas gefüllt ist, und anschließend der erste kryogene Druckbehälter zumindest teilweise in den zweiten Druckbehälter druckentlastet wird. Aufgrund der Druckentlastung wird das verbleibende Gas im ersten Druckbehälter und damit der erste Druckbehälter selbst zusätzlich abgekühlt. Zur Erreichung des maximalen Befüllungsgrads kann der Vorgang so oft wiederholt, bis der maximal zulässige Druck in beiden Druckbehältern vorliegt. Das Druckentlasten kann auch während eines Befüllungsvorgangs des ersten Druckbehälters erfolgen. Zudem kann das Druckentlasten in vorgegebenen Abständen wiederholt werden. Der vorgegebene Befüllungsgrad kann z. B. 10%, 20%, 30%, 50%, 70%, 90% oder 100% des maximalen Befüllungsgrads sein. Das Druckentlasten kann sooft durchgeführt werden, bis der erste Druckbehälter einen vorgegebenen Temperaturwert erreicht hat.
  • Der Vorgang kann durch Steuerung von Ventilen entsprechend realisiert werden.
  • Das Druckbehältersystem kann eine Temperaturmessvorrichtung zum Messen der Temperatur des ersten Druckbehälters umfassen. Hierdurch kann die Temperatur des ersten Druckbehälters unmittelbar erfasst werden. Somit kann der Zeitpunkt, bis zu dem das Gas durch den ersten Druckbehälter und anschließend in den zweiten Druckbehälter geführt wird, besonders genau bzw. optimal bestimmt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Menge an Gas, die in dem ersten Druckbehälter gespeichert werden kann.
  • Das Druckbehältersystem kann eine Druckmesseinrichtung und/oder eine Temperaturmessvorrichtung zum Messen der Drücke bzw. der Temperatur in dem ersten Druckbehälter und/oder dem zweiten Druckbehälter umfassen. Damit kann die Steuerung von Ventilen zum Öffnen oder Schließen abhängig vom Befüllungsgrad der jeweiligen Druckbehälter erfolgen.
  • Die vorgegebene Temperatur kann die Temperatur des Gases sein, bevor das Gas in den ersten Druckbehälter eingeführt wird. Somit kann solange Gas durch den ersten Druckbehälter geführt werden, bis der erste Druckbehälter die Temperatur des Gases, insbesondere des kryogenen Gases, (vor der Einführung in den ersten Druckbehälter) erreicht hat. Wenn der erste Druckbehälter diese Temperatur erreicht hat, kann das (kryogene) Gas den ersten Druckbehälter nicht mehr abkühlen und der Druckbehälter erwärmt das Gas nicht mehr. Vorteilhaft hieran ist, dass die Menge an Gas, die in dem Druckbehälter gespeichert werden kann, besonders stark erhöht wird.
  • Das Druckbehältersystem kann ferner einen Wärmetauscher umfassen, die zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Wärmetauscher das Gas auf dem Weg vom ersten Druckbehälter zum zweiten Druckbehälter oder auf dem Weg vom zweiten Druckbehälter zum ersten Druckbehälter erwärmt. Wenn der zweite Druckbehälter zum Speichern von CGH2 ausgebildet ist, kann somit das Gas im warmen Zustand in den zweiten Druckbehälter geführt und dort gespeichert werden. Ein Vorteil hiervon ist somit, dass einerseits das Gas den ersten Druckbehälter abkühlt und das gleiche Gas anschließend im warmen Zustand (CGH2-Zustand) im zweiten Druckbehälter gespeichert werden kann. Auch kann das Gas aus dem zweiten Druckbehälter auf dem Weg zum ersten Druckbehälter erwärmt werden, um den Druck im ersten Druckbehälter mit möglichst wenig Gas aus dem zweiten Druckbehälter zu erhöhen. Die Wärmeenergie kann unter anderem aus dem Kühlkreislauf des Fahrzeugs stammen oder elektrisch erzeugt werden oder im Gegenstromverfahren aus bereits erwärmtem Gas zugeführt werden.
  • Der zweite Druckbehälter kann zum Speichern von Gas bei einem Druck bis zu 875 bar ausgebildet sein. Vorteilhaft hieran ist, dass der zweite Druckbehälter zum Speichern von z. B. CGH2 ausgebildet ist, d. h. zum Speichern eines warmen Gases. Folglich dient das Gas zum Abkühlen des ersten Druckbehälters und das gleiche Gas kann anschließend im warmen bzw. erwärmten Zustand im zweiten Druckbehälter zur späteren Verwendung gespeichert werden.
  • Der zweite Druckbehälter kann zum Speichern von Gas bei einem deutlich höheren Druck als der erste Druckbehälter (beispielsweise bis zu 875 bar) und für kryogene Temperaturen ausgelegt sein. Vorteilhaft hieran ist, dass der zweite Druckbehälter zum Speichern von z. B. CGH2 ausgebildet ist, d. h. zum Speichern eines warmen Gases aber auch kryogenen Temperaturen widerstehen kann. Folglich dient das kryogene Gas zum Abkühlen des ersten Druckbehälters und das gleiche Gas kann anschließend in einem immer noch kalten oder kryogenem Zustand dem zweiten Druckbehälter zur späteren Verwendung zugeführt werden ohne dass dieses Gas zusätzlich angewärmt werden muss. Das Gas kann sich im abgeschlossenen zweiten Behälter bei gleichzeitigem Druckaufbau erwärmen. Idealerweise ist der Behälter so ausgelegt, dass der Druckaufbau durch das kalte Gas ohne Verluste gespeichert werden kann.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Druckbehältersystem gelöst.
  • Das Verfahren nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 5 und das Druckbehältersystem nach Anspruch 6 eignet sich insbesondere für Nutzfahrzeuge, da in diesen mehr Raum (für den Einbau des zweiten Druckbehälters) vorhanden ist.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft u. a. einen kryogenen Druckbehälter bzw. Drucktank. Der kryogene Druckbehälter bzw. Drucktank kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 30 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand einer Figur erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems; und
  • 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems 1. Das Druckbehältersystem 1 umfasst zwei Druckbehälter 10, 20. Der erste Druckbehälter 10 ist ein Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas (z. B. CcH2). Der erste Druckbehälter 10 weist einen Außenbehälter 11 und einen Innenbehälter 12 auf. Zwischen dem Außenbehälter 11 und dem Innenbehälter 12 ist ein evakuierter Raum 13 angeordnet. Der zweite Druckbehälter 20 ist ein Druckbehälter zum Speichern von (warmem) Gas (z. B. CGH2) unter einem recht hohen Druck (700-bar-Technologie). Hierdurch kann das Druckbehältersystem 1 mit zwei unterschiedlichen Technologien, nämlich kryogenes-Gas-Technologie (z. B. 350 bar; CcH2) und 700-bar-Technologie (CGH2), betankt werden. Da beim Betanken mit der 700-bar-Technologie (kurzzeitig) höhere Drücke als 700 bar entstehen können, ist der zweite Druckbehälter für Drücke bis ca. 875 bar ausgelegt. Auch vorstellbar ist, dass der zweite Druckbehälter nur für Drücke bis ca. 350 bar ausgelegt ist.
  • Das Druckbehältersystem 1 weist zum Betanken zwei unterschiedliche Betankungskupplungen 15, 25 auf; nämlich eine erste Betankungskupplung 15 zum Betanken bzw. Wiederbefüllen mit kryogenem Wasserstoff (CcH2) und eine zweite Betankungskupplung 25 zum Betanken bzw. Wiederbefüllen mit warmem Wasserstoff (700-bar-Technologie; CGH2), d. h. Wasserstoff mit einer Temperatur von mind. –40°C. Somit kann das Druckbehältersystem 1 sowohl an einer Tankstelle mit der 700-bar-Technologie (CGH2) als auch an einer Tankstelle mit kryogenem Gas bzw. Wasserstoff betankt werden.
  • Die Leitung 18 von der ersten Betankungskupplung 15 zu dem ersten Druckbehälter 10 ist mit einer Isolation bzw. Isolierung 70 ausgestattet (z. B. Vakuumisolation). In der Leitung 18 ist ein erstes steuerbares Tankabsperrventil 19, das den Zufluss von Gas zu dem ersten Druckbehälter 10 zulassen oder sperren kann, angeordnet. Das Gas wird über eine weitere Leitung 80 zu einem Verbraucher 60 (z. B. einer Brennstoffzelle) geführt. In diesem Teil der Leitung 80 ist ein Wärmetauscher 40 (z. B. KWT oder EWT) angeordnet. Zudem ist in diesem Teil der Leitung 80 ein Druckregler 50 angeordnet. Der Wärmetauscher 40 erwärmt das kryogene Gas derart, dass es vom Verbraucher 60 verwendet werden kann.
  • Zudem ist der erste Druckbehälter 10 mit einem Abblaseventil 65 verbunden. Bei einem zu großen Druck des Gases im ersten Druckbehälter 10 (z. B. durch Erwärmung des Gases in dem ersten Druckbehälter 10 aufgrund Wärmeaustausches mit der Umgebung) wird Gas über das Abblaseventil 65 aus dem ersten Druckbehälter 10 abgeblasen. Auch der zweite Druckbehälter 30 kann Gas über das Abblaseventil 65 oder ein zweites Abblaseventil (nicht gezeigt) bei zu großem Druck des Gases abblasen, d. h. in die Umgebung austreten lassen. Zudem weist das Druckbehältersystem 1 ein Sicherheitsventil 67 auf. Über das Sicherheitsventil 67 strömt das Gas aus dem ersten Druckbehälter 10, wenn ein vorbestimmter Druckunterschied zum Umgebungsdruck überschritten wird.
  • Das Gas kann (z. B. bei zu hohem Druck im ersten Druckbehälter 10, sogenannter Blow-Off) aus dem ersten Druckbehälter 10 über die Verbindungsleitung 80 in den zweiten Druckbehälter 30 geführt werden. Hierbei kann das Gas durch den Wärmetauscher 40, der in der Verbindungsleitung 80 zwischen dem ersten Druckbehälter 10 und dem zweiten Druckbehälter 30 angeordnet ist, erwärmt werden. Hierdurch kann die maximale Standzeit eines Kraftfahrzeugs mit einem hier offenbarten Druckbehältersystem 1 erhöht werden, während der kein Gas an die Umgebung abgelassen wird.
  • Der zweite Druckbehälter 20 mit der zweiten Betankungskupplung 25 verbunden. Am Einlass/Auslass des zweiten Druckbehälters 20 ist ein zweites Tankabsperrventil 30 angeordnet. Dieses öffnet oder schließt, um Gas in den zweiten Druckbehälter 20 strömen zu lassen oder dies zu unterbinden. Der zweite Druckbehälter 20 ist für Drücke bis ca. 875 bar ausgelegt. Insbesondere ist der zweite Druckbehälter 20 für die sogenannte 700-bar-Wasserstoff-Technologie ausgelegt.
  • Der erste Druckbehälter 10 ist mit dem zweiten Druckbehälter 20 über eine Verbindungsleitung 80 verbunden. In der Verbindungsleitung 80, zwischen dem ersten Druckbehälter 10 und dem zweiten Druckbehälter 20, ist ein drittes Absperrventil 45 angeordnet und ein Druckbegrenzungsventil 47 angeordnet. Auf diese Weise kann Gas, das über die erste Betankungskupplung 15 eingeführt wird, über die Verbindungsleitung 80 in den zweiten Druckbehälter 20 geführt werden. Ebenso kann Gas, das über die zweite Betankungskupplung 25 eingeführt wird, über die Verbindungsleitung 80 in den ersten Druckbehälter 10 geführt werden. Das Ventil 47 begrenzt den Druck des Gases aus dem ersten Druckbehälter 10 auf den zulässigen Druck des zweiten Druckbehälters 20. Somit kann sowohl der erste Druckbehälter 10 als auch der zweite Druckbehälter 20 sowohl über die erste Betankungskupplung 15 (CcH2-Technologie) als auch über die zweite Betankungskupplung 25 (700-bar-CGH2-Technologie) betankt werden.
  • Das Gas kann durch die Verbindungsleitung 80 auch vom ersten Druckbehälter 10 in den zweiten Druckbehälter 20 bzw. umgekehrt strömen.
  • Das Gas kann aus bzw. von beiden Druckbehältern 10, 20 dem Verbraucher zugeführt werden.
  • Der erste Druckbehälter 10 kann eine relativ hohe Temperatur (durch Wärmeaustausch mit der Umgebung) erreicht haben. In einem warmen ersten Druckbehälter 10 lässt sich dann nur eine geringe Menge an Gas bzw. Wasserstoff speichern. Je kälter der erste kryogene Druckbehälter 10 ist, desto mehr kryogenes Gas lässt sich darin aufnehmen bzw. speichern.
  • Beim Betanken über die erste Betankungskupplung 15 mit kryogenem Gas kann nun das Gas zunächst in den ersten Druckbehälter 10 eingeführt werden und aus diesem wieder herausgeführt werden, d. h. das Gas wird durch den ersten Druckbehälter 10 geführt. Dies führt zu einer Abkühlung des ersten Druckbehälters 10 und zu einer Erwärmung des durchgeführten Gases. Anschließend wird das Gas ggf. im Wärmetauscher 40 erwärmt und anschließend dem zweiten Druckbehälter 20 zugeführt und darin gespeichert.
  • Auf diese Weise wird das durch Abkühlung des ersten Druckbehälters 10 erwärmte Gas nicht im ersten Druckbehälter 10 gespeichert, sondern nach Abkühlung des ersten Druckbehälters 10 wieder abgeführt. Dies geschieht solange, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters 10 einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat (z. B. 180 K) oder bis der zweite Druckbehälter 20 einen vorbestimmten Befüllungsgrad (z. B. 90%, 95% oder 99%) erreicht hat. Das Gas, das zum Abkühlen des ersten Druckbehälters 10 verwendet wird, wird nicht an die Umgebung abgelassen, sondern im zweiten Druckbehälter 20 gespeichert. Von hier kann das Gas (zu einem späteren Zeitpunkt) dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.
  • Das Gas kann für einige Zeit (z. B. 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 10 s, 30 s, 1 min) in dem ersten Druckbehälter 10 verbleiben, bevor es auf einer zweiten Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, wieder aus dem ersten Druckbehälter 10 geführt wird und zum zweiten Druckbehälter 20 geführt wird. Auch ist denkbar, dass das Gas in den ersten Druckbehälter 10 einströmt und unmittelbar danach wieder aus dem ersten Druckbehälter 10 ausströmt. Der erste Druckbehälter 10 hat eine Öffnung auf einer ersten Seite und eine zweite Öffnungen auf einer zweiten Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist. Hierdurch kann das Gas den ersten Druckbehälter 10 durchströmen und nur solange im ersten Druckbehälter 10 verbleiben, wie das Gas von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung benötigt. Auf der zweiten Seite des ersten Druckbehälters 10 ist ein viertes Absperrventil 31 zum Sperren der Leitung 80 angeordnet.
  • Das Gas kann durch den ersten Druckbehälter 10 geführt werden, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters 10 (nahezu) der Temperatur des kryogenen Gas, das durch die (erste oder zweite) Betankungskupplung 15, 25 eingeführt wird, entspricht bzw. gleich dieser ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann das kryogene Gas den ersten Druckbehälter 10 nicht mehr (wesentlich) abkühlen und das Gas erwärmt sich beim Einführen bzw. nach dem Einführen des Gases in den ersten Druckbehälter 10 nicht mehr (wesentlich). Anschließend, d. h. wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird das Gas in den ersten Druckbehälter 10 geführt und nicht (unmittelbar anschließend oder kurz danach) aus dem ersten Druckbehälter 10 in den zweiten Druckbehälter 20 geführt.
  • Auf diese Weise wird der erste Druckbehälter 10 besonders gut abgekühlt, ohne Gas durch Ablassen an die Umgebung zu verlieren. Folglich kann eine besonders große Menge an (kaltem) Gas in dem ersten Druckbehälter 10 gespeichert werden.
  • Das Druckbehältersystem 1 umfasst eine Temperaturmessvorrichtung (nicht gezeigt) zum Messen der Temperatur des ersten Druckbehälters 10. Hierdurch kann bestimmt werden, wie lange das Gas durch den ersten Druckbehälter 10 geführt, dem zweiten Druckbehälter 20 zugeführt und darin gespeichert wird.
  • Anschließend, d. h. wenn die Temperatur des ersten Druckbehälters 10 eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird das Gas, das durch die erste Betankungskupplung 15 zugeführt wird, dem ersten Druckbehälter 10 zugeführt und darin gespeichert.
  • Über die zweite Betankungskupplung 25 kann der zweite Druckbehälter 20 direkt befällt werden. Auch vorstellbar ist, dass das Gas aus dem zweiten Druckbehälter 20 (oder von der ersten Betankungskupplung 15) mittels des Wärmetauschers 40 abgekühlt wird und mittels des Druckbegrenzungsventils 47 im Druck abgesenkt wird und anschließend dem ersten Druckbehälter 10 zugeführt wird. Auf diese Weise kann Gas aus dem ersten Druckbehälter 10 in den zweiten Druckbehälter 20, und umgekehrt, geführt werden.
  • Das Gas zum Abkühlen des ersten Druckbehälters 10 kann auch aus dem zweiten Druckbehälter 20 (oder von der zweiten Betankungskupplung 25) stammen, mittels des Wärmetauschers 40 abgekühlt, durch den ersten Druckbehälter 10 geführt werden und anschließend wieder in den zweiten Druckbehälter 20 geführt werden.
  • Das Gas aus dem zweiten Druckbehälter 20 kann zur Druckerhöhung im ersten Druckbehälter 10 verwendet werden, wenn zur weiteren Entnahme des Restgases aus dem ersten Druckbehälter 10 nicht mehr genügend Druck im ersten Druckbehälter 10 zur Verfügung steht. Hierbei kann das Gas mittels des Wärmetauschers 40 zusätzlich erwärmt werden, so dass weniger Gas aus dem zweiten Druckbehälter 20 in den ersten Druckbehälter 10 zur Druckerhöhung des Gases in dem ersten Druckbehälter 10 benötigt wird.
  • In dem ersten Druckbehälter 10 sind ein Temperatursensor 110 und ein Drucksensor 120 angeordnet. Mittels des Temperatursensors 110 kann die Temperatur des Gases in dem ersten Druckbehälter 10 bzw. die Temperatur des ersten Druckbehälters 10 selbst (insbesondere die Temperatur des Liners) erfasst werden. Der Drucksensor 120 dient zum Erfassen des Drucks des Gases in dem ersten Druckbehälter 10.
  • In dem zweiten Druckbehälter 20 sind ebenfalls ein Temperatursensor 110' und ein Drucksensor 120' angeordnet. Mittels des Temperatursensors 110' kann die Temperatur des Gases in dem zweiten Druckbehälter 20 bzw. die Temperatur des zweiten Druckbehälters 20 selbst (bei einem kryogenen Druckbehälter insbesondere die Temperatur des Liners) erfasst werden. Der Drucksensor 120' dient zum Erfassen des Drucks des Gases in dem zweiten Druckbehälter 20.
  • Das Druckbehältersystem 1 umfasst eine Steuereinrichtung (nicht gezeigt). Die Steuereinrichtung ist mit den Temperatursensoren 110, 110', den Drucksensoren 120, 120', dem ersten Tankabsperrventil 19, dem zweiten Tankabsperrventil 30, dem dritten Absperrventil 45 und dem vierten Absperrventil 31 verbunden. Die Steuereinrichtung, die einen Computer bzw. Rechner umfassen kann, erfasst die Messwerte und steuert bzw. regelt auf Grundlage der erfassten Messwerte die genannten Ventile.
  • Das Gas kann auch zunächst in den ersten Druckbehälter 10 geführt werden bis ein vorbestimmter Befüllungsgrad des ersten Druckbehälters 10 erreicht wird. Anschließend wird der erste Druckbehälter 10 zumindest teilweise in den zweiten Druckbehälter 20 druckentlastet, d. h. Gas strömt vom ersten Druckbehälter 10 in den zweiten Druckbehälter 20. Dies kann während des Betankungsvorgangs des ersten Druckbehälters 10 stattfinden. Das Druckentlasten kann wiederholt werden, bis der erste Druckbehälter 10 einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems 10. Der erste Druckbehälter 10 umfasst einen oder mehrere Wärmetauscher 130, 130', 130''. Der bzw. die Wärmetauscher 130, 130', 130'' kann bzw. können insbesondere nicht-identisch mit einem Innentankwärmetauscher zur Erwärmung des kryogenen Druckbehälters 10 sein. Der bzw. die Wärmetauscher 130, 130', 130'' ist bzw. sind insbesondere nahe der Innenoberfläche des Innenbehälters 12 angeordnet, um eine gute Wärmeübertragung vom ersten Druckbehälter 10 auf das Gas in dem bzw. den Wärmetauschern 130, 130', 130'' zu erreichen. Das kryogene Gas wird durch den ersten Druckbehälter 10 geführt (bevor dem zweiten warmen Druckbehälter 20 zugeführt wird), jedoch durch ein eigenes Leitungssystem 140 (innerhalb des ersten Druckbehälters 10 bzw. innerhalb des Innenbehälters 12 des ersten Druckbehälters 10) mit einem oder mehreren Wärmetauschern 130, 130', 130'', und nicht durch das Volumen, in dem das kryogene Gas in dem ersten Druckbehälter 10 gespeichert wird. Hierbei existieren zwei unterschiedliche Eingänge in den ersten Druckbehälter 10: ein erster Eingang 165 (Eingang, der gleichzeitig Ausgang ist) zum Speichern des Gases in dem ersten Druckbehälter 10 und ein zweiter Eingang 160 zum Durchströmen des oder der Wärmetauscher 130, 130', 130'' des ersten Druckbehälters 10 mit dem Gas.
  • Das Gas gelangt von der ersten Betankungskupplung 15 zu einem Umschaltventil 125. Je nach Stellung des Umschaltventils 125 gelangt das Gas zu dem zweiten Eingang 160 und somit in das Leitungssystem 140, wobei das Gas den bzw. die Wärmetauscher 130, 130', 130'' durchströmt und anschließend über ein viertes Sperrventil 155 in den zweiten warmen Druckbehälter 20 gelangt. In der anderen Stellung des Umschaltventils 125 strömt das Gas durch den ersten Eingang 165 in den ersten Druckbehälter 10 und wird darin gespeichert. Durch den ersten Eingang 165, der gleichzeitig ein Ausgang ist, strömt das Gas wieder aus dem ersten Druckbehälter 10. Wenn das dritte Tankabsperrventil 145 geöffnet ist, gelangt das Gas zu dem Verbraucher 60.
  • Das Umschaltventil 125 wird umgeschaltet, wenn der erste Druckbehälter 10 die vorgegebene Temperatur erreicht bzw. unterschritten hat. Anschließend wird das Gas durch den ersten Eingang 165 in den ersten Druckbehälter 10 geführt, wo es gespeichert wird. Vorstellbar ist auch dass das Umschaltventil 125 umgeschaltet wird, wenn der zweite Druckbehälter 20 einen vorgegebenen Befüllungsgrad erreicht hat.
  • Die Stellung eines fünften Tankabsperrventils 150 bestimmt, ob das Gas aus dem zweiten Druckbehälter 20 zu dem Verbraucher 60 strömen kann. Ein Sperrventil 155 befindet sich in der Leitung zwischen dem Leitungssystem 140 und dem zweiten Druckbehälter 20.
  • Vorstellbar ist jedoch auch, dass das Gas durch das Volumen, in dem das kryogene Gas später in dem ersten Druckbehälter 10 gespeichert wird, geführt wird. Hierbei existiert, wie in 1 gezeigt, nur ein Eingang für das Gas in den ersten Druckbehälter und kein eigenes Leitungssystem innerhalb des ersten Druckbehälters 10.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehältersystem
    10
    erster Druckbehälter
    11
    Außenbehälter
    12
    Innenbehälter
    13
    evakuierter Raum
    15
    erste Betankungskupplung
    18
    Leitung von erster Betankungskupplung zum ersten Druckbehälter
    19
    erstes Tankabsperrventil
    20
    zweiter Druckbehälter
    25
    zweite Betankungskupplung
    28
    Leitung von zweiter Betankungskupplung zum zweiten Druckbehälter
    30
    zweites Tankabsperrventil
    31
    viertes Absperrventil
    40
    Wärmetauscher
    45
    drittes Absperrventil
    47
    Druckbegrenzungsventil
    50
    Druckregler
    60
    Verbraucher
    65
    Abblaseventil
    67
    Sicherheitsventil
    70
    Isolierung
    80
    Verbindungsleitung zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter
    110, 110'
    Temperatursensor
    120, 120'
    Drucksensor
    125
    Umschaltventil
    130, 130', 130''
    Wärmetauscher
    140
    Leitungssystem
    145
    viertes Tankabsperrventil
    150
    fünftes Tankabsperrventil
    155
    Sperrventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1546601 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters (10), wobei der erste kryogene Druckbehälter (10) zum Speichern von kryogenem Gas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Gas zuerst durch den ersten Druckbehälter (10) zum Abkühlen des ersten Druckbehälters (10) geführt wird und anschließend einem zweiten Druckbehälter (20) zum Speichern des Gases zugeführt wird, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters (10) einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat oder bis der zweite Druckbehälter (20) einen vorgegebenen Befüllungsgrad an Gas erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur die Temperatur des Gases ist, bevor das Gas in den ersten Druckbehälter (10) eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Gas nach dem Durchströmen des ersten Druckbehälters (10) erwärmt wird, bevor das Gas dem zweiten Druckbehälter (20) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gas kryogenes Gas ist, bevor das Gas durch den ersten Druckbehälter (10) geführt wird.
  5. Verfahren zum Abkühlen eines ersten kryogenen Druckbehälters (10), wobei der erste kryogene Druckbehälter (10) zum Speichern von kryogenem Gas ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kühlen des ersten kryogenen Druckbehälters (10) Gas zunächst in den ersten kryogenen Druckbehälter (10) geführt wird, bis der erste kryogene Druckbehälter (10) zu einem vorgegebenen Befüllungsgrad mit Gas gefüllt ist, und anschließend der erste kryogene Druckbehälter (10) zumindest teilweise in den zweiten Druckbehälter (20) druckentlastet wird.
  6. Druckbehältersystem (1) umfassend einen ersten kryogenen Druckbehälter (10) zum Speichern von kryogenem Gas, und einen zweiten Druckbehälter (20) zum Speichern von Gas, wobei das Druckbehältersystem (1) derart ausgebildet ist, dass zum Kühlen des ersten Druckbehälters (10) Gas zunächst durch den ersten Druckbehälter (10) geführt wird und anschließend dem zweiten Druckbehälter (20) zugeführt wird, bis die Temperatur des ersten Druckbehälters (10) einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht hat oder bis der zweite Druckbehälter (20) einen vorgegebenen Befüllungsgrad an Gas erreicht hat.
  7. Druckbehältersystem (1) nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Temperaturmessvorrichtung zum Messen der Temperatur des ersten Druckbehälters (10).
  8. Druckbehältersystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die vorgegebene Temperatur die Temperatur des Gases ist, bevor das Gas in den ersten Druckbehälter (10) eingeführt wird.
  9. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 6–8, ferner umfassend einen Wärmetauscher (40), die zwischen dem ersten Druckbehälter (10) und dem zweiten Druckbehälter (20) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Wärmetauscher (40) das Gas auf dem Weg vom ersten Druckbehälter (10) zum zweiten Druckbehälter (20) oder auf dem Weg vom zweiten Druckbehälter (20) zum ersten Druckbehälter (10) erwärmt.
  10. Druckbehältersystem (1) nach einem der Ansprüche 6–9, wobei der zweite Druckbehälter (20) zum Speichern von Gas bei einem Druck bis zu 875 bar ausgebildet ist.
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