DE102017206996A1

DE102017206996A1 - Multifunktionale Tankanlage

Info

Publication number: DE102017206996A1
Application number: DE102017206996.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dawidziak; Jürgen Jablonski
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31
Also published as: WO2018197229A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale Tankanlage für Kraftfahrzeuge, welche sowohl Wasserstoff für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen oder Wasserstofftanks als auch elektrischen Strom zur Aufladung von Fahrzeugbatterien zur Verfügung stellt, sowie Verfahren zum Betrieb der Tankanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale Tankanlage für Kraftfahrzeuge, welche sowohl Wasserstoff für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen oder Wasserstofftanks als auch elektrischen Strom zur Aufladung von Fahrzeugbatterien zur Verfügung stellt, sowie Verfahren zum Betrieb der Tankanlage.
Im Straßenverkehr werden neben mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen zunehmend auch Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb eingesetzt. Zur Versorgung des Antriebs mit elektrischer Energie dienen beispielsweise Hochleistungsakkumulatoren oder Brennstoffzellen. Daneben gibt es auch Kraftfahrzeuge, die von Wasserstoffverbrennungsmotoren angetrieben werden. Für das Laden der Akkumulatoren bzw. das Auffüllen der Brennstoffzellen oder der Wasserstofftanks der Fahrzeuge muss eine entsprechende Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden.
DE 10 2007 040 923 A1 offenbart ein Verfahren zur Betankung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, bei dem elektrische Energie durch eine mit Erdgas betriebene stationäre Brennstoffzelle in einer Elektrozapfsäule erzeugt wird.
Aus DE 10 2008 050 389 A1 sind ein Verfahren zur Energiespeicherung in großflächigen Stromnetzen und dafür geeignete Energiespeicher bekannt. Dabei wird eine Vielzahl von an das Stromnetz angeschlossenen Stromabnehmern mit Energieeinzelspeichern ausgerüstet, die zur Pufferung von Verbrauchsspitzen eingesetzt werden können. Die Energieeinzelspeicher können mit einem Anschluss zum Aufladen von Autobatterien ausgerüstet sein. Eine andere Variante der Einzelenergiespeicher sind Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff mit elektrischer Energie des Stromnetzes. Der Wasserstoff kann für weitere Energieumwandlungen eingesetzt werden.
DE 202 09 993 U1 offenbart ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb, welches durch die Brennstoffzellen des Fahrzeugs erzeugte elektrische Energie und Wärme in das Stromnetz oder in die WarmwasserHeizungsanlage eines Gebäudes einspeisen kann.
Aufgabe der Erfindung war es, alternative Bausteine für eine Lade- bzw. Tank-Infrastruktur für den Betrieb elektrisch oder mit Wasserstoff betriebener Kraftfahrzeuge Verfügung zu stellen. Kraftfahrzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen auch Nutzfahrzeuge.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Tankanlage für Kraftfahrzeuge mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen oder Kraftfahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotoren zur Verfügung, die eine dezentrale Wasserstofferzeugung und -speicherung umfasst.
Gegenstand der Erfindung ist eine Tankanlage für ein Kraftfahrzeug, die mindestens ein reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul aufweist. Daneben umfasst die Tankanlage mindestens einen Anschluss an eine Stromquelle, einen Wasserstoffspeicher, und mindestens einen Anschluss zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftahrzeug.
Die erfindungsgemäße Tankanlage ermöglicht einerseits, elektrische Energie dezentral in Wasserstoff zu wandeln und zu speichern. Der gespeicherte Wasserstoff kann zum Betanken wasserstoffbetriebener Kraftfahrzeuge verwendet werden. Alternativ kann der Wasserstoff in elektrische Energie zurückgewandelt werden, die in das Stromnetz eingespeist wird, um bei Verbrauchsspitzen das Netz zu stabilisieren. Die erfindungsgemäße Tankanlage kann daher auch zur Pufferung von Verbrauchsspitzen im Stromnetz eingesetzt werden. In einer Ausführungsform wird zur Wasserstofferzeugung elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenergie, Windenergie, Wasserkraft etc. eingesetzt. In Form von Wasserstoff lässt sich diese Energie zwischenspeichern und ist bei Bedarf schnell abrufbar. Die vorliegende Erfindung bietet also eine Möglichkeit, Überkapazitäten an elektrischer Energie dezentral zu speichern und das Stromnetz durch Rückeinspeisung zu stabilisieren.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine multifunktionale Tankanlage für Kraftfahrzeuge zur Verfügung, die sowohl Wasserstoff für Kraftfahrzeuge mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen (BZ-Fahrzeuge) oder Wasserstoffverbrennungsmotoren, als auch elektrische Energie für das Aufladen der Akkumulatoren batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) bereitstellt.
Auch in dieser Ausführungsform ermöglicht die erfindungsgemäße Tankanlage die dezentrale Erzeugung, Speicherung und Abgabe von Wasserstoff. Die aus Wasserstoff erzeugte elektrische Energie kann zudem zum Aufladen der Akkumulatoren elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, insbesondere dem Schnellladen elektrischer Fahrzeuge.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Tankanlage für ein Kraftfahrzeug, die mindestens ein reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul aufweist, daneben mindestens einen Anschluss an eine Stromquelle, einen Wasserstoffspeicher, mindestens einen Anschluss zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftahrzeug, und mindestens einen Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug.
Kernstück der erfindungsgemäßen Tankanlage ist ein Modul, welches reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthält. Eine reversible Wasserstoff-Brennstoffzelle stellt eine Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Elektrizität und Wasser verbraucht, mit einem Elektrolyseur dar, der per Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff produziert. Dadurch ist die reversible Wasserstoff-Brennstoffzelle in der Lage, sowohl elektrische Energie aus Wasserstoff zu erzeugen als auch Wasserstoff aus elektrischer Energie. Der Begriff „reversibel“ deutet in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die reversible Wasserstoff-Brennstoffzelle in beide Richtungen arbeiten kann, d.h. sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseur. Es soll damit nicht suggeriert werden, dass die Reaktion vollständig reversibel ist, also ein Wirkungsgrad von 100% erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Tankanlage weist mindestens einen Anschluss an eine Stromquelle auf. Die Stromquelle wird zum Betrieb des reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Moduls benötigt. Daneben kann die Stromquelle auch zum Aufladen der Akkumulatoren elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tankanlage ist die Stromquelle das Stromnetz. In dieser Ausführungsform kann von der erfindungsgemäßen Tankanlage elektrische Energie dem Stromnetz sowohl entnommen als auch zugeführt werden.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tankanlage ist die Stromquelle ein Generator. Diese Variante bietet sich beispielsweise an, wenn kein Anschluss an das Stromnetz verfügbar ist, z.B. an abgelegenen Standorten. Der Generator kann mit fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Erdgas betrieben werden, mit nachwachsenden Rohstoffen wie Biomasse oder mit regenerativen Energiequellen wie Wind oder Wasserkraft.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tankanlage wird die Stromquelle mit erneuerbarer Energie gespeist. In einer Ausführungsform ist die Stromquelle eine Windkraftanlage. In einer anderen Ausführungsform ist die Stromquelle eine Wasserkraftanlage. In einer weiteren Ausführungsform ist die Stromquelle eine Photovoltaikanlage.
Es ist auch möglich, mehrere unterschiedliche Stromquellen an die erfindungsgemäße Tankanlage anzuschließen. So könnte eine erfindungsgemäße Tankanlage beispielsweise sowohl mit dem Stromnetz als auch mit einem Generator oder einer Quelle erneuerbarer Energie verbunden sein. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Betrieb, bei dem z.B. vorzugsweise Quellen erneuerbarer Energie zur Wasserstofferzeugung genutzt werden und aus nicht zur Betankung von Kraftfahrzeugen benötigtem Wasserstoff Strom zur Einleitung in das Stromnetz erzeugt wird.
Der in dem reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Modul erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher gespeichert. Bei Bedarf wird er entweder zur Erzeugung elektrischer Energie in das Modul zurückgeführt oder einem Anschluss zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftfahrzeug zugeleitet, über den die Brennstoffzellen oder der Wasserstofftank eines wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugs befüllt werden können.
In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Tankanlage auch mindestens einen Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug. In einer Ausführungsform ist dieser Anschluss sowohl mit der Stromquelle als auch dem elektrischen Ausgang des reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Moduls verbunden. In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug als Schnellladesäule ausgeführt. Als Schnellladesäule wird im Kontext der vorliegenden Erfindung eine Ladestation mit einer Ladeleistung von mindestens 100 kW verstanden. Die Nutzung der durch Umwandlung von Wasserstoff gewonnenen Energie zur Unterstützung der Schnellladung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass das Stromnetz nicht für die maximale Ladeleistung ausgelegt sein muss, da ein Teil der erforderlichen elektrischen Energie lokal erzeugt werden kann. Durch das reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltende Modul ist es so möglich, auch dann eine Schnellladefunktion bereitzustellen, wenn die Kapazität des Stromnetzes hierfür nicht ausreichen würde bzw. die Ladezeit durch Steigerung der Leistung der Schnellladesäule weiter zu verkürzen.
Gegenstand der Erfindung sind auch Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Tankanlage. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird in dem mindestens einen reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Modul mit von einer Stromquelle bereitgestellter elektrischer Energie Wasserstoff erzeugt und in einem Wasserstoffspeicher gespeichert. Der gespeicherte Wasserstoff wird bei Bedarf über einen Anschluss zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftfahrzeug dem Wasserstofftank oder der Brennstoffzelle eines wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugs zugeführt. Alternativ wird der gespeicherte Wasserstoff in das reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltende Modul zurückgeführt und dort zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt, die über einen Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug an den Akkumulator eines Kraftfahrzeugs abgegeben und/oder in das Stromnetz eingeleitet wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird in dem mindestens einen reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Modul Wasserstoff produziert und dem Wasserstoffspeicher zugeführt, wenn keine elektrische Energie für einen Ladevorgang oder Einspeisung in das Stromnetz benötigt wird. Dies bedeutet auch, dass kein Kraftfahrzeug an den mindestens einen Anschluss zur Abgabe von elektrischer Energie angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird in dem mindestens einen reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Modul unter Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher elektrische Energie produziert und in das Stromnetz eingeleitet, wenn kein Kraftfahrzeug an den mindestens einen Anschluss zur Abgabe von elektrischer Energie angeschlossen ist.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird in dem mindestens einen reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Modul unter Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher elektrische Energie produziert und an dem mindestens einen Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie einem Kraftfahrzeug zugeführt. In einer Variante des Verfahrens werden dem Kraftfahrzeug sowohl die von dem mindestens einen Modul erzeugte elektrische Energie als auch elektrische Energie der Stromquelle zugeführt. Damit steht für den Ladevorgang eine höhere Leistung zur Verfügung, die ein Schnellladen ermöglicht bzw. beschleunigt.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Gleichartige Elemente sind durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1 in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tankanlage;
2 in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tankanlage.

1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tankanlage 1 für ein Kraftfahrzeug. Die Tankanlage 1, umfasst ein reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul 2, einen Anschluss an eine Stromquelle 3, einen Wasserstoffspeicher 4 und einen Anschluss 5 zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftahrzeug 11. In der Zeichnung ist auch ein wasserstoffbetriebenes Kraftfahrzeug 11 dargestellt, das über den Anschluss 5 mit der Tankanlage 1 verbunden ist. Zur Versorgung des Fahrzeugs 11 mit Wasserstoff wird dieser aus dem Wasserstoffspeicher 4 über den Anschluss 5 in das Fahrzeug 11 geleitet. Gleichzeitig kann im Modul 2 unter Nutzung elektrischer Energie aus der Stromquelle 3 Wasserstoff erzeugt und dem Wasserstoffspeicher zugeführt werden. Wenn Kapazität und Füllstand des Wasserstoffspeichers 4 dies zulassen, kann dieser Vorgang aber auch zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, um den Wasserstoffspeicher 4 wieder aufzufüllen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tankanlage 1 für ein Kraftfahrzeug. Die Tankanlage 1, umfasst ein reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul 2, einen Anschluss an eine Stromquelle 3, einen Wasserstoffspeicher 4, einen Anschluss 5 zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftahrzeug 11, und einen Anschluss 6 zur Abgabe von elektrischer Energie an ein Kraftahrzeug 12. In der Zeichnung sind auch ein wasserstoffbetriebenes Kraftfahrzeug 11, das über den Anschluss 5 mit der Tankanlage 1 verbunden ist, und ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) 12 dargestellt, das über den Anschluss 6 mit der Tankanlage 1 verbunden ist. Wie gezeigt kann die Tankanlage 1 sowohl Wasserstoff als auch elektrische Energie zur Verfügung stellen. Es können also simultan wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeuge 11 und batterieelektrische Fahrzeuge 12 betankt bzw. geladen werden. Anschluss 6 ist sowohl mit dem elektrischen Ausgang des reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltenden Moduls 2 als auch mit der Stromquelle 3 verbunden. Dadurch kann die Ladeleistung der Tankanlage 1 gesteigert werden. Die Stromquelle 3 muss daher nicht unbedingt für die maximale Ladeleistung ausgelegt sein. Zudem ist ein flexiblerer Betrieb der Tankanlage möglich. Wird beispielsweise elektrische Energie für einen Ladevorgang benötigt, während das Modul 2 gerade Wasserstoff erzeugt, kann die elektrische Energie für den Ladevorgang allein von der Stromquelle 3 bezogen werden, falls deren Leistung dafür ausreicht.
Bezugszeichenliste

1: Tankanlage
2: Reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul
3: Stromquelle
4: Wasserstoffspeicher
5: Anschluss zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftfahrzeug
6: Anschluss zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug
11: wasserstoffbetriebenes Fahrzeug
12: batterieelektrisches Fahrzeug (BEV)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007040923 A1 [0003]
DE 102008050389 A1 [0004]
DE 20209993 U1 [0005]

Claims

Tankanlage (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein reversible Wasserstoff-Brennstoffzellen enthaltendes Modul (2); mindestens einen Anschluss an eine Stromquelle (3); einen Wasserstoffspeicher (4); und mindestens einen Anschluss (5) zur Abgabe von Wasserstoff an ein Kraftahrzeug (11).
Tankanlage (1) nach Anspruch 1, die zusätzlich mindestens einen Anschluss (6) zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug (12) umfasst.
Tankanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stromquelle (3) das Stromnetz ist.
Tankanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der der Anschluss (6) zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug (12) sowohl mit der Stromquelle (3) als auch mit dem elektrischen Ausgang des Moduls (2) verbunden ist.
Tankanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher der mindestens eine Anschluss (6) zur Abgabe elektrischer Energie an ein Kraftfahrzeug (12) als Schnellladesäule ausgeführt ist.
Tankanlage (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die reversiblen Wasserstoff-Brennstoffzellen des Moduls (2) Untereinheiten für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse und Untereinheiten für die Erzeugung elektrischer Energie durch Oxidation von Wasserstoff umfassen.
Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage (1) nach Anspruch 2, bei dem das mindestens eine Modul (2) Wasserstoff produziert und dem Wasserstoffspeicher (4) zuführt, wenn kein Kraftfahrzeug (12) an den mindestens einen Anschluss (6) zur Abgabe von elektrischer Energie angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage (1) nach Anspruch 3, bei dem das mindestens eine Modul (2) unter Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (4) elektrische Energie produziert und in das Stromnetz (3) einleitet, wenn kein Kraftfahrzeug (12) an den mindestens einen Anschluss (6) zur Abgabe von elektrischer Energie angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Tankanlage (1) nach Anspruch 2, bei dem das mindestens eine Modul (2) unter Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (4) elektrische Energie produziert und an dem mindestens einen Anschluss (6) zur Abgabe elektrischer Energie einem Kraftfahrzeug (12) zuführt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem dem Kraftfahrzeug (12) sowohl die von dem mindestens einen Modul (2) erzeugte elektrische Energie als auch elektrische Energie der Stromquelle (3) zugeführt wird.