DE19605405C1 - Methanspeicheranlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Methanspeicheranlage mit ei­ nem Methan-Druckspeichertank und Mitteln zur steuerbaren Entnah­ me von Methan aus dem Druckspeichertank. Derartige Anlagen fin­ den beispielsweise für methangasbetriebene Kraftfahrzeuge Ver­ wendung.

Herkömmlicherweise wird Methan für den Fahrzeugbetrieb entweder mittels Druckgasspeicherung oder mittels Speicherung in verflüs­ sigter, kühl gehaltener Form bevorratet. Bekannt ist dabei zum einen die Speicherung bei Drücken bis etwa 300 bar in speziellen Druckgasbehältern aus Aluminium, die mit Hilfe einer faserver­ stärkten Kunststoffbeschichtung druckfest gemacht werden. Selbst bei diesen hohen Drücken ist allerdings die Methanspeicherdichte im Vergleich zur Kraftstoff-Flüssigspeicherung gering. Außerdem stellen diese hohen Drücke ein entsprechendes Sicherheitsrisiko gerade auch beim Einsatz in Kraftfahrzeugen dar. Andererseits kann flüssiges Methan nur in sehr gut wärmeisolierten Kryotanks längere Zeit gelagert werden, wobei dennoch die Abdampfverluste ca. 2% pro Tag betragen. Zudem wird zur Methanverflüssigung ein Energiebetrag benötigt, der ca. 21% der Energie des gespeicher­ ten Methans beträgt. Tiefkaltes, flüssiges Methan stellt außer­ dem ein Gefahrgut dar, das entsprechende Sorgfalt im Umgang er­ fordert.

In der Offenlegungsschrift DE 29 23 561 A1 wird ein Methandruck­ behälter für Kraftfahrzeuge beschrieben, der mit einem Methan adsorbierenden bzw. anlagernden Feststoff befüllt ist und in dem das Methan unter einem Druck von bis zu etwa 15 bar gespeichert wird. Zur Methanentnahme ist der Druckbehälter beheizbar ausge­ legt, wobei unter Beheizung die Freisetzung des Methans im Be­ hälter erfolgt, das anschließend dem Kraftfahrzeugmotor als Brennstoff zugeführt werden kann. Eine ähnliche Methanspeicher­ anlage mit einem Druckbehälter mit Adsorbermaterialfüllung ist in der Offenlegungsschrift DT 23 02 403 offenbart.

Es ist generell bekannt, daß Methan in Kohlenwasserstoff-Flüs­ sigkeiten gelöst werden kann, wobei die Löslichkeit im allgemei­ nen um so größer ist, je höher der Druck, je tiefer die Tempera­ tur und je ähnlicher die Flüssigkeit dem Methan ist. So lassen sich beispielsweise Propan und Butan bei Raumtemperatur unter Druck bzw. bei relativ hohen Temperaturen drucklos verflüssigen und sind beide dem Methan chemisch und hinsichtlich des Molekül­ volumens sehr ähnlich. Adsorptionsspeicher, bei denen Methan in einem flüssigen Propan/Butan-Gemisch, sogenanntem Flüssiggas, bei tiefen Temperaturen zwischen etwa -16°C bis etwa -60°C und mittleren Drücken bis etwa 50 bar gelöst gespeichert wird, wer­ den in Erdgasversorgungsnetzen zum Tag/Nacht-Ausgleich einge­ setzt. Wie in dem Aufsatz H.W. Backhaus, Speicherung von Erdgas durch Adsorption in flüssigem Propan/Butan, gwf - gas/erdgas 112 (1971), Seite 37 berichtet wird, läßt sich bei -17°C und 40 bar im gleichen Volumen die doppelte Menge Methan speichern wie bei reiner Druckgasspeicherung.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Methanspeicheranlage zugrunde, mit der Methan mit relativ geringem Aufwand praktisch unbegrenzt lange bei nicht sehr hohen Drücken mit hoher Speicherdichte bevorratet werden kann.

Dieses Problem wird durch eine Methanspeicheranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei dieser Anlage sind die Vorteile einer Druckgasspeicherung, nämlich lange Speicherbar­ keit unter Umgebungstemperaturbedingungen durch eine relativ einfache Technik, mit den Vorteilen einer Adsorptionsspeiche­ rung, nämlich hohe Speicherfähigkeit bei mittleren Drücken, kom­ biniert. Dazu enthält der verwendete Methan-Druckspeichertank das Methan in einer Kohlenwasserstoffflüssigkeit unter Umge­ bungstemperaturbedingungen und einem mäßigen Druck von höchstens etwa 120 bar gelöst. Es sind daher weder die bei reiner Druck­ gasspeicherung verwendeten hohen Drücke von etwa 300 bar, noch aufwendige Kühlungsmaßnahmen für den Druckspeichertank erforder­ lich. Die Methanentnahme erfolgt vorteilhafterweise nicht durch eine Beheizung des Druckspeichertanks, sondern mittels eines hierzu vorgesehenen Verdampfers außerhalb des Druckspeicher­ tanks. In diesem Methanentnahme-Verdampfer wird aus dem Kohlen­ wasserstoffflüssigkeit/Methan-Gemisch, das vom Druckspeichertank zugeführt wird, das Methan bei einer Temperatur kleiner als der­ jenigen im Druckspeichertank und damit kleiner als der jeweili­ gen Umgebungstemperatur freigesetzt. Die Wahl dieser tieferen Temperatur für den das Methan freisetzenden Verdampfungsvorgang begünstigt die Abtrennung des Methans von der Kohlenwasserstoff­ flüssigkeit.

Wenn der Methanentnahme-Verdampfer mit einer umgebenden Wärme­ isolation versehen ist, wie in Anspruch 2 angegeben, kann die gegenüber der Umgebungstemperatur tiefere Temperatur im Verdamp­ fer schon allein durch die Wirkung der Verdampfungswärme des freigesetzten Methans und gegebenenfalls eines verdampfenden Teils der hindurchgeleiteten Kohlenwasserstoffflüssigkeit gehal­ ten werden, ohne daß aktive Kühlmaßnahmen erforderlich sind, was zu einer günstigen Energiebilanz der Anlage führt.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 befindet sich vor dem Methanentnahme-Verdampfer ein Wärmetauscher, mit dem das dem Verdampfer zugeleitete Kohlenwasserstoffflüssig­ keit/Methan-Gemisch vorgekühlt wird, indem es Wärme auf den aus dem Verdampfer austretenden, abgekühlten und methanabreicherten Flüssigkeitsstrom überträgt, der in den Druckspeichertank zu­ rückgeleitet wird.

Eine nach Anspruch 4 weitergebildete Methanspeicheranlage hat den Vorteil, daß nicht nur das Methan sondern bei Bedarf auch die Kohlenwasserstoffflüssigkeit als Brennstoff für den An­ triebsmotor des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann, wodurch sich beispielsweise die Reichweite des Fahrzeugs zwischen zwei Nachtankvorgängen erhöhen läßt.

Als Kohlenwasserstoffflüssigkeit eignet sich beispielsweise be­ sonders gut ein flüssiges Propan/Butan-Gemisch, wie in Anspruch 5 angegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Methan­ speicheranlage für ein Kraftfahrzeug.

Bei der gezeigten Methanspeicheranlage wird ein flüssiges Pro­ pan/Butan-Gemisch, d. h. sogenanntes Flüssiggas (1), in einem Druckspeichertank (2), der auf einen Druck von bis zu etwa 120 bar ausgelegt ist, als Methanlösemittel vorgelegt. Über eine Zu­ leitung (3) wird bei Umgebungstemperatur Methan höchstens bis zum Auslegungsdruck des Speichertanks (2) in das Flüssiggas (1) eingedrückt und dadurch gelöst.

Der Energieinhalt des solchermaßen befüllten Methan-Druckspei­ chertanks (2) ist deutlich höher als der eines nur mit unter Druck stehendem Methan befüllten Druckgasbehälters bei gleichem Volumen und Druck. Zum Beispiel beträgt bei 100 bar die Gesamt­ energiedichte eines Gemischs von in Butan gelöstem Methan 20 091 kJ/l mit einem Methananteil von 17%, d. h. 4799 kJ/l, während die Energiedichte von Methan als Druckgas bei diesem Druck lediglich 3366 kJ/l beträgt. Dies ergibt einen Verdichtungsfaktor für das Methan im vorliegenden Speichertank (2) von 1,43. Für einen Speicherdruck von 120 bar nimmt die Gesamtspeicherdichte wegen der geringeren Menge an Butan ab, während der Methananteil auf 32% ansteigt. Der Verdichtungsfaktor beträgt in diesem Fall 1,44.

Beim Nachtanken wird in einer ersten Alternative zuerst das im Betrieb verbrauchte Flüssiggas ergänzt und anschließend das im Speichertank (2) vorgelegte Flüssiggas (1) über die Zuleitung (3) mit Methan beladen. In einer zweiten Alternative kann die Betankung mit dem fertigen Flüssiggas/Methan-Gemisch über eine entsprechende Zuleitung (4) erfolgen, was in wesentlich kürzerer Zeit bewerkstelligt werden kann als die Betankung mit gasförmi­ gem Methan.

Um das im Druckspeichertank (2) bevorratete Methan entnehmen zu können, wird das flüssige Flüssiggas/Methan-Gemisch über eine Entnahmeleitung (5) dem Speichertank (2) entnommen und über ei­ nen Wärmetauscher (6) einem Methanentnahme-Verdampfer (7) zuge­ führt. Der Verdampfer ist von einer Wärmeisolierung (8) umgeben. Durch den Entzug des Methans und ggf. eine teilweise Verdampfung des Flüssiggases in dem wärmeisolierten Verdampfer (7) kühlen sich der Verdampfer (7) und die hindurchgeleitete Flüssigkeit ab. Nach Entnahme des im Verdampfer (7) freigesetzten Methans wird der methanabgereicherte Flüssigkeitsstrom über den Wärme­ tauscher (6) und einen Einlaß (14) mittels einer Pumpe (9) wie­ der in den Druckspeichertank (2) zurückgepumpt. Im Wärmetauscher (6) findet eine Wärmeübertragung zwischen dem Flüssiggas/Methan-Ge­ misch, das dem Verdampfer (7) zugeführt wird, und dem aus dem Verdampfer (7) austretenden, methanabgereicherten Flüssigkeits­ strom statt, mit welchem das dem Verdampfer (7) zugeführte Ge­ misch vorgekühlt wird, während die abgekühlt aus dem Verdampfer (7) austretende, in den Druckspeichertank (2) zurückzufördernde Flüssigkeit wieder erwärmt wird. Das im Verdampfer (7) freige­ setzte Methan wird über eine Verdampferauslaßleitung (15) in ei­ ne Kraftstoffzuleitung (13) für den Kraftfahrzeugmotor eingelei­ tet.

Um wahlweise neben dem Methan auch das Flüssiggas als Motor­ kraftstoff einsetzen zu können, ist eine zweite Entnahmeleitung (16) vorgesehen, mit der über eine Entnahmestelle (10) mittels einer Pumpe (12) das flüssige Flüssiggas/Methan-Gemisch aus dem Druckspeichertank (2) heraus zu einem heizbaren Verdampfer (11) gefördert wird. Die Beheizung dieses Verdampfers (11) erfolgt in einer beliebigen, herkömmlichen Weise und ist daher in der Figur lediglich durch eine zuführende und eine abführende Heizleitung angedeutet. Im aktiven Betrieb wird dieser Verdampfer (11) so beheizt, daß das Flüssiggas/Methan-Gemisch insgesamt verdampft und als brennbares Gasgemisch über eine Verdampferauslaßleitung (17) in die Kraftstoffzuleitung (13) des Motors eingespeist wird. Eine wahlweise zusätzliche Nutzung des Flüssiggases als Kraftstoff ist beispielsweise sinnvoll, um das Fahrzeug einer­ seits innerorts besonders abgasarm allein mit dem Methan betrei­ ben zu können, andererseits aber auch größere Überlandstrecken befahren zu können, in denen keine Möglichkeit einer Methan­ nachtankung besteht, wozu dann das Flüssiggas als Brennstoff eingesetzt wird. Es versteht sich, daß die Methanspeicheranlage herkömmliche und daher nicht explizit gezeigte Steuerungsmittel umfaßt, welche die Steuerung der Anlage und insbesondere auch die Umstellung zwischen dem reinen Methanbetrieb und dem Flüs­ siggasbetrieb steuern.

Die Verwendung des wärmeisolierten Methanentnahme-Verdampfers (7) hat gegenüber einer ansonsten in Betracht kommenden, direk­ ten Entnahme von Methan aus dem Gasraum im Druckspeichertank (2) über dem Flüssigkeitsspiegel des vorgelegten Flüssiggases den Vorteil, daß eine verbesserte Methanabtrennung von dem Flüssig­ gas möglich ist. Die Anforderungen für eine gute Abtrennung lie­ gen darin, daß in der Gasphase ein möglichst hoher Anteil an Methan vorliegen sollte, um den Austrag an flüssiger Phase mög­ lichst gering zu halten, und daß der Methananteil möglichst kon­ stant sein sollte, um die Regelung des Kraftfahrzeugmotors auf unterschiedliche Gemischzusammensetzung einfach zu halten. Nun nimmt jedoch der Methananteil mit steigender Verdampfungstempe­ ratur ab. Bei einer Verdampfungstemperatur von -16°C beträgt er beispielsweise 95 Mol-%, bei einer Verdampfungstemperatur von 20°C hingegen nur noch 87 Mol-%. Außerdem ändert sich die Gaszu­ sammensetzung im Druckbereich zwischen 100 bar und 20 bar bei -16°C lediglich um ± 3,5%, bei 20°C hingegen um ± 14,9%. Mit Hil­ fe des separaten, wärmeisolierten Methanentnahme-Verdampfers (7) ist es möglich, den Methanentzug durch Verdampfung bei einer tiefen Temperatur unterhalb der Umgebungstemperaturen, die im Fahrzeugbetrieb auftreten können, durchzuführen, so daß das Me­ than sehr gut vom Flüssiggas abgetrennt werden kann, ohne daß es hierzu erforderlich ist, den Methan-Druckspeichertank (2) auf einer derartig tiefen Temperatur zu halten. Aufwendige Kühlmaß­ nahmen für den Druckspeichertank (2) sind daher nicht erforder­ lich, was insbesondere bei Verwendung der Methanspeicheranlage im Kraftfahrzeug von beträchtlichem Vorteil ist. Durch die Wär­ meisolation (8), die den Methanentnahme-Verdampfer (7) umgibt, läßt sich ein merklicher Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Verdampfer (7) vermeiden, so daß dieser aufgrund der durch den Verdampfungsvorgang entstehenden Abkühlung ohne aktive Kühlmaß­ nahmen auf der gewünschten, gegenüber der Umgebungstemperatur geringeren Temperatur gehalten werden kann. Der Wärmeeintrag in diesen Verdampfer (7) durch das zugeführte Flüssiggas/Methan-Ge­ misch wird mittels dessen Vorkühlung im vorgeschalteten Wärme­ tauscher (6) gering gehalten.

Es versteht sich, daß die Erfindung neben der gezeigten zahlrei­ che weitere, modifizierte Methanspeicheranlagen umfaßt, bei­ spielsweise solche, bei denen auf den Wärmetauscher (6) oder auf die zusätzliche Verdampfung der methanlösenden Flüssigkeit über den beheizbaren Verdampfer (11) verzichtet wird. Weiter versteht sich, daß sich erfindungsgemäße Methanspeicheranlagen nicht nur für Kraftfahrzeuge eignen, sondern überall dort einsetzbar sind, wo Methan in steuerbarer Weise freisetzbar bevorratet werden soll.

Claims (6)

1. Methanspeicheranlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit

• - einem Methan-Druckspeichertank (2) und
• - Mitteln zur steuerbaren Entnahme von Methan aus dem Druckspei­ chertank,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Druckspeichertank (2) das Methan unter einem Druck bis zu etwa 120 bar und unter Umgebungstemperaturbedingungen in einer Kohlenwasserstoffflüssigkeit gelöst enthält und
• - die Mittel zur steuerbaren Methanentnahme einen Methanentnah­ me-Verdampfer (7) beinhalten, dem das Kohlenwasserstoffflüssig­ keit/Methan-Gemisch (1) aus dem Druckspeichertank (2) zuführ­ bar ist und in welchem das im zugeführten Gemisch enthaltene Methan bei einer Temperatur kleiner als derjenigen im Druck­ speichertank freigesetzt wird.

2. Methanspeicheranlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Methanentnahme-Verdampfer (7) mit einer umgebenden Wärmeiso­ lierung (8) versehen ist und die Temperaturabsenkung im Verdamp­ fer von der Verdampfungswärme des freigesetzten Methans und ge­ gebenenfalls eines Teil der hindurchgeleiteten Kohlenwasser­ stoffflüssigkeit bewirkt wird.

3. Methanspeicheranlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (6), in welchem das dem Methanentnahme-Ver­ dampfer (7) zugeführte Kohlenwasserstoffflüssigkeit/Methan-Ge­ misch in Wärmeaustausch mit dem aus dem Methanentnahme-Verdamp­ fer austretenden, methanabgereicherten Flüssigkeitsstrom steht.

4. Methanspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kohlenwasserstoffflüssigkeit aus einer oder mehreren, als Brennstoff für den Motor geeigneten, brennbaren Substanzen be­ steht und
• - ein heizbarer Verdampfer (11) vorgesehen ist, dem das Kohlen­ wasserstoffflüssigkeit/Methan-Gemisch (1) aus dem Druckspei­ chertank (2) zuführbar ist und in welchem das zugeführte Koh­ lenwasserstoffflüssigkeit/Methan-Gemisch vollständig verdampft und einer Kraftstoffzuleitung (13) zugeführt wird, die außer­ dem mit einer Methanauslaßleitung (15) des Methanentnahme-Ver­ dampfers (7) in Verbindung steht.

5. Methanspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wei­ ter dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffflüssigkeit ein flüssiges Propan/Butan-Ge­ misch ist.