DE102020115438A1

DE102020115438A1 - Kraftstoffversorgungssystem und Verfahren zum Betrieb einer mit in einem Speicherbehälter bevorrateten Flüssiggas betriebenen Verbrennungskraftmaschine, welches Rückverflüssigungs-Komponenten des im Speicherbehälter entstehenden Boil-Off umfasst

Info

Publication number: DE102020115438A1
Application number: DE102020115438.0A
Authority: DE
Inventors: Seyed Ali Moafi Madani
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem gasförmigen Kraftstoff (Kgasf), der in einem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) als flüssiger Kraftstoff (Kfl) bevorratet ist, wobei sich im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) eine aus dem flüssigen Kraftstoff (Kfl) verdampfte Gasmenge (Boil-Off, Kgasf) bildet.Es ist vorgesehen, dass das Kraftstoffversorgungssystem einen gasförmigen Kraftstoff (Kgasf) zwischenspeichernden Kraftstoff-Speicherbehälter (200) in der Art eines Membrantanks aufweist, der mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (200) und mit einem Gastank (500) in Fluid-Fluid-Verbindung steht, eine erste Turbopumpe (300) in einer Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) in Fluid-Verbindung steht, und eine zweite Turbopumpe (400) in der Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Membrantank (200) in Fluid-Verbindung steht, wobei zumindest eine der Turbopumpen (300, 400, 600, 700) der Turbopumpe-Kaskadenschaltung mit einem Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) in Fluid-Verbindung steht, wobei der mindestens eine Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) über mindestens eine Rückführleitung (Rn) mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem und Verfahren zum Betrieb einer mit in einem Speicherbehälter bevorrateten Flüssiggas betriebenen Verbrennungskraftmaschine, welches Rückverflüssigungs-Komponenten des im Speicherbehälter entstehenden Boil-Off umfasst.
Fahrzeuge mit LNG(liquefied natural gas)-Kraftstoff als Energieträger haben eine begrenzte Standzeit, bis der zulässige Auslegungsdruck der Tankbehälter erreicht wird.
Dieser Druck wird durch Verdampfen des tiefkalten, flüssigen LNG's erzeugt. Die verdampfte Menge wird als Boil-Off oder Boil-Off-Menge bezeichnet.
Nach dem Erreichen dieses Druckes wird Methan direkt über eine Entlastungsvorrichtung abgeblasen. Methan hat gegenüber CO₂ ein deutlich höheres Global Warming Potential (GWP), so dass dies nach Möglichkeit vermieden werden soll. Zudem steht der Kraftstoff nicht mehr dem Fahrzeug zur Verfügung.
Zur Erhöhung der Standzeit sind folgende Maßnahmen bekannt.
Als eine Maßnahme wird die Isolation des LNG-Tanks verbessert. In einer anderen Maßnahme wird die erlaubte Druckstufe des LNG-Tanks erhöht. Beide Maßnahmen führen dazu, dass die Haltezeit verlängert wird.
Als andere Maßnahme ist vorgesehen, dass der Tankinhalt gekühlt wird.
Schließlich ist in einer noch weiteren Maßnahme vorgesehen, dass der Boil-Off verdichtet und in einem zweiten Tank als CNG (compressed natural gas) gespeichert wird.
Nachteilig ist, dass LNG bei Erreichen des kritischen Drucks in Form von Methan über ein Sicherheitsventil an die Umgebung, das heißt in die Atmosphäre abgegeben wird, wobei diese Abgabe, wie oben erläutert, nach Möglichkeit vermieden werden soll.
Bei Kühlung, Rückverflüssigung und Verdichtung des Boil-Off als Gegenmaßnahmen muss, um eine Abgabe gegebenenfalls auch nur geringer Boil-Off-Mengen zu vermeiden, zusätzliche Energie, insbesondere ein Stromvorrat oder Kältevorrat, vorhanden sein und mitgeführt werden. Hinzukommt, dass der Energieverbrauch des Fahrzeuges bei dieser Vorgehensweise insgesamt höher ist.
Durch die Installation eines Zusatz-Tanks kann Boil-Off, das heißt CNG (= verdampftes LNG), aufgefangen und bis zum Erreichen der begrenzten Tankkapazität gespeichert werden. Auf diese Weise kann die Haltezeit des LNG-Tanks verlängert werden, jedoch ermöglicht ein Überlastungsventil zur Not - in nicht wünschenswerter Weise - trotzdem die Freisetzung von Boil-off in die Umgebung.
Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen ausschließlich die oben zusammengefassten Maßnahmen entnehmbar.
Die Druckschrift EP 2 003 389 A2 beschreibt zwar ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Boil-Off-Gas, das in einem LNG-Speichertank eines LNG-Trägers zum Transport von LNG in einem kryogenen Flüssigzustand erzeugt wird, wobei der LNG-Träger eine Boil-Off-Gas-Rückverflüssigungsanlage aufweist, wobei eine Menge an Boil-Off-Gas, die einer Behandlungskapazität der Rückverflüssigungsanlage entspricht, zusammen mit der Gesamtmenge an Boil-Off-Gas, das während der Reisezeit des LNG-Trägers erzeugt wurde, aus dem LNG-Speichertank abgeführt und durch die Rückverflüssigungsanlage rückverflüssigt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Behandlung von Boil-Off-Gas kann eine aus einem LNG-Speichertank abgeführte Boil-Off-Gasmenge auf einem konstanten Niveau halten, indem überschüssiges Boil-Off-Gas, das nicht durch die Rückverflüssigungsanlage in den LNG-Speichertank zurückgeführt wurde, im LNG-Speichertank gespeichert wird, anstatt es abzuführen und zu verbrennen, und kann die Verschwendung von Boil-Off-Gas verhindern und Energie einsparen, indem der Innendruck des LNG-Speichertanks erhöht wird.
Die Druckschrift DE 10 2016 014 927 A1 betrifft ein Kraftstoffsystem, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einem Tank zum Speichern von Flüssiggas als Kraftstoff und mit einer Pumpeinrichtung zum Fördern des Flüssiggases zu einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Kraftstoffsystem Mittel zum Erhöhen eines Drucks des Flüssiggases zumindest in einem Bereich des Kraftstoffsystems umfasst, welcher mit einer Saugseite der Pumpeinrichtung fluidisch gekoppelt ist.
Die Druckschrift DE 10 2016 002 316 A1 erläutert ein Verfahren zum Betrieb eines Flüssiggastanks mit einem Tankvolumen zur Aufnahme von LNG und Boil-Off-Gas, wobei dem Tankvolumen ein gasförmiger Boil-Off-Strom und ein flüssiger LNG-Strom zugeführt werden, wobei der Boil-Off-Strom in den LNG-Strom eingeleitet wird und - anschließend - das dabei entstehende Boil-Off-LNG-Gemisch in das Tankvolumen eingeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit eines Speicherbehälters innerhalb eines Kraftstoffversorgungssystems zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen, die mit einem in dem Speicherbehälter bevorrateten Flüssiggas betriebenen wird.
Das Kraftstoffversorgungssystem und das zugehörige Verfahren sind durch die in den Ansprüchen 1 bis 14 formulierten technischen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen einzigen Figur erläutert, die ein Kraftstoffversorgungssystem mit einem Flüssig-Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter und eine Verbrennungskraftmaschine und in das Kraftstoffversorgungssystem integrierte Rückverflüssigungs-Komponenten zur Rückverflüssigung des im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter entstehenden Boil-Off zeigt.
Legende zur Figur 1:
Durchgezogene Leitungslinien = gasförmiges Boil-Off K_gasf .
Strich-Punktierte Linien = verflüssigtes Boil-Off K_fl .
Strichlinien = stromführende Leitungen.
In 1 ist ein erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystem dargestellt, welches als Ausgangspunkt der Erfindung einen Kraftstoffbehälter 100 zur Speicherung eines verflüssigten gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere eines LNG-Kraftstoffs (LNG), aufweist, der im Kraftstoffbehälter 100 in einer Flüssigphase K_fl und in einer Gasphase K_gasf vorliegt und im Kraftstoffbehälter 100 ein Gaspolster bildet.
Der Kraftstoffbehälter 100, der zur Unterscheidung zu anderen Behältern nachfolgend als Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 bezeichnet ist, ist mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks PC₁ der Gasphase sowie einem fernbedienbaren Durchgangs-Absperrventil 100.1 ausgerüstet.
Beim Stillstand eines das Kraftstoffversorgungssystem aufweisenden Fahrzeuges, steigt der erfasste Druck PC eines Druckmessgerätes 100.2 im Gaspolster an, da der Kraftstoff (LNG) verdampft. Es kommt somit zur Bildung des Boil-Off oder anders gesagt einer Boil-Off-Menge im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100, die bisher als eine Maßnahme in nachteiliger Weise bei Erreichen des kritischen Drucks des Kraftstoffbehälters 100 in Form von Methan über ein Sicherheitsventil 100.3 an die Umgebung, das heißt in die Atmosphäre abgegeben wird.
Ausgehend von dieser bisherigen Vorgehensweise ist jetzt vorgesehen, dass dem Kraftstoffbehälter 100 zwei Druckstufen PC₁ und PC₂ zugeordnet werden.
Das Kraftstoffversorgungssystem umfasst ferner einen weiteren Kraftstoffbehälter 200, der erfindungsgemäß als Membrantank 200 ausgebildet ist.
Zwischen Membrantank 200 und Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 sind erfindungsgemäß folgende Armaturen angeordnet.
In Strömungsrichtung der Gasphase K_gasf , das heißt der abzuführenden Boil-Off-Menge zu dem Membrantank 200 gesehen, ist zunächst ein Mehrwege-Ventil 12.1 und anschließend ein weiteres Mehrwege-Ventil 12.2 in einer Verbindungsleitung 12 zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und Membrantank 200 angeordnet.
Das Mehrwege-Ventil 12.1 dient im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 einerseits zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine VKM mit gasförmigem Kraftstoff K_gasf , der über das Durchgangs-Absperrventil 100.1 und das Mehrwege-Ventil 12.1 einem Expansionsventil 1.1 und einem Wärmeübertrager 1.2 der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt wird. Mit anderen Worten, der gasförmige Kraftstoff K_gasf wird im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 kontinuierlich abgeführt, so dass die Problematik des Boil-Off nicht entsteht.
Erst beim Stillstand eines das Kraftstoffversorgungssystem aufweisenden Fahrzeuges steigt der Druck PC im Gaspolster an, der durch das Druckmessgerät 100.2 erfasst wird, da der flüssige Kraftstoff K_fl (LNG) verdampft.
Bei Erreichen der jeweiligen Druckstufe PC₁ und PC₂ im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 werden erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte durchgeführt, die unter Verwendung der nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Komponenten des Kraftstoffversorgungssystems ausführbar sind, um das Boil-Off in einen flüssigen Zustand zurückzuversetzen, wodurch die Standzeit des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 innerhalb des Kraftstoffversorgungssystems zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine 1 wesentlich erhöht wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden in Teilschritten erläutert, wobei die Schritte teilweise nacheinander und teilweise parallel zueinander stattfinden, wie aus der Beschreibung deutlich wird.
Erfindungsgemäß bilden die nachfolgend erläuterten Teilschritte eine Art Umlaufverfahren, welches in Abhängigkeit der Aufladung (Druckerhöhung) des Membrantanks 200 stets von Neuem beginnt, wie noch erläutert wird.
Ein erfindungsgemäßer Umlauf wird nachfolgend anhand der 1 erläutert, wobei einzelne Verfahrensschritte oder Verfahrensabschnitte nachfolgend jeweils mit einer Teilüberschrift versehen sind und innerhalb der Beschreibung eingeleitet werden.
I: Absteuern einer gasförmigen Boil-Off-Menge aus dem Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in einen Membrantank 200 unter anschließender Aufladung (Druckerhöhung) des Membrantanks 200:
Beim Erreichen der ersten Druckstufe PC₁ werden die Ventile 100.1 und 12.1 sowie 12.2 zwischen dem Kraftstoffbehälter 100 und Membrantank 200 geöffnet, damit zumindest ein Teil der sich bereits gebildeten Boil-Off-Menge im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in den Membrantank 200 strömt.
Der Membrantank 200 stellt somit in einem ersten Absteuerpfad A1 (vergleiche Bezugszeichen A1 in 1) in vorteilhafter Weise ein zusätzliches Volumen für die Abführung/Speicherung einer Boil-Off-Menge zur Verfügung.
Durch das Abführen der Boil-Off-Menge vom Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in den Membrantank 200 verringert sich nach dem Boyle-Mariotte-Gesetz der Druck im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100, so dass der Druck unter die Druckstufe PC₁ fällt.
Bei weiterhin geöffneten Ventilen 100.1 und 12.1 sowie 12.2 stellt sich ein Gleichgewichtsdruck zwischen dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und dem Membrantank 200 ein und es strömt, nachdem sich der Gleichgewichtsdruck eingestellt hat, kein Boil-Off, das heißt keine Boil-Off-Menge mehr, vom Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in den Membrantank 200.
Anschließend werden die Ventile 100.1 und 12.1 sowie 12.2 beziehungsweise die Verbindungsleitung(en) 12 zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und Membrantank 200 wieder geschlossen.
Der Druck im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 liegt somit nach dem Schließen der Ventile 100.1 und 12.1 sowie 12.2 unterhalb der ersten Druckstufe PC₁ . Wegen des sich einstellenden Druckgleichgewichts liegt der Druck im Membrantank 200 somit ebenfalls unterhalb der ersten Druckstufe PC₁ .
Je nach Umgebungsbedingungen wird, insbesondere im Stillstand des Fahrzeuges, die erste Druckstufe PC₁ nach einer gewissen Zeitspanne Δt wieder erreicht und die Ventile 100.1 und 12.1 sowie 12.2 werden wieder geöffnet.
Im Membrantank 200 ist, wie erläutert, im vorhergehenden ersten Öffnungstakt bereits eine Boil-Off-Menge eingeströmt. Jedoch besteht nach dem wiederholten Öffnen der Ventile 100.1 und 12.1 sowie 12.2 in einem zweiten Öffnungstakt zwischen dem Gleichgewichtsdruck im ersten Öffnungstakt und der ersten Druckstufe PC₁ erneut ein Druckunterschied ΔP.
Es versteht sich, dass der Druckunterschied ΔP im zweiten Öffnungstakt geringer ist als im ersten Öffnungstakt. Jedoch reicht der geringere Druckunterschied ΔP_100/200 des zweiten Öffnungstaktes aus, so dass auch über den geringeren Druckunterschied zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und Membrantank 200 ein kleine (gegenüber dem ersten Öffnungstakt kleinere) Boil-Off-Menge in den Membrantank 200 strömt, bis sich im ersten Absteuerpfad A1 wieder ein Gleichgewichtsdruck einstellt, der jedoch höher ist als der Gleichgewichtsdruck nach dem ersten Öffnungstakt.
Es wird deutlich, dass es innerhalb des ersten Verfahrensschrittes möglich ist, in Abhängigkeit der Anzahl der Öffnungstakte einen möglichst hohen Druck P_200Max geringfügig unterhalb des Drucks PC₁ der ersten Druckstufe im Membrantank 200 aufzubauen, der einen möglichst geringen Druckunterschied ΔP_100/200 zu dem Druck PC₁ der ersten Druckstufe im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 aufweist.
Nach dem letzten Öffnungstakt vergeht wiederum eine bestimmte Zeitspanne Δt, bis der Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 wieder den Druck PC₁ der ersten Druckstufe erreicht.
II: Absteuern einer zweiten Boil-Off-Menge aus dem Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in einer Turbopumpe 300:
Diese nach dem letzten Öffnungstakt durch die getaktete Absteuerung der Boil-Off-Menge im ersten Absteuerpfad A1 in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß zur Verfügung erzeugte Zeitspanne Δt (bis der Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 wieder den Druck der ersten Druckstufe PC₁ erreicht hat) wird ergänzt, indem durch den weiteren Verfahrensschritt noch zusätzliches Volumen für die Speicherung einer Boil-Off-Menge im Kraftstoff-Speicherbehälter 100 zur Verfügung gestellt wird, indem ein zweiter Absteuerpfad A2 ausgebildet ist.
Innerhalb des nachfolgend erläuterten Umlaufverfahrens wird in vorteilhafter Weise weiteres zusätzliches Volumen für die Speicherung einer Boil-Off-Menge im Kraftstoff-Speicherbehälter 100 zur Verfügung gestellt, um die Boil-Off-Mengen zurückzuverflüssigen, so dass eine weitere Entlastung des Druckaufbaus im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 bewirkt und somit eine Zeitspanne Δt gewonnen wird, bis wieder der Druck PC₁ der ersten Druckstufe im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 erreicht wird, so dass möglichst keine Boil-Off-Mengen in die Umgebung abgeblasen werden müssen.
In einem nächsten Schritt wird somit, nachdem wieder der Druck PC₁ der ersten Druckstufe erreicht ist, eine Boil-Off-Menge nicht in den Membrantank 200, sondern zu einer Turbinenseite T einer ersten Turbopumpe 300 abgeführt, wobei die Boil-Off-Menge zwischen Eintritt und Austritt einem Druck- und Temperaturgefälle unterliegt.
Dabei wird eine weitere Boil-Off-Menge über das geöffnete Durchgangs-Absperrventil 100.1 und das jetzt in Richtung der ersten Turbopumpe 300 geöffnete Mehrwege-Ventil 12.1 über die Leitung R12.1 zu der Turbinenseite T der ersten Turbopumpe 300 in dem zweiten Absteuerpfad A2 abgesteuert, das heißt abgeführt.
Das Mehrwege-Ventil 12.1 ist somit nicht nur zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und Membrantank 200 eingebunden, sondern ist zugleich zwischen dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und der ersten Turbopumpe 300 in die Leitung R12.1 eingebunden, so dass eine Boil-Off-Menge zu der Turbinenseite T der ersten Turbopumpe 300 über den zweiten Boil-Off-Pfad A2 abgeführt werden kann.
Somit steht (vergleiche 1) erfindungsgemäß neben einem ersten Boil-Off-Absteuerpfad A1 zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und Membrantank 200 ein weiterer Boil-Off-Absteuerpfad A2 zur Verfügung, welche in 1 mit den Bezugszeichen A1 und A2 versehen sind.
Es stehen erfindungsgemäß somit - kurz zusammengefasst - in vorteilhafter Weise zwei Boil-Off-Absteuerpfade A1 und A2 zur Entnahme von Boil-Off-Mengen zur Verfügung.
III: Teilverflüssigung der Boil-Off-Menge hinter der ersten Turbopumpe 300 in einem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter, einem so genannten Flashbehälter 301:
Die Druckabsenkung des den Druck des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 aufweisenden Boil-Off K_gasf in der Turbine T der ersten Turbopumpe 300 führt zur Temperaturabsenkung des Boil-Off und damit zu einer Teilverflüssigung des Boil-Off.
In vorteilhafter Weise wird die gasförmige Boil-Off-Menge K_gasf im Flashbehälter 301 von der flüssigen Boil-Off-Menge K_fl getrennt.
Erfindungsgemäß findet die Trennung des gasförmigen Boil-Off K_gasf und des verflüssigten Boil-Off K_fl , nachdem die gasförmige Boil-Off-Menge K_gasf stromab der ersten Turbopumpe 300 turbinenseitig T aus der Turbopumpe 300 geführt worden ist, in einem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter, insbesondere dem ersten Flashbehälter 301, statt, der sich an die Turbinenseite T der ersten Turbopumpe 300 anschließt.
Für die Zufuhr im Sinne einer Rückführung des verflüssigten Boil-Off K_fl in den Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 muss der Druck des verflüssigten Boil-Off K_fl erhöht werden, damit der Boil-Off K_fl in den Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 zurückgeführt werden kann, der unter einem höheren Druck steht, wie nachfolgend erläutert wird.
IV: Rückführung des teilverflüssigten Boil-Off K_fl aus dem ersten Flashbehälter 301 über die Turbopumpe 300 unter Druckerhöhung zu einer weiteren zweiten Turbopumpe 400 zur weiteren Druckerhöhung:
Die Rückführung des verflüssigten Boil-Off K_fl aus dem ersten Flashbehälter 301 erfolgt über eine Armatur, insbesondere ein Mischventil 33, welches in einer Rückführleitung R2 zwischen dem ersten Flashbehälter 301 und der Verdichter-Eingangsseite V der ersten Turbopumpe 300 angeordnet ist, wobei dem Mischventil 33 weiteres verflüssigtes Boil-Off K_fl von einem weiteren zweiten Verflüssigungs- und Sammelbehälter, insbesondere Flashbehälter 601, über eine Rückführleitung R3 zugeführt wird.
Im Mischventil 33 erfolgt eine Zusammenführung des flüssigen Boil-Off K_fl aus dem ersten Flashbehälter 301 und dem zweiten Flashbehälter und somit eine Zusammenführung des flüssigen Boil-Off K_fl des ersten und zweiten Absteuerpfades A1 und A2.
Die erste Druckerhöhung des verflüssigten Boil-Off K_fl ereignet sich somit auf der Verdichterseite V der ersten Turbopumpe 300.
Ein weiterer Druckaufbau des verflüssigten Boil-Off K_fl findet auf der Verdichterseite V in der zweiten Turbopumpe 400 statt, die über eine Rückführleitung R0 an die Verdichter-Ausgangsseite der ersten Turbopumpe 300 angebunden ist, so dass das verflüssigte Boil-Off K_fl zu der Verdichter-Eingangsseite der zweiten Turbopumpe 400 strömt.
Ausgangsseitig, das heißt druckseitig der Verdichterseite V der zweiten Turbopumpe 400, wird das jetzt über dem im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 liegenden Druck P₄₀₀ >PC₁ aufgeladene verflüssigte Boil-Off K_fl über die Rückführleitung R1 in den Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 zurückgeführt.
1 zeigt eine weitere Armatur, ebenfalls in der Art eines Mischventils 14, welches in geöffnetem Zustand eine Mischung der verflüssigten Boil-Off-Menge K_fl , die von der zweiten Turbopumpe 400 über die Rückführleitung R1 zu dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 strömt, und einer weiteren verflüssigten Boil-Off-Menge K_fl , die dem Mischventil 14 über eine Rückführleitung R6 von einer Fördereinrichtung 1100 zugeführt wird, herstellt.
Das heißt, das Mischventil 14 ist in die Rückführleitungen R1 und R6 zwischen der zweiten Turbopumpe 400 und dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und zwischen der Förderpumpe 1100 und dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 angeordnet, so dass die verflüssigten Boil-Off-Mengen K_fl gemeinsam dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 im ungemischten oder gemischten Zustand zugeführt werden können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für den Druckaufbau der zweiten Turbopumpe 400 über die Turbinenseite T der Druck der im Membrantank 200 gespeicherten Boil-Off-Menge K_gasf genutzt wird, wobei der Druckaufbau der Boil-Off-Menge K_gasf im Membrantank 200 in der vorherigen Beschreibung unter I: bereits erläutert worden ist.
V: Weitere Druckerhöhung des Drucks des Boil-Off im Membrantank 200 und Versorgung der zweiten Turbopumpe mit verdichtetem Boil-Off aus dem Membrantank 200:
In einem weiteren Schritt erfolgt eine weitere Druckerhöhung des Drucks des Boil-Off K_gasf im Membrantank 200. Da der Druck im Membrantank 200 stets unterhalb des Druckes der ersten Druckstufe PC₁ liegt, reicht der Druck für die notwendige Druckerhöhung des verflüssigten Boil-Off in der Verdichterseite V der zweiten Turbopumpe 400 nicht aus, jedoch ist der Membrantank 200 bereits druckseitig „voraufgeladen“, worin eine energetisch vorteilhafte Ausgestaltung des Kraftstoffversorgungssystems gefunden wurde.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Membrantank 200 mit einem externen Gastank 500 (Luft oder Stickstoffe oder ein anderes Gas) in Verbindung steht, der mit dem Membrantank 200 über eine Armatur 25, insbesondere ein Füllventil in einer Füllleitung (ohne Bezugszeichen), verbunden ist.
Vorgesehen ist, dass der externe Gastank 500 einen Fülldruck P₅₀₀ aufweist, der deutlich höher ist als der Druck der ersten Druckstufe PC₁ im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 beziehungsweise im Membrantank 200, in dem im Maximum der Druck PC₁ des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 vorliegt.
Der Druck im Gastank 500 kann an den Tankstellen durch einen Kompressor oder durch einen intern in einem Fahrzeug eingebauten Kompressor hergestellt werden.
Bei geöffnetem Füllventil 25 strömt das (Füll-)Gas in den Membrantank 200 um die Membran herum ein. Durch den höheren Druck des extern zugeführten Gases schrumpft die Membran beziehungsweise wird komprimiert und der Druck des Boil-Off K_gasf innerhalb der Membran erhöht sich in Abhängigkeit des Fülldruckes P₅₀₀ deutlich.
Der Fülldruck ist dabei so bemessen, dass die zweite Turbopumpe 400 über das in Richtung der Turbopumpe 400 geöffnete Mehrwege-Ventil 12.2 über die Leitung R12.2 turbinenseitig T betrieben werden kann, so dass in der zweiten Turbopumpe 400 der weitere Druckaufbau in der Verdichterstufe V, des von der Verdichterstufe V der ersten Turbopumpe 300 kommenden verflüssigten Boil-Off K_fl , durchgeführt werden kann. Es wird deutlich, dass auf diesem Weg über den ersten Absteuerpfad A1 eine gasförmige „voraufgeladene“ Boil-Off-Menge K_gasf aus dem Membrantank 200 entfernt wird, so dass der Membrantank 200 in vorteilhafter Weise wieder als Reservoir für K_gasf Boil-Off gemäß dem Schritt I zur Verfügung steht.
VI: Teilverflüssigung des Boil-Off K_gasf aus dem Membrantank 200 hinter der zweiten Turbopumpe 400 in einer weiteren dritten Turbopumpe 600:
Nach der zweiten Turbopumpe 400 hat das Boil-Off K_gasf ausgangsseitig der Turbine T der Turbopumpe 400 immer noch einen gewissen Restdruck. Der Restdruck des Boil-Off K_gasf wird in einer weiteren dritten Turbopumpe 600 abgebaut, indem das Boil-Off K_gasf auf die Turbine T der dritten Turbopumpe 600 geführt wird.
Dadurch wird analog zu der Beschreibung zu der Verflüssigung in der ersten Turbopumpe 300 eine Teilverflüssigung des Boil-Off durch Druckabsenkung bewirkt.
Die Turbinenausgangsseite der Turbine T der dritten Turbopumpe 600 steht mit dem zweiten Flashbehälter 601 in Fluid-Verbindung. Dort findet analog zu dem ersten Flashbehälter 301 die Trennung des gasförmig gebliebenen Boil-Off K_gasf und des verflüssigten Boil-Off K_fl statt.
In der 1 wird deutlich, dass das verflüssigte Boil-Off K_fl aus dem zweiten Flashbehälter 601 über die Rückführleitung R zu dem Mischventil 36 geleitet und mit dem verflüssigten Boil-Off K_fl stromab des ersten Flashbehälters 301 zusammengeführt und wie erläutert über die Rückführleitungen R2, R0, R1 unter Verdichtung in den Turbopumpen 300, 400 zu dem Mischventil 14 geführt wird.
VII: Zusammenführung des gasförmigen Boil-Off K_gasf aus den Flashbehältern 301 und 601 und Führung zu der Verdichterseite V der dritten Turbopumpe 600:
Das gasförmige Boil-Off K_gasf in dem ersten und zweiten Flashbehälter 301 und 601 wird über Abführleitungen R2' und R3' zu einer weiteren Armatur, insbesondere einem weiteren Mischventil 36, zusammengeführt und der Druck des gasförmigen Boil-Off-Gemischs K_gasf wird in der Verdichterseite V der dritten Turbopumpe 600 erhöht.
Durch die Zusammenführung der gasförmigen Boil-Off-Menge K_gasf aus dem ersten und zweiten Flashbehälter 301 und 601 kommt es auch zu der Zusammenführung der Absteuerpfade A1 und A2, wie anhand der Bezugszeichen A1/A2 stromab des Mischventils 36 verdeutlicht wird.
VIII: Führung des gasförmigen Boil-Off-Gemischs K_gasf zu einer Turbinenseite einer vierten Turbopumpe 700:
Der Druck des gasförmigen Boil-Off-Gemischs K_gasf stromab der Verdichterseite V der dritten Turbopumpe 600 wird auf der Turbinenseite T einer vierten Turbopumpe 700 abgebaut, wonach das gasförmige Boil-Off K_gasf in einem weiteren dritten Verflüssigungs- und Sammelbehälter, insbesondere dem Flashbehälter 701, weiter teilverflüssigt wird, wobei sich der Flashbehälter 701 an die Turbinenseite T der Turbopumpe 700 anschließt.
IX: Führung des gasförmigen Boil-Off-Gemischs K_gasf zu der Turbinenseite der vierten Turbopumpe 700 über einen Wärmeübertrager 800:
Dabei ist vorgesehen, dass das Boil-Off K_gasf , bevor es der Turbinenseite T der vierten Turbopumpe 700 zugeführt wird, über einen Wärmeübertrager 800 geleitet und abgekühlt wird, bevor der Druck in der vierten Turbopumpe 700 weiter gesenkt wird.
Das heißt, ein kleiner Teil des Boil-Off K_fl wird wiederum analog zu der Vorgehensweise in den anderen Turbopumpen 300, 400, 600 ebenfalls in einem der vierten Turbopumpe 700 zugeordneten dritten Flashbehälter 701 verflüssigt und über die Rückführleitung R4 der Verdichterseite V der Turbopumpe 700 zugeführt, die ausgangseitig der Verdichterseite V über eine Rückführleitung R5 mit der Fördereinrichtung 1100 in Verbindung steht.
X: Stromerzeugung mittels der restlichen gasförmigen Boil-Off-Menge K_gasf in einer Brennstoffzelle:
Es ist vorgesehen, dass die restliche gasförmige Boil-Off-Menge K_gasf aus dem dritten Flashbehälter 701 zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelleneinheit 900 genutzt und über eine Abführleitung R4' unter Aufschaltung auf den Wärmeübertrager 800 zu der Brennstoffzelleneinheit 900 geführt wird.
Der in der Brennstoffzelleneinheit 900 erzeugte Strom wird bevorzugt (wie in 1, Schalter S, Stellung S-I gezeigt) in eine Batterie 1000 eingespeist und gespeichert oder durch Umlegen des Schalters S (Stellung S-II in 1 nicht gezeigt) in das Stromnetz eingespeist.
In vorteilhafter Weise ist es dadurch einerseits möglich, beispielsweise wenn ein Fahrzeug, das heißt die Verbrennungskraftmaschine 1, außer Betrieb ist, für eine sehr lange Zeit den erzeugten Strom an die Batterie 1000 abzugeben.
Reicht die Kapazität der Batterie 1000 zur Stromspeicherung irgendwann nicht mehr aus, so dass die Verflüssigung des Boil-Off in den zuvor beschriebenen Schritten irgendwann nicht mehr möglich ist, müsste eine Boil-Off-Menge an die Atmosphäre abgegeben werden. Das heißt, die Verflüssigung des Boil-Off und die Stromspeicherung in eine Batterie 1000 ermöglicht einen langen aber nicht unbegrenzten Stillstand des Fahrzeuges.
Die Stromeinspeisung in ein Stromnetz 1001 ermöglicht in vorteilhafter Weise andererseits einen zeitlich unbegrenzten Stillstand des Fahrzeuges, ohne dass eine Boil-Off-Menge an die Atmosphäre abgegeben werden muss.
Zusätzlich wird noch ein externer Ladeanschluss (nicht dargestellt) für die Batterie 1000 vorgesehen, um auch ein externes Laden der Batterie 1000 zu ermöglichen.
XI: Druckerhöhung des hinter der vierten Turbopumpe 700 im dritten Flashbehälter 701 verflüssigten Boil-Off K_fl :
Die Druckerhöhung des im dritten Flashbehälter 701 verflüssigten Boil-Off K_fl findet unter Verwendung der bevorzugt von der Brennstoffzelleneinheit 900 mit Strom, insbesondere Antriebsstrom, versorgten Förderpumpe 1100 statt, die das verflüssigten Boil-Off K_fl dem Mischventil 14 (vergleiche IV:) zuführt.
Abschließend erfolgt, wie bereits erläutert, das Zusammenführen
XII: der verflüssigten Boil-Off-Menge K_fl des bei dem Mischventil 36 zusammengeführten ersten und zweiten Absteuerpfades A1, A2 aus dem dritten Verflüssigungs- und Sammelbehälter 701, das heißt die Rückführung über die Rückführleitung R5 zum Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 von der Verdichterseite V der vierten Turbopumpe 700 über die druckerhöhende Fördereinrichtung 1100 zu dem Mischventil 14 und abschließend in Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100,
mit
XIII: der verflüssigten Boil-Off-Menge K_fl bei dem Mischventil 33 zusammengeführten ersten und zweiten Absteuerpfade A1, A2 von der Verdichterseite V der zweiten Turbopumpe 400 zu dem Mischventil 14 und Rückführung über die Rückführleitung R1 der verflüssigten Gemisch-Boil-Off-Menge K_fl von der zweiten Turbopumpe 400 zu dem Mischventil 14 und abschließend in Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100.
Der Umlauf über die Turbopumpen 300, 400, 600, 700 beginnt erneut in Abhängigkeit des Erreichens des Druckes der ersten Druckstufe PC₁ innerhalb des Kraftstoff-Speicherbehälters 100 und nachdem der Membrantank 200 entsprechend im Schritt I druckseitig „voraufgeladen“ und im Schritt V druckseitig „nachgeladen“ worden ist.
Mit anderen Worten, der Umlauf über die Turbopumpen 300, 400, 600, 700 stellt einen diskontinuierlichen Vorgang dar, der stets spätestens dann stattfindet, wenn der Druck im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 und im Membrantank die erste Druckstufe PC₁ erreicht hat und eine weitere Möglichkeit zur Anführung einer Boil-Off-Menge K_gasf benötigt wird.
Für einen nächsten kaskadenartigen Umlauf über die Turbopumpen 300, 400, 600, 700 wird ein Teil des um die Membran vorhandenen Gases im Membrantank 200 durch eine Armatur, insbesondere durch einen Abgang 25.1 innerhalb des Füllventils 25, in die Umgebung abgeblasen, damit der äußere Druck um die Membran sinkt und gasförmiges Boil-Off K_gasf wieder gemäß Schritt I: innerhalb des ersten Boil-Off-Pfades A1 (vergleiche 1) vom Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 in den Membrantank 200 strömen kann.
Die zweite, durch das Druckmessgerät 100.2 überwachte Druckstufe PC₂ innerhalb des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 wird jetzt im Unterschied zu herkömmlichen Kraftstoffversorgungssystemen nicht mehr als Boil-Off-Pfad benötigt, sondern erfüllt nur noch eine Sicherheitsfunktion.
Bei einem etwaigen unkontrollierbaren Druckanstieg im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 wird eine Boil-Off-Menge K_gasf durch das Sicherheitsventil 100.3 in die Umgebung abgeblasen, um eine Zerstörung des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 in jedem Fall zu verhindern.
Die Zeit bis zum Erreichen des Auslegungsdrucks (PC₁ ) des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters 100 und damit die Haltezeit beziehungsweise Standzeit, das heißt der Zeitpunkt, an dem Methan als Boil-Off K_gasf an die Atmosphäre abgegeben werden muss, wird gegenüber Systemen ohne die erläuterten Komponenten und die zugehörigen Verfahrensschritte maßgeblich bis gegebenenfalls unbegrenzt verlängert.
Als Vorrichtung zur Verdichtung des Drucks im Membrantank 200 wird ein Kompressor, vorzugsweise ein Kolbenkompressor, verwandt.
Die Vorrichtung zur Leistungserzeugung, das heißt die Verbrennungskraftmaschine 1 (zum Beispiel Hubkolbenmotor, Gasturbine), kann ihre Leistung direkt mechanisch zum Beispiel über eine Welle und ein Getriebe an die Vorrichtung zur Verdichtung des Drucks im Membrantank 200 weitergeben.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 (zum Beispiel Hochtemperaturbrennstoffzelle, Gasturbine oder Hubkolbenmotor mit angeschlossenem Generator) kann aber auch Strom erzeugen, der einen Elektromotor antreibt, der die Vorrichtung zur Verdichtung des Drucks im Membrantank 200 betreibt.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird ein großer Teil des Boil-off K_gasf wieder verflüssigt und wieder in den LNG-Tank 100 zugeführt. Das führt zu einer deutlich langen Standzeit.
Die Haltezeit (hinsichtlich des Abblasens einer gasförmigen Boil-Off-Menge) des LNG-Tanks 100 wird unbegrenzt verlängert. Ein Abblasen von Methan gegen die Atmosphäre ist nicht mehr notwendig. Ein großer Teil des rückverflüssigten gasförmigen Boil-Off K_fl wird in vorteilhafter Weise in der ursprünglichen Form (LNG) wieder im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter 100 gespeichert und ein kleiner(er) Teil des Boil-Off K_gasf wird bevorzugt gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel in Strom umgewandelt. Es versteht sich, dass die Umwandlung der gasförmigen Boil-Off-Menge K_gasf in Strom mittels der Komponente 900 eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt und nicht zwingend angeordnet beziehungsweise deren Verfahrensschritte nicht ausgeführt werden müssen. Diese Komponenten und Verfahrensschritte sind unabhängig von der erfindungsgemäßen Technologie unter Nutzung des Membrantanks 200 und des Gastanks 500 zur Rückverflüssigung des gasförmigen Boil-Off K_gasf in flüssiges Boil-Off K_fl , komplettieren das System und das Verfahren jedoch in vorteilhafter Weise.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
1.1: Expansionsventil
1.2: Wärmeübertrager
K: Kraftstoff
Kfl: Kraftstoff in flüssiger Phase
Kgasf: Kraftstoff in gasförmiger Phase
PC1: Druck, erste Druckstufe
PC2: Druck, zweite Druckstufe
100: Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter
100.1: Armatur, Absperrventil
100.2: Druckmessgerät
100.3: Sicherheitsventil
200: Membrantank
300: erste Turbopumpe
301: erster Verflüssigungs- und Sammelbehälter (Flashbehälter)
400: zweite Turbopumpe (ohne Rückverflüssigungsbehälter)
500: Gastank
P500: Fülldruck
600: dritte Turbopumpe
601: zweiter Verflüssigungs- und Sammelbehälter (Flashbehälter)
700: vierte Turbopumpe
701: dritter Verflüssigungs- und Sammelbehälter (Flashbehälter)
800: Wärmeübertrager
900: Brennstoffzelleneinheit
1000: Batterie
1000': externer Ladeanschluss der Batterie
1001: Anschluss Stromeinspeisung in ein externes Netz
S: Schalter
S-I: Schalterstellung zu 1000
S-II: Schalterstellung zu 1001
1100: Fördereinrichtung
V: Verdichterseite, jeweilige Verdichterstufe der Turbopumpe
T: Turbinenseite, jeweilige Turbinenstufe der Turbopumpe
P200Max: maximaler Druck im Membrantank
ΔP: Druckdifferenz
ΔP100/200: Druckdifferenz zwischen Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter und Membrantank
P400: Druck hinter Verdichterseite V der zweiten Turbopumpe 400
12.1: Armatur, Mehrwege-Ventil
12.2: Armatur, Mehrwege-Ventil
14: Armatur, Mischventil
25: Armatur, Füllventil
25.1: Abgang
33: Armatur, Mischventil
36: Armatur, Mischventil
A1: erster Absteuerpfad
A2: zweiter Absteuerpfad
12: Verbindungsleitung
R12.1: Verbindungsleitung
R12.2: Verbindungsleitung
Rn: Rückführleitung (n-te)
R0: Rückführleitung
R1: Rückführleitung
R2: Rückführleitung
R3: Rückführleitung
R4: Rückführleitung
R5: Rückführleitung
R6: Rückführleitung
R2': Abführleitung
R3': Abführleitung
R4': Abführleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2003389 A2 [0013]
DE 102016014927 A1 [0014]
DE 102016002316 A1 [0015]

Claims

Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem gasförmigen Kraftstoff (K_gasf), der in einem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) als flüssiger Kraftstoff (K_fl) bevorratet ist, wobei sich im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) eine aus dem flüssigen Kraftstoff (K_fl) verdampfte Gasmenge (Boil-Off, K_gasf) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffversorgungssystem • einen gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) zwischenspeichernden Kraftstoff-Speicherbehälter (200) in der Art eines Membrantanks aufweist, der mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (200) und mit einem Gastank (500) in Fluid-Fluid-Verbindung steht, und • eine erste Turbopumpe (300) in einer Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) in Fluid-Verbindung steht, und • eine zweite Turbopumpe (400) in der Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Membrantank (200) in Fluid-Verbindung steht, wobei • zumindest eine der Turbopumpen (300, 400, 600, 700) der Turbopumpe-Kaskadenschaltung mit einem Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) in Fluid-Verbindung steht, wobei • der mindestens eine Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) über mindestens eine Rückführleitung (Rn) mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) verbunden ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) und dem Membrantank (200) und dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) und der ersten Turbopumpe (300) in einer ersten Kaskadenstufe eine Armatur (12.1) angeordnet ist, mittels der Boil-Off-Mengen in zwei Pfaden (A1, A2) aus dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) entweder zum Membrantank (200) oder zu einer Turbinenseite (T) der ersten Turbopumpe (300) in einem ersten und zweiten Absteuerpfad (A1, A2) absteuerbar sind.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Armatur (12.1) und dem Membrantank (200) eine Armatur (12.2) angeordnet ist, mittels der eine Boil-Off-Menge innerhalb des ersten Absteuerpfades (A1) in den Membrantank (200) und aus dem Membrantank (200) zu einer Turbinenseite (T) der zweiten Turbopumpe (400) absteuerbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite (T) der ersten Turbopumpe (300) mit einem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301) in Fluid-Verbindung steht, in dem die Boil-Off-Menge (K_gasf) des zweiten Pfades (A2) zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei der erste Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301) auf seiner verflüssigtes Boil-Off aufweisenden Austrittseite über eine Rückführleitung (R2) mit der Verdichterseite (V) der ersten Turbopumpe (300) verbunden ist, wobei der erste Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301) auf seiner gasförmiges Boil-Off (K_gasf) aufweisenden Austrittseite mit seiner Abführleitung (R2') über eine Armatur (36) mit der Verdichterseite (V) einer dritten Turbopumpe (600) verbunden ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterseite (V) der ersten Turbopumpe (300) in einer ersten Kaskadenstufe mit der Verdichterseite (V) der zweiten Turbopumpe (400) über eine Rückführleitung (R0) verbunden ist, wobei die zweite Turbopumpe (400) eine zweite Kaskadenstufe bildet.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterseite (V) der zweiten Turbopumpe (400) eine erste Rückführleitung (R1) zu dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) aufweist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite (T) der zweiten Turbopumpe (400), in welche eine der Boil-Off-Mengen im ersten Pfad (A1) abgesteuert wird, mit einer Turbinenseite (T) einer dritten Turbopumpe (600) in Fluid-Verbindung steht, die eine dritte Kaskadenstufe bildet.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite (T) der dritten Turbopumpe (600) mit einem zweiten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (601) in Fluid-Verbindung steht, in dem die Boil-Off-Menge (K_gasf) des ersten Absteuerpfades (A1) zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei der zweite Verflüssigungs- und Sammelbehälter (601) auf seiner verflüssigtes Boil-Off (K_fl) aufweisenden Austrittseite mit seiner Rückführleitung (R3) mit einer Rückführleitung (R2), die zwischen dem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301), in dem die Boil-Off-Menge (K_gasf) des zweiten Absteuerpfades (AA) zumindest teilweise verflüssigt wird, und der Verdichterseite (V) der ersten Turbopumpe (300) verläuft, in Fluid-Verbindung steht, wobei der zweite Verflüssigungs- und Sammelbehälter (601) auf seiner gasförmiges Boil-Off (K_gasf) aufweisenden Austrittseite mit seiner Abführleitung (R3') über die Armatur (36) mit der Verdichterseite (V) der dritten Turbopumpe (600) verbunden ist, so dass die gasförmigen Boil-Off-Mengen (K_gasf) in den Absteuerpfaden (A1, A2) über die Abführleitungen (R2', R3') zu der Armatur (36) geführt und zusammengeführt sind.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterseite (V) der dritten Turbopumpe (600), in welche eine der Boil-Off-Mengen im ersten Absteuerpfad (A1) abgesteuert wird, unter Zwischenschaltung eines Wärmeübertragers (800) mit einer Turbinenseite (T) einer vierten Turbopumpe (700) in Fluid-Verbindung steht und eine vierte Kaskadenstufe bildet.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite (T) der vierten Turbopumpe (700) mit einem dritten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (701) in Fluid-Verbindung steht, in dem die Boil-Off-Menge (K_gasf) des ersten Pfades (A1) zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei der dritte Verflüssigungs- und Sammelbehälter (701) auf seiner verflüssigtes Boil-Off aufweisenden Austrittseite mit seiner Rückführleitung (R4) mit einer Verdichterseite (V) der vierten Turbopumpe (700) verbunden ist, wobei die Verdichterseite (V) der vierten Turbopumpe (700) über eine Rückführleitung (R5) mit einer Fördereinrichtung (1100) in Fluid-Verbindung steht, die druckseitig über eine Rückführleitung (R6) mit der Rückführleitung (R1) in Fluid-Verbindung steht, wobei die Fluid-Verbindung zwischen den Rückführleitungen (R1, R6) über eine Armatur (14) gebildet ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verflüssigungs- und Sammelbehälter (701) auf seiner gasförmiges Boil-Off (K_gasf) aufweisenden Austrittseite mit seiner Abführleitung (R4') über den Wärmetauscher (800) zu einer Brennstoffzelleneinheit (900) geführt ist, wobei der in der Abführleitung (R4') der Brennstoffzelleneinheit (900) erzeugte Strom zur antriebsseitigen Versorgung einer Fördereinrichtung (1100) oder zum Laden einer Batterie (1000), die insbesondere einen eigenen externen Ladeanschluss (1001') aufweist, oder über einen Anschluss zur Stromeinspeisung (1001) zur Einspeisung in ein Stromnetz zur Verfügung steht.
Verfahren zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) mittels eines Kraftstoffversorgungssystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, der in einem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter(100) als flüssiger Kraftstoff (K_fl) bevorratet ist, wobei sich im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) eine aus dem flüssigen Kraftstoff (K_fl) verdampfte Gasmenge (Boil-Off, K_gasf) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffversorgungssystem • einen gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) zwischenspeichernden Kraftstoff-Speicherbehälter (200) in der Art eines Membrantanks aufweist, der mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (200) und mit einem Gastank (500) in Fluid-Verbindung steht, so dass diskontinuierlich eine erste Boil-Off-Menge (K_gasf) über einen ersten Absteuerpfad (A1) in den Membrantank (200) eingespeist wird, und • eine erste Turbopumpe (300) in einer Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) in Fluid-Verbindung steht, so dass diskontinuierlich eine zweite Boil-Off-Menge (K_gasf) über einen zweiten Absteuerpfad (A2) in die erste Turbopumpe (300) eingespeist wird, und • eine zweite Turbopumpe (400) in der Turbopumpe-Kaskadenschaltung aufweist, die mit dem Membrantank (200) in Fluid-Verbindung steht, so dass die erste Boil-Off-Menge (K_gasf) innerhalb des ersten Pfades (A1) aus dem Membrantank (200) diskontinuierlich in die zweite Turbopumpe (400) eingespeist wird, wobei • der Membrantank (200), der mit dem Gastank (500) in Fluid-Verbindung steht, diskontinuierlich einen Druck (P₅₀₀) im Membrantank (200) erzeugt, der größer ist als der Druck einer ersten vorgebbaren Druckstufe (PC₁) innerhalb des Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälters (100), wodurch die Turbopumpe-Kaskadenschaltung mittels des durch den Gastank (500) aufgeladenen Membrantanks (200) über die zweite Turbopumpe (400) druckseitig aufgeladen wird, und • zumindest eine der Turbopumpen (300, 400, 600, 700) mit einem Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) in Fluid-Verbindung steht, in dem zumindest teilweise verflüssigtes Boil-Off (K_fl) von gasförmigem Boil-Off (K_gasf) getrennt wird, und • der mindestens eine Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) über eine Rückführleitung (Rn) mit dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) verbunden ist, so dass die über die Absteuerpfade (A1, A2) in die Turbopumpen-Kaskadenschaltung eingespeisten gasförmigen Boil-Off-Mengen (K_gasf) und die in dem mindestens einen Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301, 601, 701) aufgefangenen verflüssigten Boil-Off-Mengen(K_fl) in den Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) zurückgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Boil-Off-Menge über die Pfade (A1, A2) entweder zum Membrantank (200) oder zu einer Turbinenseite (T) der ersten Turbopumpe (300) über eine zwischen dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) und Membrantank (200) und dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) und der ersten Turbopumpe (300) angeordnete Armatur (12.1) diskontinuierlich und nacheinander abgesteuert und in einem stets von Neuem beginnenden Umlaufverfahren mittels des Kraftstoffversorgungssystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 rückverflüssigt und wieder dem Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 umfassend folgende Schritte, I: Absteuern einer Boil-Off-Menge (K_gasf) über den ersten Absteuerpfad (A1) in den Membrantank (200) unter anschließender Aufladung (Druckerhöhung) des beim Absteuern voraufgeladenen Membrantanks (200) mittels eines externen Gastanks (500), und II: Absteuern einer zweiten Boil-Off-Menge (K_gasf) über den zweiten Pfad (A2) in eine Turbinenseite (T) der ersten Turbopumpe (300), und III: Teilverflüssigen der ersten Boil-Off-Menge (K_gasf) im zweiten Absteuerpfad (A2) stromab der Turbinenseite (T) in der ersten Turbopumpe (300) in einem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301), und IV: Rückführen des teilverflüssigten Boil-Off (K_fl) im zweiten Absteuerpfad (A2) aus dem ersten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (301) über eine Verdichterseite (V) der ersten Turbopumpe (300) unter Druckerhöhung zu einer Verdichterseite (V) einer zweiten Turbopumpe (400) zur weiteren Druckerhöhung des Boil-Off des zweiten Absteuerpfades (A2) in der zweiten Turbopumpe (400), und V: Versorgen der Turbinenseite (T) der zweiten Turbopumpe (400) mit im ersten Absteuerpfad (A1) gemäß Schritt I: verdichtetem voraufgeladenen und nachaufgeladenden Boil-Off (K_gasf) aus dem Membrantank (200), VI: Teilverflüssigen des Boil-Off im ersten Pfad (A1) aus dem Membrantank (200) hinter der Turbinenseite (T) der zweiten Turbopumpe (400) mittels einer hinter die zweite Turbopumpe (400) geschalteten dritten Turbopumpe (600), der auf ihrer Turbinenseite (T) ein Verflüssigungs- und Sammelbehälter (601) zugeordnet ist, und VII: Zusammenführen des gasförmigen Boil-Off (K_gasf) aus den Verflüssigungs- und Sammelbehältern (301, 601) des ersten und zweiten Absteuerpfades (A1, A2) über ein Mischventil (36) und Führung zu einer Verdichterseite (V) der dritten Turbopumpe (600) sowie Zusammenführen des flüssigen Boil-Off (K_fl) aus den Verflüssigungs- und Sammelbehältern (301, 601) des ersten und zweiten Pfades (A1, A2) über ein Mischventil (33) und Führung zu einer Verdichterseite (V) der ersten Turbopumpe (300) mit anschließender Verdichtung auf der jeweiligen Verdichterseite (V) der ersten und zweiten Turbopumpe (300, 400) auf einen Druck (P₄₀₀) oberhalb des eines Druckes (PC₁) im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) und Rückführung zum Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) über ein Mischventil (14), VIII: Führen des gasförmigen Boil-Off-Gemischs (K_gasf) des ersten und zweiten Absteuerpfades (A1, A2) aus den Verflüssigungs- und Sammelbehältern (301, 601) zu einer Turbinenseite (T) einer vierten Turbopumpe (700), IX: Führen des gasförmigen Boil-Off-Gemischs (K_gasf) des ersten und zweiten Absteuerpfades (A1, A2) zu der Turbinenseite (T) der vierten Turbopumpe (700) über einen Wärmeübertrager (800) und anschließend zu einer Brennstoffzelleneinheit (900), und X: Erzeugen von Strom mittels der gasförmigen Boil-Off-Menge (K_gasf) in der Brennstoffzelleneinheit (900), und XI: Druckerhöhen des hinter der vierten Turbopumpe (700) im dritten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (701) verflüssigten Boil-Off (K_fl) hinter der Verdichterseite (V) der vierten Turbopumpe (700) mittels einer den Druck über einen im Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100) vorliegenden Druck (PC₁) druckerhöhenden Fördereinrichtung (1100), XII: Zusammenführen der verflüssigten Boil-Off-Menge (K_fl) des im Mischventil (36) zusammengeführten ersten und zweiten Absteuerpfades (A1, A2) aus dem dritten Verflüssigungs- und Sammelbehälter (701), mit XIII: der verflüssigten Boil-Off-Menge (K_fl) des im Mischventil (33) zusammengeführten ersten und zweiten Absteuerpfades (A1, A2) im Mischventil (14) und Rückführung der verflüssigten Boil-Off-Menge (K_fl) in Flüssig-Kraftstoff-Speicherbehälter (100).