DE102017204746A1

DE102017204746A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen eines komprimierten Gases

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Publication number: DE102017204746A1
Application number: DE102017204746.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: DE102017204746B4

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Bereitstellen eines komprimierten Gases (H) umfasst zumindest einen ersten Behälter (11), in dem ein auszugebendes Gas (H) mit einem ersten Druck gespeichert ist, und vorzugsweise zumindest einen zweiten Behälter (21, 31), in dem das auszugebende Gas (H) mit einem zweiten, höheren Druck gespeichert ist. Die Vorrichtung umfasst ein Hydrauliksystem, um beim Ausgeben des Gases (H) ein Fluid (F) in den entsprechenden Behälter (11, 21, 31) hineinzupumpen, so dass ein Druckabfall in dem jeweiligen Behälter (11, 21, 31) verhindert wird beziehungsweise der Druck in dem jeweiligen Behälter konstant gehalten wird. Dabei kommt das Fluid in direkten Kontakt mit dem Gas (H). Insbesondere findet die Erfindung in einer Wasserstofftankstelle zum Betanken eines Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff Anwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines komprimierten Gases sowie ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines komprimierten Gases. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere in einer Anordnung zum Befüllen eines Tanks mit einem komprimierten Gas, insbesondere eines Fahrzeugtanks mit einem gasförmigen Treibstoff, vorzugsweise in einer Wasserstofftankstelle zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit gasförmigem Wasserstoff eingesetzt werden.
Neben konventionellen Verbrennungsmotoren als Antrieb für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, gewinnen alternative Antriebe an Bedeutung. Dazu zählen beispielsweise Brennstoffzellenantriebe. Diese benötigen zu ihrem Betrieb Wasserstoff (H₂), welcher entweder in flüssiger Form („liquid“ LH₂, üblicherweise bei ca. -253°C)) oder in komprimiert gasförmiger Form (GH₂) bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der Wasserstoff in einem Fahrzeug in einem Kryotank in flüssiger Form gespeichert werden. Aufgrund von Nachteilen der flüssigen Speicherung, insbesondere des permanenten Verlusts durch Ausgasung, wird jedoch vermehrt eine Speicherung des Wasserstoffs in gasförmiger Form in einem Fahrzeugtank bevorzugt, insbesondere bevorzugt bei einem (Mindest-) Druck von 70 MPa (700 bar) oder bei 35 MPa.
Zur Betankung von derartigen Fahrzeugen werden Wasserstofftankstellen bereitgestellt, die wie herkömmliche Tankstellen eine Betankungseinrichtung mit einem Füllstutzen zum Koppeln an den Fahrzeugtank aufweisen und eine Betankung des Fahrzeugtanks in wenigen Minuten ermöglichen. Üblicherweise wird die Wasserstofftankstelle mit Wasserstoff in flüssiger Form beliefert. Zum Betanken eines Fahrzeugs wird der Wasserstoff verdampft, komprimiert und in Hochdrucktanks gespeichert. Da der Druck in den Hochdrucktanks beim Befüllen des Fahrzeugtanks abfällt, ist ein Kompressor notwendig, der den Wasserstoff komprimiert. Der Kompressor muss dabei umso mehr Arbeit leisten, je stärker der Druck in den Hochdrucktanks beim Tankvorgang abfällt. Der komprimierte Wasserstoff wird dann heruntergekühlt, beispielsweise auf ungefähr -40°C, und dann dem Fahrzeugtank zugeführt.
Nachteilig sind bei dieser Lösung insbesondere die hohen Installations-, Betriebs- und Wartungskosten eines Kompressors. Außerdem ist der Betrieb eines Kompressors wartungsintensiv und kann anfällig für Störungen sein, die zur Unterbrechung des Betriebs der Wasserstofftankstelle führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines komprimierten Gases bereitzustellen, die einfach, kostengünstig, und zuverlässig ist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines komprimierten Gases bereitgestellt werden. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung um zumindest einen Teil einer Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem komprimierten Gas, insbesondere eines Fahrzeugtanks mit einem gasförmigen Treibstoff, handeln.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines komprimierten Gases zumindest einen ersten Behälter, welcher mit einem auszugebenden Gas mit einem ersten Druck befüllt ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Hydrauliksystem mit einem Fluid, das eingerichtet ist, einen Druckabfall in dem ersten Behälter unter den ersten Druck zu verhindern. Dies erfolgt durch Pumpen des Fluids in den ersten Behälter hinein, wobei das Fluid in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas in dem ersten Behälter kommt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung des Weiteren zumindest einen zweiten Behälter, welcher mit dem auszugebenden Gas mit einem zweiten Druck befüllt ist, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck. Insbesondere ist die Vorrichtung eingerichtet, zuerst das Gas aus dem ersten Behälter und danach das Gas aus dem zweiten Behälter in den zu befüllenden Tank auszugeben. Außerdem ist das Hydrauliksystem weiter eingerichtet, auf die gleiche Weise wie im ersten Behälter einen Druckabfall in dem zweiten Behälter unter den zweiten Druck zu verhindern, d.h. das Fluid wird in den Behälter hineingepumpt, so dass es in direkten Kontakt mit dem Gas kommt.
Ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines komprimierten Gases umfasst das Ausgeben des Gases aus dem ersten Behälter, welcher mit dem auszugebenden Gas mit dem ersten Druck befüllt ist, wobei ein Druckabfall in dem ersten Behälter unter den ersten Druck verhindert wird, indem ein Fluid in den ersten Behälter gepumpt wird, so dass es in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas in dem ersten Behälter kommt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter das Ausgeben des Gases aus einem zweiten Behälter, welcher mit dem auszugebenden Gas mit einem zweiten Druck befüllt ist, der höher ist als der erste Druck, wobei ein Druckabfall in dem zweiten Behälter unter den zweiten Druck verhindert wird, indem ein Fluid in den zweiten Behälter gepumpt wird, so dass es in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas in dem zweiten Behälter kommt. Insbesondere wird das Gas aus dem zweiten Behälter ausgegeben, nachdem das Gas aus dem ersten Behälter ausgegeben wurde.
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um zumindest einen Teil einer Anordnung zum Befüllen eines Tanks mit einem komprimierten Gas handeln. Insbesondere kann es sich dabei um eine Vorrichtung zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit einem gasförmigen Treibstoff, vorzugsweise eine Wasserstofftankstelle zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit gasförmigem Wasserstoff handeln. Anders ausgedrückt kann die Vorrichtung vorteilhaft in einer Anordnung zum Befüllen eines Tanks mit einem komprimierten Gas, wie einer Wasserstofftankstelle, verwendet werden. Eine Vorrichtung zum Befüllen eines Tanks mit einem komprimierten Gas, wie eine Wasserstofftankstelle, kann des Weiteren insbesondere eine Betankungseinrichtung zum Ausliefern des komprimierten Gases an den zu befüllenden Tank umfassen.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung beziehungsweise ein entsprechendes Verfahren zum einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen Betanken eines Fahrzeugtanks mit einem komprimiert gasförmigen Treibstoff zur Verfügung. Durch Vermeidung des Druckabfalls in den Behältern, in denen das Gas gespeichert ist, wird das auszugebende Gas zu jedem Zeitpunkt mit einem ausreichend hohen Druck in den Behältern bereitgehalten, um beispielsweise einen Fahrzeugtank zu befüllen.
Da das Vermeiden des Druckabfalls auf einfache Weise durch Pumpen des Fluids in den entsprechenden Behälter erfolgt, ist die Vorrichtung weniger anfällig für Störungen und weniger wartungsintensiv als beispielsweise eine Vorrichtung mit einer mechanischen Zylinder-Kolben-Anordnung. Ein direkter Kontakt des Fluids mit dem auszugebenden Gas bedeutet dabei, dass das Fluid direkt in den Behälter gepumpt wird, ohne dass es von dem auszugebenden Gas beispielsweise durch einen Kolben getrennt ist. Durch diesen Aufbau werden zusätzliche bewegliche Teile, wie ein Kolben, vermieden, welcher beispielsweise aufgrund der notwendigen Abdichtung Wartung erfordert und Verschleiß unterliegt. Zudem kann durch den direkten Kontakt des Fluids mit dem Gas eventuell entstehende Wärme über das Fluid effektiv abgeführt werden.
Wie eben beschrieben erfolgt das Verhindern des Druckabfalls oder gegebenenfalls das Konstanthalten des Drucks in dem Behälter oder den Behältern der Vorrichtung mittels eines Fluids, welches in den jeweiligen Behälter hineingepumpt wird. Vorteilhaft wird das Fluid dabei in den jeweiligen Behälter in entsprechendem Maße hineingepumpt wird, wie das Gas aus dem jeweiligen Behälter ausgeben wird, um den Druck in dem jeweiligen Behälter konstant zu halten oder den Druckabfall zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Druck in dem jeweiligen Behälter im Wesentlichen konstant gehalten, d.h. es erfolgt keine Verdichtung des Gases durch Hineinpumpen des Fluids in den jeweiligen Behälter. In diesem Fall kommt die Vorrichtung ohne Kompressor aus.
Insbesondere kann das Hydrauliksystem dazu zumindest einen Speicher für das Fluid umfassen. Es versteht sich, dass das Hydrauliksystem des Weiteren entsprechende Pumpen, Leitungen und Ventile aufweisen kann, die ein Zuführen des Fluids zu dem entsprechenden Behälter erlauben. Die Komponenten des Hydrauliksystems, wie zum Beispiel die Hydraulikpumpen, sind wesentlich billiger und einfacher im Aufbau als ein Kompressor. Zudem ist der Betrieb eines Systems ohne Kompressor zuverlässiger als der Betrieb eines Systems mit Kompressor.
Nachdem das Gas aus einem der Behälter im Wesentlichen vollständig ausgegeben worden ist oder das Volumen des Gases ein vorgegebenes Minimalvolumen unterschreitet, kann das Fluid, welches nun im Wesentlichen das gesamte Volumen des Behälters einnimmt, aus dem entsprechenden Behälter zur Wiederverwendung zurück in den Speicher oder gegebenenfalls weiter in den nachfolgenden Behälter gepumpt werden. Dazu können Ventile an den Behältern entsprechend eingerichtet sein, umzuschalten, wenn der Behälter leer ist beziehungsweise mit Fluid gefüllt ist. Es kann ein automatisches Umschalten der Ventile erfolgen, beispielsweise ausgelöst durch eine Volumen-, Gewichts- oder Füllstandsmessung des Fluids oder des Gases, entweder von innerhalb oder außerhalb des Behälters, beispielsweise mittels eines geeigneten Sensors, der das Gas oder das Fluid detektiert.
Vorzugsweise ist das Fluid ein ionisches Fluid. Ein ionisches Fluid hat den Vorteil, dass es mit dem gasförmigen Treibstoff nicht reagiert. Ionisches Fluid, das sich mit dem gasförmigen Treibstoff vermischt hat, kann einfach mittels eines Abscheiders vor dem Ausgeben in den Fahrzeugtank abgeschieden werden und zurück in den Hydraulikkreislauf gegeben werden. Statt eines ionischen Fluids kann gleichermaßen ein Fluid verwendet werden, welches eine geringe Gaslöslichkeit aufweist, d.h. ein Fluid das sich nicht oder schlecht in dem auszugebenden Gas löst, um zu gewährleisten, dass das auszugebende Gas im Wesentlichen frei von dem Fluid ist und eine hohe Reinheit aufweist. Allgemein und unabhängig von der Art des Fluids ist es vorteilhaft, wenn ein Abscheider vorgesehen ist, der mit dem auszugebenden Gas vermischtes Fluid abscheidet, bevor das Gas an ein Fahrzeug ausgegeben wird. Das Fluid kann dann wieder in den Hydraulikkreislauf zurückgeführt werden. Ein Abscheider ist insbesondere deshalb von Vorteil, da das Fluid in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas kommt, wodurch sich ein Teil des Fluids mit dem Gas vermischen kann.
Unter Vermeidung des Druckabfalls wird entweder ein Konstanthalten des Drucks oder eine Erhöhung des Drucks, d.h. ein Verdichten des Gases, verstanden. Wie bereits erwähnt, ist das Hydrauliksystem vorteilhafterweise eingerichtet, den Druck in dem ersten und gegebenenfalls zweiten Behälter im Wesentlichen konstant zu halten. Alternativ kann der Behälter beziehungsweise können die Behälter mit einem mittleren Druck, beispielsweise 40 MPa bis 60 MPa, vorzugweise 50 MPa, bereitgestellt werden. Dabei kann der Druck insbesondere vor oder gegebenenfalls während des Ausgebens erhöht werden, beispielsweise auf 70 MPa bis 100 MPa, vorzugsweise ungefähr 80 MPa. Vorzugsweise wird der Druck während des Ausgeben des Gases aus einem Behälter in dem entsprechenden Behälter jedoch auch in diesem Fall konstant gehalten.
Vorzugsweise ist der höchste Druck in den Behältern, beispielsweise der zweite Druck in dem zweiten Behälter, größer oder gleich einem in einem zu befüllenden Tank zu erreichenden Zieldruck. Wie eingangs erläutert, wird ein Druck von mindestens 70 MPa in dem Fahrzeugtank bevorzugt. Der zweite Druck beträgt daher vorzugsweise 70 MPa oder mehr, insbesondere bis zu 100 MPa, beispielsweise ungefähr 80 MPa.
Falls mehrere Behälter vorgesehen sind, ist die Reihenfolge der Behälter, aus denen das Gas ausgegeben wird, vorteilhafterweise vorgegeben. Insbesondere wird zuerst Gas aus einem Behälter mit einem niedrigeren Druck, danach Gas aus einem Behälter mit einem höheren Druck ausgegeben. Auf diese Weise lässt sich ein Fahrzeugtank nacheinander aus Behältern mit ansteigendem Druck betanken. In dem zunächst leeren oder zumindest nur teilweise gefüllten Fahrzeugtank herrscht ein niedriger Druck, so dass das Betanken mit einem niedrigen Druck begonnen werden kann. Sobald ein Druckausgleich zwischen dem Fahrzeugtank und dem entsprechenden Behälter erfolgt, wird auf den Behälter mit dem nächsthöheren Druckniveau umgeschaltet.
Durch diese kaskadenartige Speicherung des auszugebenden Gases, d.h. die Speicherung des Gases in Behältern mit unterschiedlichen Drücken und das sequentielle Ausgeben des Gases mit ansteigendem Druck, kann Energie gespart werden, da das Bereitstellen eines hohen Drucks prinzipiell viel Energie erfordert. Ein hoher Druck in den Behältern ist jedoch zu Beginn eines Ausgabevorgangs (am Beispiel einer Fahrzeugbetankung, wenn in dem Fahrzeugtank ein niedriger Druck herrscht) nicht notwendig, sondern erst mit zunehmender Füllung des Fahrzeugtanks. Zudem können Kosten gespart werden, da Behälter für niedrigeren Druck günstiger sind als Hochdruckbehälter.
Es versteht sich, dass das Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugs nicht mit dem Behälter mit dem niedrigsten Druckniveau begonnen werden muss. Insbesondere falls der Fahrzeugtank noch teilweise gefüllt ist und entsprechender Druck in dem Fahrzeugtank vorliegt, wird das Betanken mit demjenigen Behälter begonnen, in welchem im Vergleich zu den anderen Behältern der kleinste Druck herrscht, der größer ist als der Druck in dem zu befüllenden Tank. Dazu wird der in dem Fahrzeugtank herrschende Druck beispielsweise mittels eines Teststoßes zum Beginn des Tankvorgangs ermittelt, so dass der entsprechende Behälter bestimmt werden kann, mit dem der Tankvorgang begonnen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zumindest einen dritten Behälter, welcher mit dem auszugebenden Gas mit einem dritten Druck befüllt ist. Das heißt, vorzugsweise wird das auszugebende Gas mit drei unterschiedlichen Druckniveaus bereitgehalten und der Reihe nach mit ansteigendem Druck ausgegeben. Auch im dritten Behälter wird vorteilhaft, wie im Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Behälter bereits erläutert, ein Druckabfall durch Pumpen des Fluids in den dritten Behälter vermieden. Es versteht sich, dass auch mehr als drei Behälter, beispielsweise vier oder fünf Behälter, vorgesehen sein können, wobei die Behälter entsprechend mit einem unterschiedlichen Druck befüllt sind, der von dem ersten bis zum letzten Behälter ansteigt und beim Ausgeben des Gases aus dem entsprechenden Behälter wie oben erläutert konstant gehalten wird oder ein Druckabfall vermieden wird.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind lediglich schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

1 zeigt schematisch den Aufbau einer Wasserstofftankstelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a und 2b zeigen Beispiele von Behälteranordnungen einer Wasserstofftankstelle.
3 zeigt ein Diagramm der Behälter einer Wasserstofftankstelle.

Bezugnehmend auf 1 wird eine Vorrichtung 1 zum Befüllen eines Fahrzeugtanks 101 eines Fahrzeugs 100 mit gasförmigem Treibstoff am Beispiel einer Wasserstofftankstelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Unter dem Begriff Fahrzeug ist jedes Fahrzeug zu verstehen, welches mittels eines Antriebs mit gasförmigem Treibstoff angetrieben werden kann, insbesondere Kraftfahrzeuge, wie Pkw, Busse oder Lkw, aber auch andere Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Schiffe usw. Bei dem gasförmigen Treibstoff handelt es sich vorzugsweise um gasförmigen Wasserstoff. Daher bezieht sich die folgende Beschreibung auf das Betanken eines Fahrzeugs mit gasförmigem Wasserstoff. Bei einem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Brennstoffzellenfahrzeug. Gegebenenfalls kann die Vorrichtung 1 auch zur Bereitstellung anderer komprimierter Gase dienen, wie beispielsweise anderer gasförmiger Treibstoffe, wie Erdgas (CNG, „Compressed Natural Gas“), oder anderer Industriegase, wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium usw.
Eine Wasserstofftankstelle umfasst eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere einen oder mehrere Behälter 11, 21, 31, welche mit komprimiert gasförmigem Wasserstoff gefüllt sind, wie im Folgenden mit Bezug auf 3 detaillierter erläutert wird. Insbesondere kann die Vorrichtung 1 eine Versorgung (z.B. einen Vor- beziehungsweise Liefertank), einen Kompressor und Hochdrucktanks einer gewöhnlichen Wasserstofftankstelle ersetzen. Des Weiteren umfasst die Wasserstofftankstelle eine Station 50 mit einer Kühleinheit 51, um den Wasserstoff beim Betanken eines Fahrzeugs bis auf -40°C abzukühlen, und eine Betankungseinrichtung 52, welche üblicherweise einen Füllstutzen oder eine Zapfkupplung zum Koppeln an den Fahrzeugtank 101 sowie ein Mess- und Bezahlsystem und eine Bedieneinheit umfasst. Diese Komponenten sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Üblicherweise bilden die Kühleinheit 51 und die Betankungseinrichtung 52 den stationären Teil einer Wasserstofftankstelle, während die Behälter 11, 21, 31 mobil sind. Insbesondere werden die Behälter 11, 21, 31 vorteilhafterweise in einer zentralen Stelle befüllt und leere Behälter werden an der Wasserstofftankstelle gegen volle Behälter ausgetauscht. Es ist jedoch auch möglich, die Behälter vor Ort aufzufüllen.
2a und 2b zeigen verschiedene Beispiele von Tank- beziehungsweise Behälteranordnungen für eine Wasserstofftankstelle. Wie in 2a dargestellt ist, können die Behälter auf einem Lkw-Auflieger 2 angeordnet sein. Die Behälter 11, 21, 31 können dabei in verschiedene Einheiten, Gruppen oder Sektionen aufgeteilt sein, die Wasserstoff unterschiedlichen Drucks beinhalten. Eine Einheit von Behältern kann dabei einen oder mehrere Behälter umfassen.
Alternativ, wie in 2b dargestellt, können die Behälter 11 in kleineren Einheiten, beispielsweise in Containern 3, gebündelt sein. Auf diese Weise wird die Skalierbarkeit verbessert, da so auch kleinere Wasserstofftankstellen bereitgestellt werden können, beispielsweise wenn der Platz am Aufstellort begrenzt ist oder der Bedarf und die Auslastung der Wasserstofftankstelle geringer ist. Dies ist insbesondere in der Anfangsphase der Verbreitung von Wasserstofftankstellen und entsprechenden Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb von Vorteil. Wie die Behälter auf einem Lkw-Auflieger können die Behälter eines Bündels in Einheiten unterschiedlichen Drucks unterteilt sein. Alternativ können alle Behälter eines Bündels mit Wasserstoff mit dem gleichen Druck gefüllt sein und gegebenenfalls zwei oder mehr Bündel von Behältern mit jeweils unterschiedlichen Druckniveaus bereitgestellt werden.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich sowohl auf die in 2a als auch die in 2b gezeigten beispielhaften Anordnungen von Behältern. Es versteht sich, dass im Umfang der Erfindung auch andere Anordnungen, Größen und Anzahlen von Behältern verwendet werden können. Beispielsweise können auch Behälter unterschiedlicher Größe verwendet werden. Vorteilhaft sind Behälter einer Einheit benachbart zueinander angeordnet und die Einheiten nach aufsteigenden Druck sortiert angeordnet. Dies vereinfacht die Ansteuerung und den Leitungsverlauf. Die Behälter müssen jedoch nicht entsprechend des Fülldrucks sortiert sein, solange das Ansteuern des gewünschten Behälters gewährleistet ist.
In 3 ist ein Diagramm der Behälter 11, 21, 31 einer Wasserstofftankstelle gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Einheiten 10, 20, 30 von Behältern mit beispielhaft jeweils drei Behältern 11, 21, 31 dargestellt. Es versteht sich, dass eine Wasserstofftankstelle statt der drei dargestellten Behälter 11, 21, 31 pro Einheit nur einen oder zwei Behälter oder mehr als drei Behälter aufweisen kann, welche jeweils mit dem gleichen Druck befüllt sind. Ebenso kann die Vorrichtung nur eine Einheit von Behältern, zwei Einheiten von Behältern oder mehr als drei Einheiten, beispielsweise vier oder fünf Einheiten aufweisen.
Vorzugsweise werden Behälter mit drei Druckniveaus, d.h. drei Einheiten 10, 20, 30 von Behältern bereitgestellt. Dabei steigt der Druck von Einheit zu Einheit an, beginnend bei einem niedrigen Druck der ersten Einheit 10 von Behältern 11 (beispielsweise 25 bis 50 MPa), über einen mittleren Druck der zweiten Einheit 20 von Behältern 21 (beispielsweise 40 bis 70 MPa) bis der Druck in der dritten und letzten Einheit 30 von Behältern 31 mindestens dem zu erreichenden Ziel druck in dem Fahrzeugtank 101 entspricht (beispielsweise 70 bis 90 MPa). Der zu erreichende Zieldruck in dem Fahrzeugtank 101 ist vorzugsweise mindestens 70 MPa. Diese Werte sind lediglich beispielhaft und variieren je nach Anwendung. Beispielsweise kann der zu erreichende Zieldruck auch nur etwa 35 MPa betragen und der Druck in den Behältern 11, 21, 31 entsprechend geringer sein.
Bei einem Betankungsvorgang wird Wasserstoff H zunächst aus einem Behälter 11 der ersten Einheit 10 ausgegeben, bis der Druck zwischen dem Behälter 11 der ersten Einheit 10 und dem Fahrzeugtank 101 ausgeglichen ist. Im weiteren Verlauf des Tankvorgangs wird der Fahrzeugtank 101 dann bis zu dem Druck der zweiten Einheit 20 von Behältern 21 und schließlich bis zum Zieldruck mittels der dritten Einheit 30 von Behältern 31 befüllt. Es kann zunächst ein Teststoß erfolgen, um Dichtheit des Systems und Tankparameter, wie den Füllstand beziehungsweise Fülldruck in dem Fahrzeugtank 101, zu ermitteln und dann den Tankvorgang gegebenenfalls mit einem Behälter der zweiten Einheit 20 oder dritten Einheit 30 zu beginnen. Diese kaskadenartige Anordnung der Behälter 11, 21, 31 mit unterschiedlichen Druckniveaus kann wie bereits erläutert zur Energieersparnis beitragen. Stattdessen kann die Vorrichtung 1 jedoch nur einen Behälter oder eine Einheit von Behältern mit einem Druck, der größer oder gleich dem in dem Fahrzeugtank zu erreichenden Zieldruck ist, aufweisen.
Bei Ausgeben des Wasserstoffs H aus einem der Behälter 11, 21, 31 wird das Volumen des Behälters in entsprechendem Maße mit einem Fluid F aufgefüllt wie der Wasserstoff H ausgegeben wird, um den Druck in dem jeweiligen Behälter konstant zu halten oder um einen Druckabfall zu vermeiden. Dies wird durch Pumpen des Fluids F in den jeweiligen Behälter 11, 21, 31 mittels einer Hydraulikpumpe 41 erreicht, insbesondere aus einem Speicher 40. Das Fluid F wird dabei direkt in den jeweiligen Behälter 11, 21, 31 gepumpt, so dass es in Kontakt mit dem Wasserstoff H kommt, d.h. ohne Trennung zwischen dem Wasserstoff H und dem Fluid F. Jeder Behälter 11, 21, 31 wird dabei unabhängig von den anderen Behältern 11, 21, 31 gesteuert.
Nachdem der Wasserstoff H aus einem Behälter vollständig ausgegeben wurde und der Behälter dementsprechend im Wesentlichen vollständig mit dem Fluid F gefüllt ist, wird der Tankvorgang mit dem nächsten Behälter fortgesetzt, entweder noch mit einem Behälter des gleichen Druckniveaus oder mit einem Behälter des nächsthöheren Druckniveaus. Das Fluid F wird aus einem Behälter 11, 21, 31 zurück in den Speicher oder weiter in den nächsten Behälter gepumpt, aus dem der Wasserstoff H ausgegeben wird. Dies wird fortgesetzt, bis der Wasserstoff H aus allen Behältern 11, 21, 31 entnommen wurde. Das Fluid F, welches mit Wasserstoff H gesättigt ist, verbleibt in den Behältern 11, 21, 31, so dass keine Emission von Wasserstoff H in die Atmosphäre stattfindet. Bei dem Fluid F kann es sich insbesondere um ein ionisches Fluid oder ein beliebiges Fluid mit geringer Gaslöslichkeit handeln.
Bevor der Wasserstoff H an die Station 50, insbesondere die Betankungseinrichtung 52 zum Betanken des Fahrzeugtanks 101 geschickt wird, wird eventuell mit dem Wasserstoff H vermischtes Fluid F mittels eines Abscheiders 44 aus dem Wasserstoff H entfernt und zurück in den Speicher 40 geführt. Das Fluid F und der Wasserstoff H können sich vermischen, da das Fluid F in den Behältern 11, 21, 31 in direkten Kontakt mit dem Wasserstoff H kommt. Der Wasserstoff H wird dann heruntergekühlt und dann über einen Füllstutzen in den Fahrzeugtank gefüllt. Der Tankvorgang wird vorteilhaft gemäß den Anforderungen der Norm SAE J2601 durchgeführt.
Die Behälter 11, 21, 31 können beispielsweise über 3/3-Wegeventile 42 mit der Leitung des Hydrauliksystems verbunden sein, um die jeweilige Hydraulikleitung an den Behältern 11, 21, 31 abzusperren, ein Zuführen des ionischen Fluids F zu den Behältern 11, 21, 31 und ein Zurückführen des Fluids F in den Speicher 40 zu erlauben. Wie erwähnt kann gegebenenfalls auch vorgesehen sein, das Fluids F von einem Behälter (mittels der Pumpe 41) zu einem nachfolgenden Behälter zu leiten. Des Weiteren sind einfache Sperrventile 43 vorgesehen, um das Ausgeben des Wasserstoffs H aus einem Behälter 11, 21, 31 zu starten beziehungsweise zu stoppen oder zu unterbrechen. Die Ventile 42, 43 für das Fluid F beziehungsweise für den Wasserstoff H können wie in 3 angedeutet auf gegenüberliegenden Seiten der Behälter 11, 21, 31 angeordnet sein. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Ventile und andere Ventilanordnungen bereitgestellt werden können, die ein entsprechend gewünschtes Ansteuern der einzelnen Behälter, d.h. Zu- und Abführen des Fluids F einerseits sowie Entnahme von Wasserstoff H andererseits, erlauben. Es können auch zwei oder mehr Behälter miteinander verbunden sein und durch ein gemeinsames Ventil gesteuert werden. Dadurch können Kosten für die Ventile gespart werden. Allerdings wird dann mehr Fluid benötigt, da dann mehrere Behälter gleichzeitig gefüllt sind.
Falls die Behälter 11, 21, 31 wie in 2a dargestellt auf einem Lkw-Auflieger 2 angeordnet sind, ist es vorteilhaft, wenn auch die Hydraulikpumpe 41 und der Speicher 40 für das ionische Fluid F auf dem Auflieger 2 angeordnet sind. Dann muss der Auflieger 2 an der Station 50 lediglich mit Elektrizität verbunden und die Wasserstoffleitung angeschlossen werden. Falls sich die Hydraulikpumpe 41 und der Speicher 40 für das Fluid F in der Station befinden, muss zusätzlich die Hydraulik angeschlossen werden. Bei der Verwendung elektrischer Komponenten, insbesondere bei der Hydraulikpumpe 41 und den Ventilen 42, 43, ist auf eine explosionssichere Ausstattung zu achten. Alternativ können diese Komponenten auch pneumatisch angetrieben werden.
Es ist auch denkbar, dass die gesamte Wasserstofftankstelle, einschließlich der Kühleinheit und der Betankungseinrichtung, auf dem Lkw-Auflieger angeordnet ist. Dies erhöht die Flexibilität und Mobilität der gesamten Wasserstofftankstelle.
Wie oben erläutert, können die Behälter auch wie in 2b in kleineren Einheiten gebündelt sein und in einzelnen Containern 3 angeordnet sind. Hierbei können die Hydraulikpumpe 41, die Ventile 42, 43 sowie der Speicher 40 mit dem Fluid F in der jeweiligen Einheit angeordnet sein.
Durch die Verwendung eines Fluids, welches wie beschrieben in die Behälter gepumpt wird, wenn der Wasserstoff während eines Tankvorgangs ausgegeben wird, kann auf einen sonst bei einer Wasserstofftankstelle üblichen Kompressor verzichtet werden. Durch die kaskadenartige Anordnung von Behältern mit unterschiedlichen Druckniveaus kann die Effizienz noch weiter verbessert werden.

Claims

Vorrichtung (1) zum Bereitstellen eines komprimierten Gases (H), umfassend zumindest einen ersten Behälter (11), welcher mit einem auszugebenden Gas (H) mit einem ersten Druck befüllt ist, wobei die Vorrichtung des Weiteren ein Hydrauliksystem mit einem Fluid (F) umfasst, wobei das Hydrauliksystem eingerichtet ist, einen Druckabfall in dem ersten Behälter (11) unter den ersten Druck durch Pumpen des Fluids (F) in den ersten Behälter (11) zu verhindern, wobei das Fluid (F) in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas (H) in dem ersten Behälter (11) kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend zumindest einen zweiten Behälter (21, 31), welcher mit dem auszugebenden Gas (H) mit einem zweiten Druck befüllt ist, wobei das Hydrauliksystem weiter eingerichtet ist, einen Druckabfall in dem zweiten Behälter (21,31) unter den zweiten Druck durch Pumpen des Fluids (F) in den zweiten Behälter (21, 31) zu verhindern, wobei das Fluid (F) in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas (H) in dem zweiten Behälter (21, 31) kommt, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck und die Vorrichtung eingerichtet ist, zuerst das Gas (H) aus dem ersten Behälter (11) und danach das Gas (H) aus dem zweiten Behälter (21, 31) auszugeben, wobei der zweite Druck vorzugsweise mindestens 70 MPa beträgt, weiter vorzugsweise 80 MPa.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Hydrauliksystem eingerichtet ist, das Fluid (F) in den ersten Behälter (11) und gegebenenfalls den zweiten Behälter (21, 31) entsprechend hineinzupumpen, wie das Gas (H) aus dem jeweiligen Behälter (11, 21, 31) ausgebeben wird, um den Druck in dem jeweiligen Behälter (11, 21, 31) konstant zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren umfassend einen Abscheider (44), der eingerichtet ist, mit dem Gas (H) vermischtes Fluid (F) nach dem Ausgeben des Gases (H) aus dem ersten Behälter (11) und gegebenenfalls dem zweiten Behälter (21, 31) abzuscheiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Fluid (F) ein ionisches Fluid ist.
Anordnung zum Befüllen eines Tanks mit einem komprimierten Gas, insbesondere eines Fahrzeugtanks mit einem gasförmigen Treibstoff, umfassend die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie eine Betankungseinrichtung zum Ausliefern des komprimierten Gases an den zu befüllenden Tank, wobei die Anordnung vorzugsweise eine Wasserstofftankstelle zum Betanken eines Fahrzeugtanks mit komprimiert gasförmigem Wasserstoff ist.
Verfahren zum Bereitstellen eines komprimierten Gases (H), umfassend den Schritt des Ausgebens des Gases (H) aus einem ersten Behälter (11), welcher mit dem auszugebenden Gas (H) mit einem ersten Druck befüllt ist, wobei ein Druckabfall in dem ersten Behälter (11) unter den ersten Druck verhindert wird, indem ein Fluid (F) in den ersten Behälter (11) hineingepumpt wird, so dass es in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas (H) in dem ersten Behälter (11) kommt.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend nach dem Schritt des Ausgebens des Gases (H) aus dem ersten Behälter (11) den weiteren Schritt des Ausgebens des Gases (H) aus zumindest einem zweiten Behälter (21, 31), welcher mit dem auszugebenden Gas (H) mit einem zweiten Druck befüllt ist, der höher ist als der erste Druck, wobei ein Druckabfall in dem zweiten Behälter (21) unter den zweiten Druck verhindert wird, indem das Fluid (F) in den zweiten Behälter (21) hineingepumpt wird, so dass es in direkten Kontakt mit dem auszugebenden Gas (H) in dem zweiten Behälter (21) kommt, wobei der zweite Druck vorzugsweise größer oder gleich einem in einem zu befüllenden Tank zu erreichenden Zieldruck ist, wobei der zweite Druck vorzugsweise mindestens 70 MPa beträgt, weiter vorzugsweise 80 MPa.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Fluid (F) in den ersten Behälter (11) und gegebenenfalls zweiten Behälter (21, 31) entsprechend hineingepumpt wird, wie das Gas (H) aus dem jeweiligen Behälter (11, 21, 31) ausgeben wird, um den Druck in dem jeweiligen Behälter (11, 21, 31) konstant zu halten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das auszugebende Gas (H) nach dem Ausgeben aus dem ersten Behälter (11) und gegebenenfalls zweiten Behälter (21, 31) durch einen Abscheider (44) geleitet wird, um mit dem Gas (H) vermischtes Fluid (F) abzuscheiden.