DE19606181C2

DE19606181C2 - Verfahren zur energetischen Verwertung von heizwertenthaltenden Gas- oder Dampfgemischen

Info

Publication number: DE19606181C2
Application number: DE19606181A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Krumm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: DE19606181A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Verwertung von Heiz wertanteilen enthaltenden Dämpfen oder Gasen, wie solche beispielsweise beim Befüllen, Umfüllen oder Handhaben von flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Ben zin oder Benzol insbesondere beim Auftanken von stationären und/oder fahrbaren Behältern, vor allem bei Kraftfahrzeugen, freigesetzt und abgesaugt werden.

Bei der herkömmlichen Befüllung/Betankung von Behältern, beispielsweise von Tanks von Straßenfahrzeugen, werden heizwerthaltige Gase oder Dämpfe wie beispielsweise die leicht siedenden niederen Kohlenwasserstoff-Bestandteile des Kraftstoffs ausgegast und an die Umgebung abgegeben.

Weil es sich dabei um klimawirksame Spurengase handelt, hat der Gesetzgeber die Freisetzung dieser ausgegasten Bestandteile untersagt. Um die Freisetzung zu verhindern, wurden großflächig die Tankstellen mit Systemen zur Gasrückfüh rung nachgerüstet. Hierfür wurden jeweils die Zapfsäulen mit einem sogenannten Saugrüssel ergänzt, so dass die ausgasenden Kohlenwasserstoffe unmittelbar am Fahrzeugtank abgesaugt werden können.

Erste praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass die Tankgase nur unvollkom men das heißt mit weniger als 50% abgesaugt werden. Dies bedeutet, dass mit erheblichem wirtschaftlichem Aufwand ein de facto nicht funktionierendes System flächendeckend installiert wurde.

Aus der DE 21 01 499 C2 ist ein System bekannt, welches zur Beseitigung von einem in einem Lagertank auftretenden Kraftstoffdampf dient, wobei dem aus dem Lagertank abgezogenen Kraftstoffdampf-Luftgemisch ein Luftüberschuss derart beigemischt wird, dass ein theoretisch vollständig brennbares Gasgemisch ent steht, dieses gezündet und in einer Fackel verbrannt wird. Bei diesem System steht der Aspekt der Entsorgung im Vordergrund, wogegen eine energetische Verwertung der Kraftstoffdampfe nicht vorgesehen ist.

Aus der DE 37 11 482 C2 ist ein System bekannt, bei dem die Entsorgung der Kraftstoffdampfe eine wichtige Rolle spielt. Es wird vorgeschlagen, das Kohlen wasserstoff-Luftgemisch mit einem Membranmodul in eine kohlenwasserstoffrei che und in eine kohlenwasserstoffarme Fraktion zu trennen. Das kohlenwasser stoffarme Gemisch wird anschließend durch katalytische und/oder biologische Oxidation zu Kohlendioxid, Wasser und Restluft abgebaut. Die kohlenwasserstoff reiche Fraktion wird einem Lagerbehälter zugeführt. Eine Nutzung dieser Fraktion ist jedoch nicht näher spezifiziert.

In der europäischen Patentschrift EP 0 171 879 B1, wird ein Verfahren zur Rück gewinnung eines organischen Materials in flüssiger Form aus einem Luftzufluss strom, der einen geringen Anteil an organischen Dämpfen, beispielsweise < 2 Vol.-% enthält, vorgeschlagen. Als Trennvorrichtung ist eine Dünnschicht membran vorgesehen, wobei auf der Permeatseite Unterdruck angelegt ist. Der Permeatstrom wird durch Kompression verflüssigt.

Die DE 42 14 551 C2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung von über Flüssigkeiten entstehenden Gasgemischen. Dabei ist die Volumenmen ge pro Zeiteinheit des zugeführten und zu trennenden Gasgemisches größer als die beim Umfüllvorgang umgefüllte Volumenmenge pro Zeiteinheit der Flüssigkeit. Die Volumenmenge pro Zeiteinheit des erzeugten Permeats (gasangereichertes Gemisch) ist gleich der beim Umfüllvorgang umgefüllten Volumenmenge pro Zeiteinheit der Flüssigkeit. Diesem Dokument ist eine direkte Verwertung des aus gegasten Gemisches nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, welches es erlaubt, die Kraftstoffdämpfe am Kraftfahrzeugtank vollständig abzusaugen und mit diesen, nach einer entsprechenden Energieumwandlung, die Tankstelle mit Strom, Wärme und/oder Kälte zu versorgen, sowie eine unkontrollierte Freiset zung von klimawirksamen Kohlenwasserstoffgasen sicher zu verhindern.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei dem Verfahren zur energetischen Verwertung von Heizwertanteilen enthaltenden Dämpfen oder Gasen, die beispielsweise beim Befüllen/Umfüllen und Handhaben von flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Benzin, insbesondere beim Auftanken von stationären oder fahrbaren Behältern, vor allem bei Kraftfahrzeugen, freigesetzt und abgesaugt werden, mit der Erfindung vorge schlagen, dass beim Absaugen der Dämpfe oder Gase ein Saugvolumenstrom eingestellt wird, der vergleichsweise wesentlich größer ist, als der Volumenstrom der Flüssigkeit des beim Umfüllen eingestellten Kohlenwasserstromes, und dass die Dämpfe oder Gase mit vergleichsweise hohem Luftüberschuss über eine Trennstufe geführt und dabei in einerseits Permeat mit relativ hoher Konzentration von Heizwertanteilen, und andererseits in Retentat mit relativ niedriger Konzentra tion von Heizwertanteilen bzw. mit hohem Luftüberschuss getrennt werden, und das Permeat zur Bereitstellung oder Erzeugung von Nutzenergie wie Strom und/oder Wärme/Kälte verwendet wird.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass diskontinuierlich anfallendes Permeat aus der Trennstufe abgesaugt, sodann z. B. unter Druckerhöhung oder Verflüssigung in ein Speichervolumen gefördert und darin z. B. unter Volumenver ringerung gespeichert und daraus zur Erzeugung von Nutzenergie in einem Ag gregat kontinuierlich abgezogen wird.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass dem Saugvolumen strom ein Teilstrom entnommen und dem Speichervolumen zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt den Vorteil, dass die gesamten ausga senden Kraftstoffdampfe mit einem hohen Luftüberschuss abgesaugt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass entsprechende Sicherheitsbestimmungen wie z. B. der Explosionsschutz eingehalten werden.

Der Stand der Technik ist in Bild 1 dargestellt. Die abgesaugten Gase gelangen mittels einer Sauggebläsevorrichtung zum jeweiligen unterflurverlegten Kraftstoff- Lagerbehälter. Dabei wird der Saugvolumenstrom in Abhängigkeit der abgefüllten Kraftstoffmenge so geregelt, dass sich im Lagerbehälter kein Druck aufbaut. Von hier gelangen die Gase bei der Befüllung dieses Lagerbehälters über den Gas pendelschlauch zum Tankfahrzeug und von dort wieder bei der Befüllung des Tankfahrzeugs selbst zur Raffinerie. Dies bedeutet, dass bei dem System eine bestimmte Kraftstoffmenge ständig zwischen Raffinerie und Tankstelle mit ent sprechenden Kosten und Emissionen "hin- und hertransportiert" wird.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachste henden Erläuterung eines in Bild 2 schematisch dargestellten Ausführungsbei spieles:
Eine Tankstelle 1 mit einer Zapfsäule 2 ist oberhalb eines unterirdischen Lager tanks 3 angeordnet, mit welchem sie durch die Kraftstoff-Steigleitung 4 funktionell verbunden ist.

Die Zapfsäule 2 umfasst im oberirdischen Bereich ein Förderaggregat für Kraftstoff in Form einer Kraftstoffpumpe und darüber ein Zählwerk 5 für den abgegebenen Kraftstoff.

Die Tankstelle 1 umfaßt weiterhin als wesentliches Funktionselement den an das Zählwerk 5 angeschlossenen Schlauch 6 mit Zapfarmatur, die beim gezeigten Betankungsvorgang eines nicht angedeuteten Kraftfahrzeuges in den offenen Füllstutzen am Tank hineinragt.

Weiterhin ragt in die Füllöffnung des Tankstutzens als wesentliches Element zum Absaugen der Dämpfe oder Gase mit Hilfe eines einstellbaren Saugvolumens ein Absaugschlauch 7 zum Absaugen von Gasen oder Dämpfen, derart, dass mit ver gleichsweise hohem Luftüberschuss die kohlenwasserstoffhaltigen Dämpfe oder Gase über die Trennstufe 8 geführt werden. Dabei werden sie in der Trennstufe 8 in an sich bekannter Weise mit Hilfe der Membrane 9 einerseits in Permeat 10 mit relativ hoher Konzentration von Heizwertanteilen, und andererseits in Retentat 11 mit relativ niedriger Konzentration von Heizwertanteilen bzw mit hohem Luftüber schuss getrennt. Das Permeat 10 wird zur Bereitstellung oder Erzeugung von Nut zenergie wie Strom und/oder Wärme/Kälte verwendet.

Hierzu kann das anfallende Permeat 10 mit über die Abzweigleitung 12 aus dem Kraftfahrzeugtank abgesaugten Mischgasen hinsichtlich der optimalen Anteile von Sauerstoff und Brenngas vermischt werden. Das Permeat 10 und anteiliges Mischgas aus der Leitung 12 wird in den Speicher 15 eingetragen. Die Einschal tung des Speichers 15 ist erforderlich, um die diskontinuierlichen Kraftstoffdämpfe zu puffern und eine weitere kontinuierliche Nutzung zu ermöglichen. Als Speicher 15 kann auch der Lagerbehälter 3 genutzt werden, vgl. Bild 1.

Im weiteren wird der chemische Energiegehalt der Kraftstoffdampfe zur Bereit stellung/Erzeugung von Nutzenergie genutzt, die dann insgesamt auf der Tank stelle oder eines in der Nähe liegenden anderen Verbrauchers verwendet wird.

Die erforderliche Energieumwandlung erfolgt vorzugsweise durch Einsatz des Kraftstoff-/Luft-Gemisches in einem Motorheizkraftwerk 16 zur Strom- und Wärmeerzeugung oder in einem Brenner 17 zur Warmwassererzeugung in einem Kessel 19 und über eine nachgeschaltete Kältemaschine 18 zur Kälteversorgung beispielsweise der Kühlaggregate auf der Tankstelle.

Dieses Entsorgungssystem für die ansonsten freigesetzten Kraftstoffdämpfe ist damit in doppelterweise ökologisch sinnvoll. Einerseits werden die Kraftstoffemis sionen vollständig verhindert, zum anderen werden durch die energetische Nut zung an anderer Stelle in der Regel fossile Brennstoffe und damit Kohlendioxide missionen eingespart. Ferner ist dieses neue Verfahren für die Tankstellenbetrei ber ebenfalls wirtschaftlich durchführbar. Ein weiterer Vorteil dieses Systems liegt dann, dass es auf das ineffiziente "Saugrüsselsystem" aufgesattelt bzw. nachge rüstet werden kann.

Die nachfolgende Tabelle liefert einige relevante Zahlenwerte, die über die Grö ßenordnung und das Potential dieses Verfahrens Auskunft geben:

Allgemeine Daten

Tankgasemission in Dtld.: 45.000 t/a
Tankstellen: 16.000
mittl. Tankgasemission pro Tankstelle:

- in t pro Jahr: 2.800
- in kg pro Tag: 8
- in g pro ltr. Kraftstoff: 1,5
- in ltr. pro ltr. Kraftstoff: 0,5

Betankungsgeschwindigkeit: 20 Ltr/min
Kraftstoffdichte: 0,75 kg/ltr
Tankgasdichte (Butan, Pentan, etc.): 3 kg/m³

Heizwert, Tankgas: 40 MJ/kg

Voraussetzungen

gesamtes Tankgas wird abgesaugt:
Luftverhältnis: λ = 10
Abscheidegrad der Membrane: η = 70%
Temperaturbeständigkeit der Membrane: 200°C
Tankgas-/Luftvolumenstrom: 100 ltr/min
Betriebsdruck, Membran: 1,0 Mpa
Verdampfungsenthalpie, Tankgas: 400 kJ/kg
Gebläseleistung: 50 W_el

Gebläsebrenner: 100 W_el

Thermische Leistung, Tankgas pro Zapfsäule: 20 kW
max. Leistung bei sechs Zapfsäulen: 120 kW
Größe Zwischenspeicher, Tankgas: 2 m³

Warmwasserspeicher: 15 m³

Betrachtung einer Durchschnittstankstelle mit 200.000 ltr/Monat Kraftstoffabsatz

nutzbare Tankgasmasse: 300 kg/Monat = 3,6 t/a
Energiegehalt: 12.000 MJ/Monat ≅ 4,6 kW
Warmwasser von 15-85°C: 36 m³

/Monat = 1,2 m³

/d
Substitution, Öl: 360 ltr/Monat = 4.300 ltr/a

Rein theoretisch können hier bezogen auf alle Tankstellen in Deutschland rund 70 Mio. ltr Heizöl eingespart werden. Würde anstelle der Warmwassererzeugung in einem MHKW Strom erzeugt, so würde in ähnlicher Weise ein ökologischer Vorteil auftreten.

Bezugszeichenliste

1

Tankstelle

2

Zapfsäule

3

unterirdischer Lagertank

4

Steigleitung

5

Zählwerk für Kraftstoff

6

Schlauch mit Zapfarmatur

7

Absaugschlauch Gase/Dämpfe

8

Trennstufe

9

Trennmembran

10

Permeat

11

Retantat

12

Abzweigleitung

13

Fördergebläse

14

Fördergebläse

15

Speicher

16

Motorheizkraftwerk

17

Brenner

18

Kältemaschine

19

Kessel

Claims

1. Verfahren zur energetischen Verwertung von Heizwertanteilen enthaltenden Dämpfen oder Gasen, die beispielsweise beim Befüllen/Umfüllen oder Hand haben von flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Benzin oder Benzol insbeson dere beim Auftanken von stationären und/oder fahrbaren Behältern, vor al lem bei Kraftfahrzeugen, freigesetzt und abgesaugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Absaugen der kohlenwasserstoffhaltigen Dämpfe oder Gase ein Saugvolumenstrom eingestellt wird, der vergleichsweise wesentlich größer als der Volumenstrom der Flüssigkeit ist, und dass dabei die Dämpfe oder Gase mit vergleichsweise hohem Luftüberschuss über eine Trennstufe (8) geführt werden, worin sie einerseits in Permeat (10) mit relativ hoher Kon zentration von Heizwertanteilen, und andererseits in Retentat (11) mit relativ geringer Konzentration von Heizwertanteilen bzw mit hohem Luftüberschuss getrennt werden, und das Permeat (10) zur Bereitstellung und/oder Erzeu gung von Nutzenergie wie Strom und/oder Wärme/Kälte verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diskontinuierlich anfallendes Permeat (10) aus der Trennstufe (8) abge saugt, sodann in ein Speichervolumen gefördert, darin unter Volumenverrin gerung gespeichert und daraus zur Erzeugung von Nutzenergie in einem Aggregat (16, 18, 19) kontinuierlich abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Saugvolumenstrom ein Teilstrom (12) entnommen und dem Spei chervolumen zugeführt wird.