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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffsystem für eine mobile Einheit, insbesondere für ein Luftfahrzeug, mit einer Wasserstoff konsumierenden Verbrauchseinheit, insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit, und mit einer Versorgungsanordnung zur Versorgung der Verbrauchseinheit mit Wasserstoff umfassend zumindest eine Flüssigspeichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff in flüssigem Aggregatszustand und zumindest eine Druckspeichervorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff in gasförmigem Aggregatszustand, wobei die Flüssigspeichervorrichtung in einem Niederdruckabschnitt der Versorgungsanordnung und die Druckspeichervorrichtung in einem Hochdruckabschnitt der Versorgungsanordnung angeordnet und eine Regelanordnung vorhanden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffsystems, ein Steuerungsprogramm und ein computerlesbares Speichermedium.
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Ein derartiges Wasserstoffsystem ist beispielsweise aus der
DE 100 21 681 C2 bekannt. Hierbei dient ein vorhandener Hochdruckspeicher zur Speicherung von nachverdampfendem Wasserstoffgas aus einem Flüssigspeicher. Dieser - allgemein auch als „Boil-off-Verlust“ bekannte - Anteil bildet sich bekanntermaßen durch eine (langsame) Erwärmung des als tiefen Temperaturspeicher ausgebildeten Flüssigspeichers.
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Nachteilig an bekannten Wasserstoffsystemen umfassend Flüssigspeicher ist ein vergleichsweise hoher Aufwand, um hohe Dynamikanforderungen der Brennstoffzelleneinheit zu bedienen. „Dynamik“ bezeichnet in diesem Zusammenhang das Zeitverhalten des Wasserstoffstroms bzw. dessen zeitliche Änderung, das mit der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit in Zusammenhang steht. Bei einem Flüssigspeicher als Wasserstoffquelle muss dieser mit einer aufwendigen Verdampfungseinrichtung ausgestattet werden, was mit erhöhten Kosten, erhöhtem Volumen und Gewicht einhergeht. Durch die so verminderte Effizienz des Systems entsteht ein gesteigerter elektrischer Energieverbrauch. Des Weiteren erfordert eine hohe Dynamik einen verstärkten Wärmeeintrag der Verdampfungseinrichtung in den Flüssigspeicher, was den Boil-off-Anteil an Wasserstoff erhöht. Gegebenenfalls vorhandene Feststoffspeicher weisen nachteiligerweise ein hohes Gewicht auf. Druckspeichereinrichtungen verfügen, im Vergleich zu Flüssigspeichereinrichtungen, bekanntermaßen über eine geringere Energiedichte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vergleichsweise einfaches und dabei effizient und flexibel betreibbares Wasserstoffsystem bereitzustellen, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Wasserstoffsystems.
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Die Aufgabe wird für das Wasserstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bei dem Wasserstoffsystem ist vorgesehen, dass die Flüssigspeichervorrichtung und die Druckspeichervorrichtung unter Zwischenschaltung einer Regelanordnung derart strömungsmechanisch in das Wasserstoffsystem eingekoppelt sind, dass ein zu der Verbrauchseinheit strömender Gesamtwasserstoffstrom in Abhängigkeit einer Dynamikanforderung, insbesondere jeweils flexibel steuerbar, aus der Flüssigspeichervorrichtung und/oder aus der Druckspeichervorrichtung entnehmbar ist. „In Abhängigkeit einer Dynamikanforderung“ bedeutet in Abhängigkeit zumindest einer relevanten, d. h. mit dem erforderlichen (angefragten) Zeitverhalten des Wasserstoff(mengen- bzw. volumen-)stroms in Zusammenhang stehenden, Größe. Eine relevante Größe kann z. B. durch zumindest eine der nachstehenden Größen gebildet sein: Eine (erforderliche) zeitliche Änderung eines Mengen- bzw. Volumenstroms (dV/dt) oder des Drucks (dp/dt), ein Absolutwert des Mengen- bzw. Volumenstroms, ein Absolutdruck, jeweils insbesondere innerhalb der Versorgungsanordnung, z. B. innerhalb der Speichereinrichtung/en, in zumindest einer Entnahmeleitung (stromauf oder stromab eines Stellmittels der Regelanordnung) oder in dem Versorgungsabschnitt zur Verbrauchseinheit (stromab der Regelanordnung). Weitere beispielshafte Größen bilden Kennwerte der Verbrauchseinheit wie z. B. der aktuell erzeugte Strom oder der von einem zu versorgenden elektrischen Verbraucher angefragte Strom oder dessen (aktuelle oder angefragte) Leistung. Die relevante(n) Größe(n) kann/können sich auch z. B. in Abhängigkeit von Betriebsszenarien bzw. -modi (z. B. Startflug, Reiseflug, Sinkflug etc., Notbetriebsmodus, Entnahmemodus, etc.) ändern, wobei ein anderer Betrag bzw. andere Beträge und/oder eine andere relevante Größe bzw. andere relevante Größen zur Steuerung und/oder Regelung (z. B. als Schwellwert) herangezogen werden können.
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Die Steuerung bzw. Regelung der Entnahme erfolgt insbesondere mittels der Regelanordnung, die insbesondere zur Druck- und/oder Mengenstromregelung, d. h. steuerbaren Druckregelung, ausgebildet ist. Die Regelanordnung umfasst z. B. zumindest ein Stellmittel zur Druck- und/oder Mengenstromregelung, insbesondere ein Ventil, das am stromaufseitigen Ende, innerhalb und/oder am stromabseitigen Ende zumindest einer der Entnahmeleitungen der Speichereinrichtungen vorhanden ist. So ist der Druck und/oder Mengenstrom innerhalb der Entnahmeleitung/en und/oder stromab derselben, z. B. in einer Einrichtung zur Zusammenführung der Entnahmeleitungen, regelbar. Weiterhin umfasst die Regelanordnung vorzugsweise die Einrichtung zur Zusammenführung der Entnahmeleitungen in den gemeinsamen Versorgungsabschnitt, zur Zusammenführung der Wasserstoffströme aus den Speichereinrichtungen, z. B. ein Wegeventil. Die Einrichtung zur Zusammenführung kann auch vorstehend genanntes Stellmittel zur Druck- und/oder Mengenstromregelung aufweisen. Weiterhin umfasst die Regelanordnung vorzugsweise eine Steuereinrichtung, die auch z. B. in einem separaten Gehäuse angeordnet und/oder einer übergeordneten Steuereinheit zugeordnet sein kann, und die mit dem Stellmittel/n zur Druck- und/oder Mengenstromregelung, und vorzugsweise mit zur Steuerung und/oder Regelung vorhandenen (Druck-)Sensoreinrichtungen des Wasserstoffsystems, in Datenübertragungsverbindung steht. Die Regelanordnung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine von den innerhalb der Speichervorrichtungen herrschenden Drücken unabhängige Entnahme zu steuern bzw. zu regeln. Der Regelanordnung kommt dabei die Funktion in Art einer druck- und/oder mengenstromsteuernden bzw. - regelnden Armatur zu.
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Bei einer hohen Dynamik, d. h. einer großen zeitlichen Änderung (große Wasserstoffstrom-Änderung in kurzer Zeit), kann der Wasserstoffstrom beispielsweise zumindest teilweise aus der Druckspeichervorrichtung entnommen werden, während bei einer geringen Dynamik, d. h. einer geringen oder nicht vorhandenen zeitlichen Änderung, der Wasserstoffstrom aus der Flüssigspeichervorrichtung entnommen wird. Die Unterscheidung zwischen „hoher Dynamik“ und „geringer Dynamik“ kann z. B. mittels eines mit der Dynamik bzw. Dynamikanforderung in Zusammenhang stehenden Steuerungskriteriums, insbesondere eines Schwellwerts, getroffen werden. Dieses bzw. dieser ist z. B. in der Regelanordnung bzw. deren Steuereinrichtung hinterlegt. Als „gering“ wird die Dynamik z. B. bei einer Dynamikanforderung unterhalb des Schwellwerts, als „hoch“ bei einer Dynamikanforderung oberhalb des (oder entsprechend dem) Schwellwert/s eingestuft. Wenn die hohe Dynamikanforderung zumindest teilweise mittels der Druckspeichervorrichtung gedeckt wird, kann die Flüssigspeichervorrichtung vergleichsweise gewichtsreduziert und kostengünstig ausgebildet sein, da auf eine aufwändige Verdampfungseinrichtung verzichtet werden kann. Zudem können Boil-off-Verluste, die innerhalb der Flüssigspeichervorrichtung zur Deckung (hoher) Dynamikanforderungen entstehen, reduziert werden.
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Die Flüssigspeichervorrichtung ist in einem Niederdruckabschnitt der Versorgungsanordnung und die Druckspeichervorrichtung ist in einem Hochdruckabschnitt der Versorgungsanordnung angeordnet, wobei der Niederdruckabschnitt und der Hochdruckabschnitt jeweils stromauf der Regelanordnung angeordnet sind. Insbesondere in dem Hochdruckabschnitt kann ein (gegebenenfalls zusätzliches) Mittel zur Druckminderung stromauf der Regelanordnung angeordnet sein. In dem Niederdruckabschnitt kann z. B. ein zusätzliches Volumen zur Aufnahme von Boil-off-Wasserstoff vorhanden sein. Die Flüssigspeichervorrichtung und die Druckspeichervorrichtung sind dabei parallel zueinander angeordnet. Eine Entkopplung der beiden Speichereinrichtungen wird dadurch ermöglicht, dass die Flüssigspeichervorrichtung und die Druckspeichervorrichtung jeweils eine Zufuhreinrichtung zur voneinander unabhängigen Betankung mit Wasserstoff umfassen.
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Stromab der Regelanordnung ist ein gemeinsamer Versorgungsabschnitt zur Leitung des Gesamtwasserstoffstroms zu der Verbrauchseinheit vorhanden. In dem Versorgungsabschnitt können Komponenten zur Strömungsregulierung, beispielsweise eine Absperreinrichtung zur Unterbrechung des Wasserstoffstroms und/oder ein Druckminderer zur Druckreduktion stromauf der Verbrauchseinheit angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist die Druckspeichervorrichtung als Hochdruckspeichervorrichtung ausgebildet, wobei der maximale Wasserstoffdruck zumindest fünfmal dem maximalen Druck innerhalb der Flüssigspeichervorrichtung, insbesondere zwischen 100 bar und 700 bar, beträgt. So kann in der Druckspeichervorrichtung eine vergleichsweise große, insbesondere für eine bestimmte Betriebszeit der Verbrauchseinheit relevante Menge an Wasserstoff mitgeführt werden.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Niederdruckabschnitt und dem Hochdruckabschnitt, insbesondere zwischen der Flüssigspeichervorrichtung und der Druckspeichervorrichtung, keine Strömungsverbindung, insbesondere kein (die Speichervorrichtungen) strömungsverbindender Leitungsabschnitt, vorhanden. In den Leitungsabschnitten befinden sich vorzugsweise Mittel, die eine Rückströmung zu den Speichervorrichtungen verhindern. So kann/können eine Erwärmung der Flüssigspeichervorrichtung z. B. über einen thermisch leitenden Leitungsabschnitt und/oder über aus der Druckspeichervorrichtung in die Flüssigspeichervorrichtung einströmenden Wasserstoff verhindert werden und damit verbundene Wasserstoff-Boil-off-Verluste weiter reduziert werden. Zudem wird eine übermäßige Druckbeaufschlagung der Flüssigspeichervorrichtung verhindert.
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Eine gewichtseffiziente Ausbildung ergibt sich, wenn, insbesondere zwischen der Flüssigspeichervorrichtung und der Druckspeichervorrichtung, keine Einrichtung zur Druckerhöhung vorhanden ist.
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Zweckmäßigerweise ist die Regelanordnung derart ausgebildet, dass im Betrieb in dem Versorgungsabschnitt ein zumindest im Wesentlichen konstanter, d. h. stationärer, Druckbereich (oder Druck) vorliegt, wobei insbesondere die Entnahme mittels einer steuerbaren Druckregelung zum Erhalt eines (flexibel) steuer- bzw. regelbaren Drucks stromab eines Stellmittels zur Druck- und/oder Mengenstromregelung der Regelanordnung in einer Entnahmeleitung der Flüssigspeichervorrichtung und/oder in einer Entnahmeleitung der Druckspeichervorrichtung und/oder in einer Einrichtung zur Zusammenführung der Entnahmeleitungen, z. B. unabhängig von den Drücken der jeweiligen Speichereinrichtungen, gesteuert bzw. geregelt wird. „Im Wesentlichen“ bedeutet ggf. unter Vorhandensein von Schwankungen, die den Betrieb der Verbrauchseinheit nicht beeinträchtigen. Der Druckbereich ist zweckmäßigerweise auf die Druckanforderungen der Verbrauchseinheit abgestimmt. Insbesondere stromab des/der gegebenenfalls vorhandenen Stellmittel/s zur Druck- und/oder Mengenstromregelung (und/oder Druckminderers) umfasst der Druckbereich vorzugsweise einen Versorgungsdruck der Verbrauchseinheit. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Versorgung der Verbrauchseinheit mit Wasserstoff für deren zuverlässigen Betrieb gewährleistet werden.
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Eine besonders optimierte Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass die Regelanordnung derart ausgebildet ist, dass der in die Verbrauchseinheit strömende Gesamtwasserstoffstrom zeitgleich aus Teilströmen aus der Flüssigspeichervorrichtung und der Druckspeichervorrichtung gebildet werden kann. Insbesondere sind dabei die Speichervorrichtungen strömungsmechanisch parallel zueinander und ohne fluidtechnische Verbindung zueinander angeordnet. Durch eine derartige Steuerung bzw. Regelung kann die Entnahme bezüglich jeder der Speichervorrichtungen optimiert werden, wobei (große) Mengen aus der volumeneffizienten Flüssigspeichervorrichtung entnehmbar sind und große Änderungen in der zu entnehmenden Wasserstoff menge mittels der hinsichtlich der dynamischen Anforderungen effizienten Druckspeichervorrichtung abgedeckt werden können.
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Dabei ist die Regelanordnung z. B. derart ausgebildet, dass der Gesamtwasserstoffstrom zur Deckung eines Grundbedarfs der Verbrauchseinheit aus der Flüssigspeichervorrichtung und ein zumindest zeitweise erforderlicher zusätzlicher Wasserstoff strom, zur Deckung eines dynamischen Bedarfs der Verbrauchseinheit, insbesondere zusätzlich zu dem Wasserstoffstrom zur Deckung des Grundbedarfs, aus der Druckspeichervorrichtung entnehmbar ist. Grundbedarf und dynamischer Bedarf ergeben zusammen den aktuell erforderlichen Gesamtbedarf bzw. die erforderliche Gesamtmenge des Wasserstoffstroms. Der Grundbedarf ist beispielsweise statisch oder nur einer geringen Dynamik unterworfen, d. h. die Mengenstromänderung an Wasserstoff über der Zeit entspricht null oder einem geringen Wert. Der dynamische Bedarf entsteht insbesondere bei einer hohen Dynamikanforderung, z. B. bei einer hohen Leistungsänderung der Verbrauchseinheit, und zeichnet sich durch eine hohe Dynamik aus. Die Unterscheidung zwischen „geringer Dynamik“ und „hoher Dynamik“ kann z. B. anhand eines Steuerungskriteriums, z. B. eines (von einer relevanten Größe abhängigen bzw. durch eine relevante Größe gebildeten) Schwellwerts, getroffen werden. Der Betrag des Grundbedarfs bzw. des Schwellwerts kann sich z. B. in Abhängigkeit eines Betriebsmodus, beispielsweise einer Flugphase (z. B. Startflug, Reiseflug, Sinkflug etc.), ändern. Die Entnahme aus den jeweiligen Speichervorrichtungen kann dabei insbesondere gezielt und/oder beliebig und/oder unabhängig von deren jeweiligen Drücken gesteuert bzw. geregelt werden. Durch eine derartige Steuerung bzw. Regelung kann die Entnahme bezüglich jeder der Speichervorrichtungen optimiert werden, wobei (große) Mengen aus der volumeneffizienten Flüssigspeichervorrichtung und große Änderungen in den entnommenen Wasserstoff mengen aus der hinsichtlich der dynamischen Anforderungen effizienten Druckspeichervorrichtung entnehmbar sind.
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Eine insbesondere in der Luftfahrt sicherheitstechnisch vorteilhafte Redundanz wird dadurch geschaffen, dass die Regelanordnung derart ausgebildet ist, dass in einem bestimmten Entnahmemodus, z. B. in einem Notbetriebsmodus, etwa im Falle einer Störung der Wasserstoffförderung aus der jeweils anderen Speichervorrichtung, der Wasserstoffstrom aus der Flüssigspeichervorrichtung oder aus der Druckspeichervorrichtung entnehmbar ist. Ein anderer bestimmter Entnahmemodus kann z. B. vorliegen, wenn in der Flüssigspeichervorrichtung ein bestimmter Mindestfüllstand an Wasserstoff erreicht ist (ggf. unter Erfüllung weiterer Bedingungen, z. B. eine vorhandene Mindestfüllmenge in dem Druckspeichertank), um eine übermäßige Entleerung verbunden mit einer schnellen Restverdampfung und damit zusammenhängende übermäßige Boil-off-Verluste zu verhindern.
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Boil-off-Verluste können weiter reduziert werden, wenn die Flüssigspeichervorrichtung thermisch entkoppelt von der Druckspeichervorrichtung angeordnet ist, wobei insbesondere keine thermisch leitende Komponente dazwischen vorhanden ist. Insbesondere können die Flüssigspeichervorrichtung und die Druckspeichervorrichtung in (räumlich) getrennten, mit einer zwischengeordneten thermischen Isolation versehenen Gehäusen angeordnet sein. An den Kopplungsstellen von Leitungsmitteln zwischen der Flüssigspeichervorrichtung und der Druckspeichervorrichtung, z. B. in Ankopplung an die Regeleinheit, sind vorzugsweise thermische Isolationsmittel vorhanden.
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Zweckmäßigerweise ist die Druckspeichervorrichtung derart ausgelegt, dass sie eine Füllmenge an Wasserstoff aufnehmen kann, die zur alleinigen Wasserstoffversorgung der mobilen Einheit innerhalb eines definierten Betriebsszenarios ausreicht. So kann insbesondere in einem Notbetriebsmodus als definiertes Betriebsszenario die Verbrauchseinheit auch alleine aus der Druckspeichervorrichtung mit Wasserstoff versorgt werden. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Redundanz innerhalb der Versorgungsanordnung bezüglich der Wasserstoffversorgung erreichbar.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Druckspeichervorrichtung zur Speicherung einer Füllmenge zwischen 5 % und 75 %, z. B. zwischen 5 % und 50 % oder 25 % der maximalen Füllmenge der Flüssigspeichervorrichtung ausgebildet ist. Bei einer derartigen Auslegung steht in der Regel eine ausreichende Menge an Wasserstoff aus dem Drucktank zur Versorgung z. B. in dem Notbetriebsmodus zur Verfügung. Zugleich wird vorteilhaft ein großer Teil des Wasserstoffs über die raum- und gewichtseffiziente Flüssigspeichervorrichtung mitgeführt.
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Bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind in Zusammenhang mit den oben genannten Ausführungsvarianten des Wasserstoffsystems sinngemäß beschrieben.
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Bei dem Verfahren kann insbesondere in einer Steuereinrichtung zunächst eine Dynamikanforderung, z. B. über einen Soll-Istwert-Vergleich einer relevanten (mit dem erforderlichen (angefragten) Zeitverhalten des Wasserstoff(mengen- bzw. volumen-)stroms in Zusammenhang stehenden) Größe, wie z. B. einem Wasserstoff(mengen-)strom, oder einer anderen in Zusammenhang mit dem Wasserstoffsystem als „relevant“ angegebenen Größe, der Verbrauchseinheit ausgewertet und aufgrund eines Steuerungskriteriums, z. B. eines Schwellwerts, als „gering“ oder „hoch“ bewertet werden. Bei einer als „gering“ bewerteten Dynamikanforderung wird der Wasserstoffstrom vorzugsweise ausschließlich aus der Flüssigspeichereinrichtung entnommen. Bei einer als „hoch“ bewerteten Dynamikanforderung wird der Wasserstoffstrom zumindest teilweise aus der Druckspeichereinrichtung entnommen bzw. gedeckt. Das Steuerungskriterium kann sich insbesondere an der Ausbildung der Flüssigspeichervorrichtung orientieren, insbesondere daran, welche Dynamikanforderungen von derselben bedient werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Fließschema eines beispielhaften Wasserstoffsystems, wobei in einer Versorgungsanordnung eine Flüssigspeichervorrichtung und eine Druckspeichervorrichtung strömungsmechanisch parallel zueinander angeordnet sind.
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1 zeigt ein Fließschema eines Wasserstoffsystems 1, wie es insbesondere unter Einbindung in ein übergeordnetes System in der Luftfahrt vorteilhaft einsetzbar ist.
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Das Wasserstoffsystem 1 weist eine Wasserstoff konsumierende Verbrauchseinheit 10 und eine Versorgungsanordnung 20 zur Versorgung der Verbrauchseinheit mit Wasserstoff auf. Bei der Verbrauchseinheit 10 handelt es sich insbesondere um eine Brennstoffzelleneinheit 11, die ein Stromerzeugungs- und/oder Antriebsaggregat in einem Luftfahrzeug bildet.
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Die Versorgungsanordnung 20 umfasst zumindest eine Flüssigspeichervorrichtung 26 und eine Druckspeichervorrichtung 36.
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Die Flüssigspeichervorrichtung 26 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als gegenüber der Umgebung thermisch isolierte Tiefentemperaturspeichervorrichtung ausgebildet, die Wasserstoff in flüssiger Form aufnimmt. Zur Entnahme wird ein Teil des Wasserstoffs über eine Verdampfungseinrichtung in gasförmigen Zustand gebracht und gasförmig über eine Entnahmeleitung 23 entnommen.
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Die Druckspeichervorrichtung 36 ist insbesondere als Hochdruckspeichervorrichtung ausgebildet, die einen (in gefülltem Zustand) maximalen Druck von z. B. 100 bar bis 700 bar aufweisen kann. So kann die Druckspeichervorrichtung vorteilhaft eine vergleichsweise große Menge an Wasserstoff aufnehmen.
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Sowohl die Flüssigspeichervorrichtung 26 als auch die Druckspeichervorrichtung 36 umfassen eine Zufuhreinrichtung 24 bzw. 34. So können beide Speichervorrichtungen 26, 36 unabhängig voneinander mit Wasserstoff betankt werden.
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Die beiden Speichervorrichtungen 26, 36 sind strömungsmechanisch parallel zueinander in unterschiedlichen Abschnitten der Versorgungsanordnung 20 angeordnet. Genauer ist die Flüssigspeichervorrichtung 26 in einem Niederdruckabschnitt 22 mit der Entnahmeleitung 23 und die Druckspeichervorrichtung 36 in einem Hochdruckabschnitt 32 mit einer Entnahmeleitung 33 angeordnet. Jeweils stromab der Speichervorrichtungen 26, 36 sind in den Entnahmeleitungen 23, 33 zur Leitung des Wasserstoffstroms Rückströmsicherungen 28 bzw. 38 angeordnet, die eine Rückströmung des entnommenen Wasserstoffes verhindern.
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Der Niederdruckabschnitt 22 und der Hochdruckabschnitt 32 sind an eine Regelanordnung 30 angekoppelt. Die Regelanordnung 30 verbindet den Hochdruckabschnitt 32 und den Niederdruckabschnitt 22 mittelbar, wobei eine Strömung von Wasserstoff von dem Hochdruckabschnitt 32 in den Niederdruckabschnitt 22, auch über die Rückströmsicherungen 28, 38, unterbunden wird.
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Die Regelanordnung 30 umfasst z. B. in jeder Entnahmeleitung 23, 33 ein (hier nicht gezeigtes) Stellmittel zur Druck- und/oder Mengenstromregelung, das hier beispielhaft jeweils innerhalb oder am stromabseitigen Ende der Entnahmeleitungen 23, 33 vorhanden ist. Weiterhin umfasst die Regelanordnung 30 eine (hier nicht gezeigte) Einrichtung zur Zusammenführung der Entnahmeleitungen 23, 33, z. B. ein Wegeventil, in einen gemeinsamen Versorgungsabschnitt 40. So ist der Druck und/oder Mengenstrom stromab des Stellmittels innerhalb der Entnahmeleitungen 23, 33 und/oder innerhalb der Einrichtung zur Zusammenführung der Entnahmeleitungen 23, 33 steuerbar bzw. regelbar.
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Zwischen dem Niederdruckabschnitt 22 und dem Hochdruckabschnitt 32, insbesondere zwischen der Flüssigspeichervorrichtung 26 und der Druckspeichervorrichtung 36, ist vorzugsweise keine Strömungsverbindung und/oder thermisch leitende Komponente angeordnet. Dabei sind beispielsweise die Flüssigspeichervorrichtung 26 und die Druckspeichervorrichtung 36 in separaten, thermisch voneinander entkoppelten Gehäusen angeordnet. Zudem sind vorzugsweise zwischen der Flüssigspeichervorrichtung 26 und der Regelanordnung 30 thermische Isolationsmittel innerhalb des Niederdruckabschnitts 22 angeordnet. Durch die thermisch entkoppelte Anordnung der Speichervorrichtungen 26, 36 voneinander kann der Wärmeübergang auf die Flüssigspeichervorrichtung 26 reduziert und damit der Boil-Off-Verlust an Wasserstoff verringert werden.
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Stromab der Regelanordnung 30 und der Entnahmeleitungen 23, 33 ist der gemeinsamer Versorgungsabschnitt 40 vorhanden, durch welchen der im Betrieb benötigte Gesamtwasserstoffstrom an die Brennstoffzelleneinheit 11 geführt wird. In dem Versorgungsabschnitt 40 sind Komponenten zur Strömungsregulierung, hier beispielhaft eine Absperreinrichtung 42 zur Unterbrechung des Wasserstoffstroms und ein Druckminderer 44 zur Druckregulierung angeordnet. Im Betrieb regelt insbesondere die Regelanordnung 30 den aus der Flüssigspeichereinrichtung 26 und/oder aus der Druckspeichereinrichtung 36 entnommenen (Teil-)Wasserstoffstrom derart ein, dass im Betrieb in dem Versorgungsabschnitt ein zumindest im Wesentlichen konstanter Versorgungsdruck vorliegt. So kann eine zuverlässige Versorgung der Verbrauchseinheit 10 bzw. der Brennstoffzelleneinheit 11 sichergestellt werden.
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Neben der parallelen, thermisch weitgehend voneinander entkoppelten Anordnung der Speichereinrichtungen 26, 36 bildet die Regelanordnung 30 einen Kernaspekt der Erfindung. Die Regelanordnung 30 umfasst das zumindest eine Stellmittel Druck- und/oder Mengenstromregelung zur Steuerung und/oder Regelung des Wasserstoffstroms (insbesondere des Drucks und/oder Volumen- bzw. Massenstroms), insbesondere ein Ventil (hier nicht gezeigt). Weiterhin umfasst die Regelanordnung 30 eine Steuereinrichtung, die auch an einer anderen Stelle innerhalb des Wasserstoffsystems angeordnet sein kann, beispielsweise in Zuordnung innerhalb einer (übergeordneten) Steuereinheit (hier nicht gezeigt). Die Steuereinrichtung steht zur Steuerung und/oder Regelung mit dem Stellmittel der Regelanordnung 30 in Datenübertragungsverbindung.
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Die Regelanordnung 30 ist derart ausgebildet, dass im Betrieb ein über den Versorgungsabschnitt 40 strömender Wasserstoffstrom in Abhängigkeit einer Dynamikanforderung bezüglich des Wasserstoffstroms, d.h. einer in nächster Zukunft erforderlichen zeitlichen Änderung des Wasserstoffstroms, aus der Flüssigspeichervorrichtung 26 und/oder aus der Druckspeichervorrichtung 36 entnehmbar ist. Die Dynamikanforderung ergibt sich insbesondere aus einer angefragten, zu erbringenden Leistung bzw. einer damit verbundenen Leistungsänderung der Verbrauchseinheit 10 bzw. der Brennstoffzelleneinheit 11. Die Entscheidung, aus welchen der beiden Speichervorrichtungen 26, 36 und zu welchen Anteilen die Entnahme beispielsweise auch gleichzeitig erfolgt, kann über ein Steuerungskriterium, beispielsweise über einen Schwellenwert, festgelegt werden. Das Steuerungskriterium kann auch an einen Betriebsmodus gekoppelt sein. Das Steuerungskriterium, z. B. unterschiedlichen Betriebsmodi zugeordnete Schwellenwerte, kann bzw. können in der Regelanordnung 30 hinterlegt sein.
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In einer vorteilhaften Steuerungsvariante kann beispielsweise der Wasserstoff zur Deckung eines Grundbedarfs der Verbrauchseinheit 10 aus der Flüssigspeichervorrichtung 26 entnommen werden. Der Grundbedarf zeichnet sich durch eine nicht vorhandene oder geringe Dynamik, d.h. zeitliche Änderung des Wasserstoffstroms aus. Im Falle einer hohen Dynamikanforderung, wobei eine hohe zeitliche Änderung des Wasserstoffstroms, d. h. eine hohe Dynamik, erforderlich wird, kann dieser dynamische Bedarf über die Druckspeichervorrichtung 36 gedeckt werden. Der Grundbedarf bzw. das Steuerungskriterium zu dessen Bewertung kann auch abhängig von einem Betriebsmodus, beispielsweise von einer Flugphase, z. B. durch die Regelanordnung 30 vorgegeben werden. Diese Steuerungsvariante bietet den Vorteil, dass eine hohe Dynamikanforderung auch mit einer vergleichsweise wenig komplex ausgebildeten Flüssigspeichervorrichtung 26, mit einer einfach gehaltenen Verdampfungsanordnung, bedient werden kann. Zudem können übermäßige Boil-Off-Verluste an Wasserstoff, die in der Regel bei Bedienung von hohen Dynamikanforderungen die Flüssigspeichervorrichtung 26 entstehen, verringert werden.
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In einer anderen bevorzugten Steuerungsvariante, die beispielsweise auch der vorstehend genannten Steuerungsvariante überlagert sein kann, kann z. B. in einem bestimmten Entnahmemodus der Wasserstoffstrom aus der Flüssigspeichervorrichtung 26 oder aus der Druckspeichervorrichtung 36 entnommen werden. Ein besonderer Betriebsmodus kann z. B. ein Notbetriebsmodus sein, wobei im Falle einer Störung der Wasserstoffförderung aus einer der Speichervorrichtungen 26, 36 der Wasserstoffstrom aus der jeweils anderen Speichervorrichtung 36, 26 entnommen wird. Vorzugsweise ist in Kombination mit dieser Steuerungsvariante die Druckspeichervorrichtung 36 zur Aufnahme einer entsprechenden, für ein derartiges Betriebsszenario ausreichend großen Menge ausgelegt, beispielsweise für eine Flugzeit von zumindest einer halben oder vollen Stunde.
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Ein anderer bestimmter Entnahmemodus kann z. B. vorliegen, wenn in der Flüssigspeichervorrichtung 26 ein bestimmter Mindestfüllstand an Wasserstoff erreicht ist (ggf. unter Erfüllung weiterer Bedingungen, z. B. einer vorhandenen Mindestfüllmenge in dem Druckspeichertank 36), um eine schnelle Restverdampfung und damit verbundene übermäßige Boil-off-Verluste zu verhindern. Dadurch kann eine insbesondere im Flugverkehr sicherheitstechnisch äußerst vorteilhafte Redundanz der Wasserstoffquelle innerhalb der Versorgungsanordnung 20 geschaffen werden.
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Zusammenfassend wird innerhalb des angegebenen Wasserstoffsystems 1 auch bei einer vergleichsweise einfach gehaltenen Flüssigspeichervorrichtung 26 eine hohe Dynamik der Wasserstoffversorgung ermöglicht. Dies bewirkt zum einen einen einfachen, gewichtsreduzierten Aufbau, was insbesondere in Luftfahrtanwendungen Vorteile bringt. Zudem kann insbesondere in Kombination mit der entsprechend ausgebildeten Regelanordnung 30 eine insbesondere für Luftfahrtanwendungen vorteilhafte Redundanz erhalten und können Boil-off-Verluste verringert werden.
