EP4392703A1 - Verfahren und fördervorrichtung - Google Patents

Verfahren und fördervorrichtung

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EP4392703A1
EP4392703A1 EP22765406.8A EP22765406A EP4392703A1 EP 4392703 A1 EP4392703 A1 EP 4392703A1 EP 22765406 A EP22765406 A EP 22765406A EP 4392703 A1 EP4392703 A1 EP 4392703A1
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EP
European Patent Office
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volume
consumer
pressure
storage container
cryogen
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EP22765406.8A
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EP4392703C0 (de
EP4392703B1 (de
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Anton Wellenhofer
Eva Müller
Stefan Felbinger
Clemens Wolferstetter
Harald Zenz
Kathrin Wellenhofer
Nabeel HAKEMI
Petya TONEVA
Jose Albert CRUZ
Denis DURNEV
Johannes SCHAFRANEK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F17C2270/0184—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying a consumer with a cryogen from a storage container and a delivery device for supplying a consumer with a cryogen from a storage container.
  • storage containers for liquid hydrogen can have a pressure build-up evaporator, which makes it possible to build up pressure inside the storage container, so that gaseous hydrogen can be supplied to a consumer, for example in the form of a fuel cell, with a stable supply pressure of, for example, 1 to 2.5 bara can be made available.
  • a storage tank is in operation, for example in the maritime sector, movement of the storage tank, for example due to rough seas, can mean that it is very difficult to keep the operating conditions in the storage tank stable enough for the required supply pressure for the fuel cell to be provided constantly can.
  • the term "vaporized cryogen” preferably refers only to the gas phase of the cryogen.
  • a gas zone and a liquid zone underneath are formed in the storage container after or during filling of the cryogen into the storage container.
  • a phase boundary is provided between the gas zone and the liquid zone.
  • the cryogen preferably has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous.
  • the liquid phase can change into the gaseous phase and vice versa.
  • the liquid phase can be referred to as the liquid phase.
  • the gaseous phase can be referred to as the gas phase.
  • a purely liquid filling of the storage container is also possible.
  • the pressure prevailing in the storage container is preferably about 3.5 bara.
  • the pressure prevailing in the storage container is in particular constant.
  • volume can be arbitrarily interchanged with one another.
  • a “volume” is to be understood quite generally as an area that can be fluidically separated from the storage container and the consumer and can be pressurized.
  • the volume thus serves as a pressure accumulator.
  • the volume can therefore also be referred to as a pressure accumulator. This means that the terms "volume” and “pressure accumulator” can be interchanged at will.
  • the vaporized cryogen is discharged in or during step d) from the volume to the consumer preferably with the aid of a valve, in particular a supply valve, which can be controlled depending on the load requirement of the consumer in order to supply the consumer with the vaporized cryogen .
  • the valve is also suitable for delivering the cryogen to the consumer at the appropriate supply pressure.
  • a fluid connection or fluidic connection is thus established between the volume and the consumer, so that the vaporized cryogen can flow from the volume to the consumer. In this case, the pressure can be reduced with the help of the valve.
  • step d) the pressure prevailing in the volume is reduced to a supply pressure suitable for the consumer when the cryogen is discharged from the volume with the aid of the supply valve.
  • a suitable supply pressure may be, for example, 1 to 2.5 bara.
  • a suitable supply temperature can be +10 to +25 °C.
  • the supply valve can be activated with the aid of a control and regulating device in such a way that it reduces the pressure prevailing in the separated volume to the suitable supply pressure.
  • the supply valve is only opened when there is a load requirement from the consumer.
  • the supply valve can be opened steplessly to adapt a volume flow of vaporized cryogen to the consumer's load requirement.
  • step b) the supply valve is closed.
  • the volume can be separated from the consumer and from the storage tank with the aid of the supply valve and the inlet valve.
  • the volume is thus placed, arranged or provided between the inlet valve and the supply valve.
  • Upstream is used herein with reference to the direction of flow of the cryogen from the storage vessel to the consumer.
  • the inlet valve is closed as long as the pressure in the volume is greater than the pressure prevailing in the storage container.
  • the inlet valve As long as the inlet valve is closed, no cryogen can flow from the storage container into the volume. The fact that the inlet valve is closed prevents the cryogen from being pressed back out of the volume into the storage container as long as the pressure in the volume is greater than the pressure prevailing in the storage container.
  • the inlet valve is opened as soon as the pressure in the volume falls below the pressure prevailing in the storage container. As soon as the inlet valve is open, the cryogen can flow from the storage container into the volume. With the help of the supply valve, the pressure prevailing in the storage container can then be reduced to the suitable supply pressure for the consumer.
  • the cryogen from the storage container can be evaporated using an evaporator unit assigned to the volume.
  • heat is introduced into the cryogen during step c) with the aid of an evaporator unit in order to evaporate it.
  • the evaporator unit can be or include an electrical heating device, for example.
  • the evaporator unit can, for example, also be any heat exchanger or heat exchanger.
  • the evaporator unit can be part of the volume.
  • a delivery device for supplying a consumer with a cryogen from a storage container.
  • the delivery device comprises an inlet valve, which is arranged between the storage container and the volume, a supply valve, which is arranged between the volume and the consumer, a volume that can be separated from the consumer and from the storage container, an evaporator unit, and a control and regulating device, wherein the control and regulating device is set up to actuate the inlet valve in such a way that the inlet valve introduces part of the cryogen from the storage container into the volume, wherein the control and regulating device is set up to actuate the inlet valve and the supply valve in such a way that the inlet valve and the supply valve separate the volume from the consumer and from the storage tank, the control and regulating device being set up to first close the supply valve and then the inlet valve, the evaporator unit being set up to close the volume in the separated Vo lumen accommodated cryogen in order to apply a pressure to the separated volume that is higher than a pressure prevailing in the storage
  • the supply valve is placed after the inlet valve, viewed along the flow direction of the cryogen from the storage tank to the consumer.
  • the volume is provided between the inlet valve and the supply valve.
  • This sloshing also referred to as sloshing, leads to a cooling of the gas phase in the gas zone 5 above the liquid hydrogen H2 and thereby to a pressure reduction of a gas cushion forming above the liquid hydrogen H2.
  • this can have an adverse effect on the supply pressure available for operating components of the consumer 3, which can lead to unstable operation of the consumer 3.
  • a liquid-cooled and liquid-bearing pump for pumping liquid hydrogen H2.
  • such a pump has moving parts.
  • bubbles can form in the liquid hydrogen H2 due to the pump heating up. This can cause the pump to malfunction.
  • the hydrogen H2 can first be vaporized and then brought to the required supply pressure with the help of a compressor. However, this is energetically unfavorable.
  • the conveyor arrangement 1 has a conveyor device 9 .
  • the storage container 2 and/or the consumer 3 are preferably not part of the conveyor device 9. However, it cannot be ruled out that the storage container 2 and/or the consumer 3 are part of the conveyor device 9.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Verfahren zum Versorgen eines Verbrauchers (3) mit einem Kryogen (H2) aus einem Speicherbehälter (2), mit folgenden Schritten: a) Einleiten (S1) eines Teils des Kryogens (H2) aus dem Speicherbehälter (2) in ein von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2) abtrennbares Volumen (14), b) Äbtrennen (S2) des Volumens (14) von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2), indem zuerst ein zwischen dem Volumen (14) und dem Verbraucher (3) angeordnetes Versorgungsventil (V1) und anschließend ein zwischen dem Speicherbehälter (2) und dem Volumen (14) angeordnetes Einlassventil (V2) geschlossen wird, c) Verdampfen (S3) des Kryogens (H2) in dem Volumen (14), so dass das Volumen (14) mit einem Druck (p14) beaufschlagt wird, der höher als ein in dem Speicherbehälter (2) herrschender Druck (p2) ist, und d) Äusleiten (S4) des verdampften Kryogens (H2) aus dem Volumen (14) zu dem Verbraucher (3) bei einer Lastanforderung (L) des Verbrauchers (3), indem das Versorgungsventil (V1) geöffnet wird, wobei das Einlassventil (V2) bei geöffnetem Versorgungsventil (V1) geöffnet wird, sobald der Druck (p14) in dem Volumen (14) unter den in dem Speicherbehälter (2) herrschenden Druck (p2) abfällt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Fördervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter und eine Fördervorrichtung zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter.
Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff können gemäß betriebsinternen Erkenntnissen der Anmelderin einen Druckaufbauverdampfer aufweisen, welcher es ermöglicht, innerhalb des Speicherbehälters einen Druck aufzubauen, so dass gasförmiger Wasserstoff einem Verbraucher, beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle, mit einem stabilen Versorgungsdruck von beispielsweise 1 bis 2,5 bara zur Verfügung gestellt werden kann. Im Betrieb eines derartigen Speicherbehälters, beispielsweise im maritimen Bereich, kann eine Bewegung des Speicherbehälters, beispielsweise durch den Seegang, dazu führen, dass die Betriebsbedingungen in dem Speicherbehälter nur sehr schwer so stabil gehalten werden können, dass der erforderliche Versorgungsdruck für die Brennstoffzelle konstant bereitgestellt werden kann.
Der Anmelderin ist ferner betriebsinterner Stand der Technik bekannt, bei dem der Wasserstoff in dem Speicherbehälter annähernd drucklos gelagert wird. In diesem Fall wird der Wasserstoff mit Hilfe einer Kryopumpe gefördert und der Brennstoffzelle mit dem zuvor erwähnten Versorgungsdruck zugeführt. Eine derartige Kryopumpe weist jedoch bewegliche Teile auf, was zu einem gewissen Wartungsaufwand und damit zu Stillstandszeiten führen kann. Weiterhin ist es gemäß betriebsinternen Erkenntnissen auch möglich, den Wasserstoff vor der Brennstoffzelle zu verdampfen und anschließend zu verdichten, um den erforderlichen Versorgungsdruck zu erreichen. Dies ist jedoch energetisch ungünstig.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter zur Verfügung zu stellen. Demgemäß wird ein Verfahren zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Einleiten eines Teils des Kryogens aus dem Speicherbehälter in ein von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abtrennbares Volumen, b) Abtrennen des Volumens von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter, indem zuerst ein zwischen dem Volumen und dem Verbraucher angeordnetes Versorgungsventil und anschließend ein zwischen dem Speicherbehälter und dem Volumen angeordnetes Einlassventil geschlossen wird, c) Verdampfen des Kryogens in dem Volumen, so dass das Volumen mit einem Druck beaufschlagt wird, der höher als ein in dem Speicherbehälter herrschender Druck ist, und d) Ausleiten des verdampften Kryogens aus dem Volumen zu dem Verbraucher bei einer Lastanforderung des Verbrauchers, indem das Versorgungsventil geöffnet wird, wobei das Einlassventil bei geöffnetem Versorgungsventil geöffnet wird, sobald der Druck in dem Volumen unter den in dem Speicherbehälter herrschenden Druck abfällt.
Dadurch, dass das Volumen als Druckspeicher zum Versorgen des Verbrauchers mit dem verdampften Kryogen eingesetzt werden kann, hat eine Bewegung des Speicherbehälters, beispielsweise bei hohem Seegang, keine negativen Auswirkungen auf die Versorgung des Verbrauchers mit dem verdampften Kryogen. Der Speicherbehälter kann hierdurch bei einem möglichst niedrigen Druck betrieben werden. Dies verlängert die Haltezeit des Kryogens. Ferner kann auf bewegliche Teile, wie diese bei einer Kryopumpe vorhanden sind, verzichtet werden.
Das Kryogen ist vorzugsweise Wasserstoff. Die Begriffe "Kryogen" und "Wasserstoff" können daher beliebig gegeneinander getauscht werden. Grundsätzlich kann das Kryogen jedoch auch ein beliebiges anderes Kryogen sein. Beispiele für kryogene Fluide oder Flüssigkeiten, oder kurz Kryogene, sind neben dem zuvor erwähnten Wasserstoff flüssiges Helium, flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff. Unter einem "Kryogen" ist somit insbesondere eine Flüssigkeit zu verstehen. Das Kryogen kann auch verdampft und so in die gasförmige Phase überführt werden. Nach dem Verdampfen ist das Kryogen ein Gas oder kann als gasförmiges oder verdampftes Kryogen bezeichnet werden. Der Begriff "Kryogen" kann somit beides, nämlich die Gasphase und die Flüssigphase, umfassen. Der Begriff "verdampftes Kryogen" bezieht sich vorliegend bevorzugt nur auf die Gasphase des Kryogens. In dem Speicherbehälter bildet sich nach oder bei einem Einfüllen des Kryogens in den Speicherbehälter eine Gaszone sowie eine darunterliegende Flüssigkeitszone. Zwischen der Gaszone und der Flüssigkeitszone ist eine Phasengrenze vorgesehen. Das Kryogen weist also nach dem Einfüllen in den Speicherbehälter vorzugsweise zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Die flüssige Phase kann in die gasförmige Phase und umgekehrt übergehen. Die flüssige Phase kann als Flüssigphase bezeichnet werden. Die gasförmige Phase kann als Gasphase bezeichnet werden. Auch eine rein flüssige Befüllung des Speicherbehälters ist möglich. Der in dem Speicherbehälter herrschende Druck liegt bevorzugt bei etwa 3,5 bara. Der in dem Speicherbehälter herrschende Druck ist insbesondere konstant.
Der Verbraucher ist bevorzugt eine Brennstoffzelle. Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Das Kryogen wird dem Verbraucher selbst insbesondere in gasförmiger Form mit einem definierten Versorgungsdruck zugeführt. Das heißt, das Kryogen wird vor dem Verbraucher oder stromaufwärts des Verbrauchers vollständig verdampft.
Beispielsweise wird das Kryogen dem Verbraucher mit einem Versorgungsdruck von 1 bis 2,5 bara und einer Temperatur von +10 bis +25 °C zugeführt. Der Versorgungsdruck kann jedoch auch bis zu 6 bara betragen.
Wie zuvor erwähnt, kann das Kryogen zweiphasig sein. Vorzugsweise wird in oder während des Schritts a) die Flüssigphase oder ein Teil der Flüssigphase des Kryogens aus dem Speicherbehälter in das von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abtrennbare Volumen eingeleitet. Unter einem "Teil" ist insbesondere zu verstehen, dass ein gewisses Volumen der Flüssigphase des Kryogens aus dem Speicherbehälter in das Volumen geleitet wird. Ein Rest der Flüssigphase verbleibt in dem Speicherbehälter. Hierzu kann ein Ventil oder es können mehrere Ventile vorgesehen sein. Die Schritte a) bis d) werden bevorzugt aufeinanderfolgend durchgeführt. Für das Durchführen des Verfahrens wird insbesondere eine nachfolgend noch erläuterte Fördervorrichtung eingesetzt. Das Volumen kann beispielsweise durch einen Behälter, eine Rohrschleife oder dergleichen verwirklicht werden. Das Volumen kann auch als Header oder Sammler bezeichnet werden. Die Begriffe "Volumen", "Header" und "Sammler" können vorliegend beliebig gegeneinander getauscht werden. Unter einem "Volumen" ist vorliegend ganz allgemein ein Bereich zu verstehen, der fluidisch von dem Speicherbehälter und dem Verbraucher abgetrennt und unter Druck gesetzt werden kann. Das Volumen dient somit als Druckspeicher. Das Volumen kann daher auch als Druckspeicher bezeichnet werden. Das heißt, dass die Begriffe "Volumen" und "Druckspeicher" beliebig gegeneinander getauscht werden können.
In oder während des Schritts b) wird das Volumen vorzugsweise mit Hilfe von Ventilen von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abgetrennt. Unter "Abtrennen" ist vorliegend zu verstehen, dass eine Fluidverbindung oder eine fluidische Verbindung zwischen dem Volumen und dem Verbraucher sowie zwischen dem Volumen und dem Speicherbehälter getrennt wird, so dass das Fluid weder aus dem Speicherbehälter in das abgetrennte Volumen hineinströmen noch das Fluid aus dem abgetrennten Volumen zu dem Verbraucher strömen kann.
In oder während des Schritts c) wird insbesondere die in dem abgeschlossenen Volumen verbleibende flüssige Phase des Kryogens verdampft. Hierzu wird vorzugsweise Wärme in das Kryogen eingebracht. Durch das Verdampfen des Kryogens in dem abgetrennten Volumen steigt der Druck in dem Volumen. Beispielsweise steigt der Druck in dem Volumen auf einen Druck von 3 bis 10 bara. Vorzugsweise herrscht in dem Speicherbehälter ein im Wesentlichen konstanter Druck von beispielsweise 3,5 bara.
Das Ausleiten des verdampften Kryogens in oder während des Schritts d) aus dem Volumen zu dem Verbraucher erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Ventils, insbesondere eines Versorgungsventils, welches in Abhängigkeit von der Lastanforderung des Verbrauchers angesteuert werden kann, um den Verbraucher mit dem verdampften Kryogen zu versorgen. Das Ventil ist insbesondere auch geeignet, dem Verbraucher das Kryogen mit dem geeigneten Versorgungsdruck zuzuführen. In oder während des Schritts d) wird somit eine Fluidverbindung oder fluidische Verbindung zwischen dem Volumen und dem Verbraucher hergestellt, so dass das verdampfte Kryogen aus dem Volumen zu dem Verbraucher strömen kann. Hierbei kann mit Hilfe des Ventils eine Druckreduktion durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird während des Schritts d) der in dem Volumen herrschende Druck bei dem Ausleiten des Kryogens aus dem Volumen mit Hilfe des Versorgungsventils auf einen für den Verbraucher geeigneten Versorgungsdruck reduziert.
Wie zuvor erwähnt, kann der geeignete Versorgungsdruck beispielsweise 1 bis 2,5 bara betragen. Eine geeignete Versorgungstemperatur kann +10 bis +25 °C betragen. Das Versorgungsventil kann mit Hilfe einer Steuer- und Regeleinrichtung derart angesteuert werden, dass dieses den in dem abgetrennten Volumen herrschenden Druck auf den geeigneten Versorgungsdruck reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der für den Verbraucher geeignete Versorgungsdruck kleiner als der in dem Speicherbehälter herrschende Druck.
Wie zuvor erwähnt, kann der in dem Speicherbehälter herrschende Druck 3,5 bara betragen. Demgegenüber beträgt der geeignete Versorgungsdruck 1 bis 2,5 bara. Mit Hilfe des Versorgungsventils kann der in dem Speicherbehälter herrschende Druck auf den geeigneten Versorgungsdruck reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird während des Schritts d) das Versorgungsventil in Abhängigkeit von der Lastanforderung des Verbrauchers geöffnet.
Das heißt insbesondere, dass das Versorgungsventil erst dann geöffnet wird, wenn eine Lastanforderung des Verbrauchers vorliegt. Das Versorgungsventil kann stufenlos geöffnet werden, um einen Volumenstrom an verdampftem Kryogen an die Lastanforderung des Verbrauchers anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird während des Schritts d) das Versorgungsventil mit Hilfe einer Steuer- und Regeleinrichtung basierend auf Sensorsignalen eines stromabwärts des Versorgungsventils angeordneten Drucksensors und/oder eines Durchflusssensors angesteuert. "Stromabwärts" bedeutet vorliegend entlang einer Strömungsrichtung des Kryogens von dem Speicherbehälter zu dem Verbraucher betrachtet. Die Steuer- und Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, Sensorsignale des Drucksensors und/oder des Durchflusssensors zu empfangen und geeignet auszuwerten. Auf Basis der Sensorsignale des Drucksensors und/oder des Durchflusssensors kann die Steuer- und Regeleinrichtung dann das Versorgungsventil ansteuern.
Während des Schritts b) wird das Versorgungsventil geschlossen.
Das Versorgungsventil bleibt so lange geschlossen, bis die Lastanforderung des Verbrauchers vorliegt. Sobald die Lastanforderung des Verbrauchers vorliegt, beginnt sich das Versorgungsventil zu öffnen, um den Verbraucher mit dem Kryogen bei dem geeigneten Versorgungsdruck zu versorgen.
Während des Schritts b) wird das stromaufwärts des Versorgungsventils platzierte Einlassventil geschlossen.
Mit Hilfe des Versorgungsventils und des Einlassventils ist das Volumen von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abtrennbar. Das Volumen ist somit zwischen dem Einlassventil und dem Versorgungsventil platziert, angeordnet oder vorgesehen. "Stromaufwärts" ist vorliegend mit Bezug auf die Strömungsrichtung des Kryogens von dem Speicherbehälter zu dem Verbraucher zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Einlassventil geschlossen, solange der Druck in dem Volumen größer als der in dem Speicherbehälter herrschende Druck ist.
Solange das Einlassventil geschlossen ist, kann somit kein Kryogen aus dem Speicherbehälter in das Volumen nachströmen. Dadurch, dass das Einlassventil geschlossen ist, wird verhindert, dass das Kryogen, solange der Druck in dem Volumen größer als der in dem Speicherbehälter herrschende Druck ist, aus dem Volumen zurück in den Speicherbehälter gedrückt wird.
Das Einlassventil wird geöffnet, sobald der Druck in dem Volumen unter den in dem Speicherbehälter herrschenden Druck abfällt. Sobald das Einlassventil geöffnet ist, kann das Kryogen aus dem Speicherbehälter in das Volumen nachfließen. Mit Hilfe des Versorgungsventils kann dann der in dem Speicherbehälter herrschende Druck auf den geeigneten Versorgungsdruck für den Verbraucher reduziert werden. Das Kryogen aus dem Speicherbehälter kann mit Hilfe einer dem Volumen zugeordneten Verdampfereinheit verdampft werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird während des Schritts c) mit Hilfe einer Verdampfereinheit Wärme in das Kryogen eingebracht, um dieses zu verdampfen.
Die Verdampfereinheit kann beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung sein oder umfassen. Die Verdampfereinheit kann beispielsweise auch ein beliebiger Wärmeübertrager oder Wämetauscher sein. Die Verdampfereinheit kann Teil des Volumens sein.
Ferner wird eine Fördervorrichtung zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter vorgeschlagen. Die Fördervorrichtung umfasst ein Einlassventil, das zwischen dem Speicherbehälter und dem Volumen angeordnet ist, ein Versorgungsventil, das zwischen dem Volumen und dem Verbraucher angeordnet ist, ein von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abtrennbares Volumen, eine Verdampfereinheit, und eine Steuer- und Regeleinrichtung, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Einlassventil derart anzusteuern, dass das Einlassventil, einen Teil des Kryogens aus dem Speicherbehälter in das Volumen einleitet, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Einlassventil und das Versorgungsventil derart anzusteuern, dass das Einlassventil und das Versorgungsventil das Volumen von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abtrennen, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, zuerst das Versorgungsventil und anschließend das Einlassventil zu schließen, wobei die Verdampfereinheit dazu eingerichtet ist, das in dem abgetrennten Volumen aufgenommene Kryogen zu verdampfen, um das abgetrennte Volumen mit einem Druck zu beaufschlagen, der höher als ein in dem Speicherbehälter herrschender Druck ist, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Versorgungsventilderart anzusteuern, dass das Versorgungsventil das verdampfte Kryogen bei einer Lastanforderung des Verbrauchers aus dem abgetrennten Volumen zu dem Verbraucher ausleitet, und wobei die Steuer- und Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Einlassventil bei geöffnetem Versorgungsventil zu öffnen, sobald der Druck in dem Volumen unter den in dem Speicherbehälter herrschenden Druck abfällt.
Mit Hilfe der Fördervorrichtung kann das zuvor erläuterte Verfahren durchgeführt werden. Die Fördervorrichtung kann den Speicherbehälter umfassen. Die Fördervorrichtung kann auch den Verbraucher umfassen. Alternativ können der Speicherbehälter und/oder der Verbraucher auch nicht Teil der Fördervorrichtung sein. Die Fördervorrichtung kann auch Teil einer Förderanordnung sein, welche neben der Fördervorrichtung den Verbraucher und/oder den Speicherbehälter aufweisen kann.
Das "Volumen" unterscheidet sich von dem "abgetrennten Volumen" dadurch, dass bei dem abgetrennten Volumen das Einlassventil und das Versorgungsventil geschlossen sind, um so das Volumen von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abzutrennen. Dass das Einlassventil "dazu eingerichtet ist", einen Teil des Kryogens aus dem Speicherbehälter in das Volumen einzuleiten, bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Einlassventil geöffnet und geschlossen werden kann, so dass das Kryogen, insbesondere die Flüssigphase des Kryogens, aus dem Speicherbehälter in das Volumen einströmen kann.
Dass das Einlassventil und das Versorgungsventil "dazu eingerichtet sind", das Volumen von dem Verbraucher und von dem Speicherbehälter abzutrennen, bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Einlassventil und das Versorgungsventil zum Abtrennen des Volumens beide geschlossen werden können, um so das Volumen abzutrennen. Die Verdampfereinheit ist insbesondere dazu geeignet, mit Hilfe des Einbringens von Wärme in das Kryogen das Kryogen zu verdampfen. Das verdampfte Kryogen kann dem Verbraucher mit Hilfe des Versorgungsventils aus dem abgetrennten Volumen zugeführt werden. Hierzu kann das Versorgungsventil geöffnet und geschlossen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Versorgungsventil stromabwärts des Einlassventils angeordnet.
Das heißt, dass das Versorgungsventil entlang der Strömungsrichtung des Kryogens von dem Speicherbehälter zu dem Verbraucher betrachtet nach dem Einlassventil platziert ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Volumen zwischen dem Einlassventil und dem Versorgungsventil vorgesehen.
Das Volumen kann ein beliebiger Hohlraum sein, der mit Hilfe des Verdampfens des Kryogens unter Druck gesetzt werden kann. Das Volumen kann, wie zuvor erwähnt, auch als Sammler, Header oder Druckspeicher bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Volumen mit Hilfe einer oder mehrerer Rohrschleifen, einer Rohrleitung und/oder eines Speichervolumens gebildet.
Beispielsweise wird das Volumen durch eine Rohrschleife mit einer Länge von 15 bis 20 m und einem Rohrdurchmesser von 200 bis 600 mm, insbesondere bis 400 mm, gebildet. Das Volumen kann eine mäanderförmig geschwungene Rohrschleife umfassen. Das Speichervolumen kann ein beliebiger Behälter oder dergleichen sein.
Die Fördervorrichtung umfasst ferner die Steuer- und Regeleinrichtung zum Ansteuern des Einlassventils und/oder des Versorgungsventils.
Vorzugsweise sind stromabwärts des Versorgungsventils ein Drucksensor sowie ein Durchflusssensor vorgesehen. Der Drucksensor und der Durchflusssensor stellen der Steuer- und Regeleinrichtung Sensorsignale zur Verfügung, so dass die Steuer- und Regeleinrichtung das Versorgungsventil derart ansteuern kann, dass der Druck in dem Volumen bei dem Ausströmen des verdampften Kryogens mit Hilfe des Versorgungsventils auf den für den Verbraucher geeigneten Versorgungsdruck reduziert wird.
Die für das Verfahren beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für die vorgeschlagene Fördervorrichtung entsprechend und umgekehrt.
"Ein" ist vorliegend nicht zwangsweise als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine genaue Beschränkung auf genau die entsprechende Anzahl von Elementen verwirklicht sein muss. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich.
Weitere mögliche Implementierungen des Verfahrens und/oder der Fördervorrichtung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Verfahrens und/oder der Fördervorrichtung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und/oder der Fördervorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens und/oder der Fördervorrichtung. Im Weiteren werden das Verfahren und/oder die Fördervorrichtung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Förderanordnung zum Fördern von Wasserstoff;
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Funktionalität der Förderanordnung gemäß Fig. 1 schematisch darstellt; und
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Versorgen eines Verbrauchers mit einem Kryogen aus einem Speicherbehälter.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Förderanordnung 1 zum Fördern von Wasserstoff H2 von einem Speicherbehälter 2 zu einem Verbraucher 3. Die Förderanordnung 1 ist dazu eingerichtet, den Verbraucher 3 unabhängig von Bewegungen des Speicherbehälters 2 kontinuierlich mit gasförmigem Wasserstoff H2 mit einem konstanten Versorgungsdruck von maximal 6 bara, bevorzugt von 1 bis 2,5 bara, und einer Temperatur von etwa +10 bis +25 °C zu versorgen. Die Förderanordnung 1 kann auch als Wasserstoff-Förderanordnung bezeichnet werden. Der Speicherbehälter 2 und/oder der Verbraucher 3 können Teil der Förderanordnung 1 sein.
Die Förderanordnung 1 ist insbesondere für mobile Anwendungen geeignet. Bevorzugt kann die Förderanordnung Teil eines Fahrzeugs, insbesondere Teil eines Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs oder eines Luftfahrzeugs, sein. Beispielsweise ist die Förderanordnung 1 Teil eines Schiffes, wie beispielsweise einer Personenfähre, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Lastkraftwagens oder Nutzfahrzeugs, oder dergleichen.
Der Speicherbehälter 2 kann auch als Speichertank bezeichnet werden. Es können auch mehrere Speicherbehälter 2 vorgesehen sein (nicht gezeigt). Der Speicherbehälter 2 kann rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse 4 aufgebaut sein. Dabei kann die Symmetrieachse 4 senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung g orientiert sein. Das heißt, der Speicherbehälter 2 ist liegend oder horizontal positioniert. Der Speicherbehälter 2 kann jedoch auch stehend oder vertikal positioniert sein. In diesem Fall ist die Symmetrieachse 4 parallel zu der Schwerkraftrichtung g orientiert.
Der Speicherbehälter 2 ist zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff H2 (Siedepunkt 1 bara: 20,268 K = -252,882 °C) geeignet. Daher kann der Speicherbehälter 2 auch als Wasserstoff-Speicherbehälter oder als Wasserstoff-Speichertank bezeichnet werden. Der Speicherbehälter 2 kann jedoch auch für andere kryogene Flüssigkeiten eingesetzt werden. Beispiele für kryogene Fluide oder Flüssigkeiten, oder kurz Kryogene, sind neben dem zuvor erwähnten flüssigen Wasserstoff H2 flüssiges Helium He (Siedepunkt 1 bara: 4,222 K = -268,928 °C), flüssiger Stickstoff N2 (Siedepunkt 1 bara: 77,35 K = -195,80 °C) oder flüssiger Sauerstoff O2 (Siedepunkt 1 bara: 90,18 K = - 182,97 °C).
In dem Speicherbehälter 2 ist der flüssige Wasserstoff H2 aufgenommen. In dem Speicherbehälter 2 können, solange sich der Wasserstoff H2 im Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone 5 mit verdampftem Wasserstoff H2 und eine Flüssigkeitszone 6 mit flüssigem Wasserstoff H2 vorgesehen sein. Der Wasserstoff H2 weist also nach dem Einfüllen in den Speicherbehälter 2 zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Speicherbehälter 2 befindet sich eine Phasengrenze 7 zwischen dem flüssigen Wasserstoff H2 und dem gasförmigen Wasserstoff H2. Dem Speicherbehälter 2 ist ein Drucksensor 8 zugeordnet, der den Druck in dem Speicherbehälter 2 erfassen kann. Der Druck in dem Speicherbehälter 2 beträgt etwa 3,5 bara. Der Druck in dem Speicherbehälter 2 ist im Wesentlichen konstant.
Es können mehrere Verbraucher 3 vorgesehen sein. Nachfolgend wird jedoch auf nur einen Verbraucher 3 eingegangen. Der Verbraucher 3 ist bevorzugt eine Brennstoffzelle. Unter einer "Brennstoffzelle" ist vorliegend eine galvanische Zelle zu verstehen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, vorliegend Wasserstoff H2, und eines Oxidationsmittels, vorliegend Sauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Mit Hilfe der erhaltenen elektrischen Energie kann beispielsweise ein nicht gezeigter Elektromotor angetrieben werden. Für einen stabilen Betrieb des Verbrauchers 3 ist es, wie zuvor erwähnt, erforderlich, den Verbraucher 3 mit gasförmigem Wasserstoff bei einem definierten Versorgungsdruck zu versorgen.
Bei mobilen Anwendungen muss mit Bewegungen des in dem Speicherbehälter 2 aufgenommenen flüssigen Wasserstoffs H2 gerechnet werden. Bei einem liegend angeordneten zylinderförmigen Speicherbehälter 2 wird durch die Massenträgheit des flüssigen Wasserstoffs H2 und die durch den liegenden Einbau vorhandene Krümmung des Speicherbehälters 2 sowohl an dessen zylinderförmiger Außenwandung als auch an dessen Enden ein großflächiges Schwappen des flüssigen Wasserstoffs H2 begünstigt.
Dieses Schwappen, auch als Sloshing bezeichnet, führt zu einer Abkühlung der Gasphase in der Gaszone 5 über dem flüssigen Wasserstoff H2 und dadurch zu einer Druckreduzierung eines sich über dem flüssigen Wasserstoff H2 bildenden Gaspolsters. Dies kann in Abhängigkeit von den Bewegungen des Speicherbehälters 2 nachteilige Auswirkungen auf den für Betriebskomponenten des Verbrauchers 3 zur Verfügung stehenden Versorgungsdruck haben, was zu einem instabilen Betrieb des Verbrauchers 3 führen kann. Um den geeigneten Versorgungsdruck für den Verbraucher 3 zur Verfügung stellen zu können, ist es möglich, eine flüssiggekühlte und flüssiggelagerte Pumpe zum Pumpen von flüssigem Wasserstoff H2 einzusetzen. Eine derartige Pumpe weist jedoch bewegliche Teile auf. Weiterhin kann es bei einem intermittierenden Betrieb der Pumpe aufgrund einer Erwärmung derselben zu einer Blasenbildung in dem flüssigen Wasserstoff H2 kommen. Dies kann zu einer Betriebsstörung der Pumpe führen. Alternativ kann der Wasserstoff H2 zunächst verdampft und dann mit Hilfe eines Verdichters auf den nötigen Versorgungsdruck gebracht werden. Dies ist jedoch energetisch ungünstig.
Ferner kann auch der Speicherbehälter 2 direkt bei dem Versorgungsdruck betrieben werden. In diesem Fall stellt sich in dem Speicherbehälter 2 ein Gleichgewicht mit der Flüssigphase und der darüber geschichteten Gasphase ein. Aufgrund der niedrigen Oberflächenspannung von flüssigem Wasserstoff führt eine Bewegung des Speicherbehälters 2, beispielsweise bei einer Anordnung desselben an oder auf einem wie zuvor erwähnten Fahrzeug dazu, dass sich die Flüssigphase und die Gasphase miteinander mischen und so der flüssige Wasserstoff H2 den wärmeren gasförmigen Wasserstoff H2 abkühlt. Das Halten des Versorgungsdrucks ist dann nicht möglich, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs H2 und des gasförmigen Wasserstoffs H2 einstellt. Diese zuvor genannten Probleme gilt es mit Hilfe der Förderanordnung 1 zu lösen.
Die Förderanordnung 1 weist eine Fördervorrichtung 9 auf. Im Unterschied zu der Förderanordnung 1 sind der Speicherbehälter 2 und/oder der Verbraucher 3 bevorzugt nicht Teil der Fördervorrichtung 9. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der Speicherbehälter 2 und/oder der Verbraucher 3 Teil der Fördervorrichtung 9 sind.
Die Fördervorrichtung 9 umfasst eine Leitung 10, die unterhalb der Phasengrenze 7, also im Bereich der Flüssigkeitszone 6, aus dem Speicherbehälter 2 ausmündet. Mit Hilfe der Leitung 10 ist der flüssige Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 2 einem Einlassventil V2 der Fördervorrichtung 9 zuführbar. Stromabwärts des Einlassventils V2 ist eine Verdampfereinheit 11 platziert. Die Verdampfereinheit 11 ist geeignet, den flüssigen Wasserstoff H2 durch das Einbringen von Wärme Q zu verdampfen. Das Einlassventil V2 ist über eine Wirkverbindung 12 mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 13 der Fördervorrichtung 9 wirkverbunden. Die Wirkverbindung 12 kann eine Datenverbindung sein. Die Wirkverbindung 12 kann drahtlos oder drahtgebunden sein. Die Steuer- und Regeleinrichtung 13 ist geeignet, das Einlassventil V2 bedarfsweise zu öffnen und zu schließen. Die Steuer- und Regeleinrichtung 13 kann auch geeignet sein, Sensorsignale des Drucksensors 8 zu empfangen und/oder auszuwerten.
Von dem Einlassventil V2 führt ein Header 14 zu einem Versorgungsventil V1. Die Verdampfereinheit 11 kann Teil des Headers 14 sein. Der Header 14 kann durch die Verdampfereinheit 11 geführt sein. Die Verdampfereinheit 11 kann in den Header 14 geschaltet sein. Unter einem "Header" ist insbesondere ein umschlossenes Volumen zu verstehen, das unter Druck gesetzt werden kann. Insbesondere ist unter einem "Header" vorliegend ein zwischen den Ventilen V1 , V2 gelegenes Volumen zu verstehen, das unter Druck gesetzt werden kann.
Der Header kann auch als Volumen, Druckspeicher oder Sammler bezeichnet werden. Die Begriffe "Header", "Volumen", "Druckspeicher" oder "Sammler" können demnach beliebig gegeneinander getauscht werden. Der Header 14 kann beispielsweise durch eine Rohrschleife oder mehrere Rohrschleifen mit beispielsweise einer Länge von 15 bis 20 m und einem Durchmesser von 200 bis 250 mm verwirklicht werden. Die Rohrschleife kann mäanderförmig verlaufen. In dem Header 14 kann ein Druck von 3 bis 10 bara herrschen.
Der Header 14 ist ebenfalls Teil der Fördervorrichtung 9. In den Header 14 ist ein Drucksensor 15 zur Drucküberwachung des Headers 14 geschaltet. Der Drucksensor 15 ist in dem Header 14 stromabwärts der Verdampfereinheit 11 und stromaufwärts des Versorgungsventils V1 platziert. Die Begriffe "stromabwärts" und "stromaufwärts" sind im Hinblick auf eine Strömungsrichtung des Wasserstoffs H2 von dem Speicherbehälter 2 zu dem Verbraucher 3 zu verstehen. Der Drucksensor 15 kann mit der Steuer- und Regeleinrichtung 13 derart kommunizieren, dass die Steuer- und Regeleinrichtung 13 Sensorsignale des Drucksensors 15 empfängt und/oder auswertet. Das Versorgungsventil V1 ist über eine Wirkverbindung 16 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 13 gekoppelt. Die Wirkverbindung 16 kann eine Datenverbindung sein. Die Wirkverbindung 16 kann drahtlos oder drahtgebunden sein. Die Steuer- und Regeleinrichtung 13 ist geeignet, das Versorgungsventil V1 bedarfsweise zu öffnen und zu schließen.
Dem Versorgungsventil V1 nachgeschaltet sind eine Leitung 17 und ein Verteiler 18, der den gasförmigen Wasserstoff H2 auf mehrere Verbraucher 3 aufteilt. Für den Fall, dass nur ein Verbraucher 3 vorgesehen ist, kann auf den Verteiler 18 verzichtet werden. In der Leitung 17 und/oder in dem Verteiler 18 herrscht ein Druck von 1 bis 2,5 bara, also ein geeigneter Versorgungsdruck für den Verbraucher 3. Der Druck in dem Header 14 ist damit im Vergleich zu dem Druck in der Leitung 17 und/oder dem Verteiler 18 deutlich höher.
Die Leitung 17 weist einen Drucksensor 19 auf, der über eine Wirkverbindung 20 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 13 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Leitung 17 einen Durchflusssensor 21, der über eine Wirkverbindung 22 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 13 gekoppelt ist. Die Steuer- und Regeleinrichtung 13 ist dazu eingerichtet, Sensorsignale des Drucksensors 19 und/oder des Durchflusssensors 21 auszuwerten und über die Wirkverbindungen 20, 22 zu empfangen.
Die Funktionalität der Förderanordnung 1 beziehungsweise der Fördervorrichtung 9 wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 erläutert, die ein Diagramm zeigt, bei dem ein Druck p in dem Speicherbehälter 2 beziehungsweise in dem Header 14 sowie eine Last oder Lastanforderung L des Verbrauchers 3 über der Zeit t aufgetragen sind.
In der Fig. 2 ist auf der Rechtsachse die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Hochachse ist der Druck p in dem Speicherbehälter 2 beziehungsweise in dem Header 14 in bar und die Lastanforderung L des Verbrauchers 3 in Prozent aufgetragen. Ein in dem Header 14 herrschender Druck p14 ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Ein in dem Speicherbehälter 2 herrschender Druck p2, der im Wesentlichen konstant ist, ist mit einer strichpunktierten Linie illustriert. Eine gestrichelte Linie 23 stellt ein Öffnungs- und Schließverhalten des Versorgungsventils V1 dar. Eine doppelt strichpunktierte Line 24 stellt ein Öffnungs- und Schließverhalten des Einlassventils V2 dar. Die Lastanforderung L des Verbrauchers 3 ist mit einer punktierten Linie dargestellt.
Zu einem Zeitpunkt tO sind beide Ventile V1 , V2 vollständig geöffnet. Solange der Verbraucher 3 eine Lastanforderung L aufweist, ist das Einlassventil V2 geöffnet und das Versorgungsventil V1 regelt den Strom an gasförmigem Wasserstoff H2 zu dem Verbraucher 3. Dies erfolgt anhand von Sensordaten des Drucksensors 19 und/oder des Durchflusssensors 21 mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung 13. Die Verdampfereinheit 11 verdampft den flüssigen Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 2.
Zu einem Zeitpunkt t1 beginnt sich die die Lastanforderung L zu reduzieren. Entsprechend der sinkenden Lastanforderung L wird das Versorgungsventil V1 mit einer geringen Verzögerung ab einem Zeitpunkt t2 geschlossen. Zu einem Zeitpunkt t3 ist die Lastanforderung L bei Null Prozent. Das Versorgungsventil V1 ist mit einer geringen Verzögerung zu einem Zeitpunkt t4 vollständig geschlossen. Zu dem Zeitpunkt t3 ist das Einlassventil V2 noch vollständig geöffnet. Zu dem Zeitpunkt t4 wird das Einlassventil V2 vollständig geschlossen. Ab dem Zeitpunkt t4 wird der Verbraucher 3 demgemäß auch nicht mehr mit Wasserstoff H2 versorgt. Der Verbraucher 3 wird nur bei einer Lastanforderung L mit Wasserstoff H2 versorgt.
Der Header 14 bildet nun ab dem Zeitpunkt t4 ein abgeschlossenes Volumen. Mit Hilfe der Verdampfereinheit 11 kann der Header 14 nun dadurch unter Druck gesetzt werden, dass der flüssige Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 2 verdampft wird. Die Verdampfereinheit 11 bringt hierzu Wärme Q in den flüssigen Wasserstoff H2 ein. Das Verdampfen des Wasserstoffs H2 ist in dem Diagramm mit Hilfe eines schraffierten Bereichs 25 angedeutet. Zu einem Zeitpunkt t5 ist der Wasserstoff H2 in dem Header 14 und in der Verdampfereinheit 11 vollständig verdampft und in dem Header 14 herrscht, wie zuvor erwähnt, ein Druck von 3 bis 10 bara.
Der schraffierte Bereich 25 stellt insbesondere den Druckaufbau durch eine Nachverdampfung des in der Verdampfereinheit 11 noch vorliegenen flüssigen Wasserstoffs H2 dar. Im Normalbetrieb ist die Verdampfereinheit 11 nicht vollständig gasförmig gefüllt, sondern in Rohren der Verdampfereinheit 11 ergibt sich aus der Last und der Wärmeübertragung ein Flüssigstand. Dieser Flüssigkeitsstand des flüssigen Wasserstoffs H2 wird zum Druckaufbau genutzt. Zu dem Zeitpunkt t5 ist sämtlicher Wasserstoff H2 in der Verdampfereinheit 11 und in dem Header 14 verdampft.
Zu einem beliebigen Zeitpunkt t6, zu dem noch beide Ventile V1 , V2 geschlossen sind, erfolgt eine Lastanforderung L des Verbrauchers 3. Das Versorgungsventil V1 wird mit einer geringen Verzögerung zu einem Zeitpunkt t7 geöffnet und auf Basis von Sensordaten des Drucksensors 19 und des Durchflusssensors 21 über die Steuer- und Regeleinrichtung 13 derart angesteuert, dass der Verbraucher 3 mit gasförmigem Wasserstoff H2 mit einem wie zuvor erwähnten geeigneten Versorgungsdruck versorgt wird. Durch den in dem Header 14 gespeicherten Wasserstoff H2 ist ein schnelles Anfahren des Verbrauchers 3 möglich, wie in der Fig. 2 mit Hilfe eines schraffierten Bereichs 26 angedeutet ist.
Da in dem Header 14 zu dem Zeitpunkt t6 nun ein hoher Druck p14 herrscht, ist es möglich, den Verbraucher 3 sofort mit gasförmigen Wasserstoff H2 zu versorgen. Es kann darauf verzichtet werden, bei der Lastanforderung L zunächst die Verdampfereinheit 11 zu füllen und den flüssigen Wasserstoff H2 zu verdampfen. Zu einem Zeitpunkt t8 ist die Lastanforderung bei 100 Prozent. Das Versorgungsventil V1 ist mit einer geringen Verzögerung zu einem Zeitpunkt t9 vollständig geöffnet. Das Einlassventil V2 ist zu dem Zeitpunkt t9 noch geschlossen.
Zu einem Zeitpunkt t10 fällt der Druck in dem Header 14 unter den Druck in dem Speicherbehälter 2. Mit einer geringen Verzögerung kann zu einem Zeitpunkt t11 das Einlassventil V2 wieder geöffnet werden, um die Verdampfereinheit 11 und/oder den Header 14 mit flüssigem Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 2 zu beschicken. Die Versorgung des Verbrauchers 3 mit dem geeigneten Versorgungsdruck kann dann wieder über das Versorgungsventil V1 erfolgen.
Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Versorgen des Verbrauchers 3 mit Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 2. Das Verfahren wird mit Hilfe der Förderanordnung 1 beziehungsweise der Fördervorrichtung 9 durchgeführt.
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S1 ein Teil des Wasserstoffs H2 aus dem Speicherbehälter 2 in den von dem Verbraucher 3 und von dem Speicherbehälter 2 abtrennbaren Header 14 eingeleitet. Hierzu ist das Einlassventil V2 geöffnet. In einem Schritt S2 wird der Header 14 von dem Verbraucher 3 und von dem Speicherbehälter 2 abgetrennt. Hierzu wird während des Schritts S2 das Versorgungsventil V1 geschlossen. Während des Schritts S2 wird auch das stromaufwärts des Versorgungsventils V1 platzierte Einlassventil V2 geschlossen.
In einem Schritt S3 wird der Wasserstoff H2 in dem abgetrennten Header 14 verdampft, so dass der Header 14 mit dem Druck p14 beaufschlagt wird, der höher als der in dem Speicherbehälter 2 herrschende Druck p2 ist. Während des Schritts S3 wird mit Hilfe der Verdampfereinheit 11 Wärme Q in den flüssigen Wasserstoff H2 in dem Header 14 eingebracht, um den flüssigen Wasserstoff H2 in dem Header 14 vollständig zu verdampfen.
In einem Schritt S4 wird bei einer Lastanforderung L des Verbrauchers 3 der verdampfte Wasserstoff H2 aus dem Header 14 zu dem Verbraucher 3 ausgeleitet. Während des Schritts S4 wird der in dem Header 14 herrschende Druck p14 bei dem Ausleiten des Wasserstoffs H2 aus dem Header 14 mit Hilfe des Versorgungsventils V1 auf den für den Verbraucher 3 geeigneten Versorgungsdruck reduziert. Der für den Verbraucher 3 geeignete Versorgungsdruck ist kleiner als der in dem Speicherbehälter 2 herrschende Druck p2.
Während des Schritts S4 wird das Versorgungsventil V1 in Abhängigkeit von der Lastanforderung L des Verbrauchers 3 geöffnet. Dabei wird das Versorgungsventil V1 mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung 13 basierend auf Sensorsignalen des stromabwärts des Versorgungsventils V1 angeordneten Drucksensors 19 und/oder des Durchflusssensors 21 angesteuert.
Das Einlassventil V2 bleibt geschlossen, solange der Druck p14 in dem Header 14 größer als der in dem Speicherbehälter herrschende Druck p2 ist. Das Einlassventil V2 wird geöffnet, sobald der Druck p14 in dem Header 14 unter den in dem Speicherbehälter herrschenden Druck p2 abfällt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Verwendete Bezugszeichen
1 Förderanordnung 2 Speicherbehälter
3 Verbraucher
4 Symmetrieachse
5 Gaszone
6 Flüssigkeitszone
7 Phasengrenze
8 Drucksensor 9 Fördervorrichtung
10 Leitung
11 Verdampfereinheit
12 Wirkverbindung
13 Steuer- und Regeleinrichtung
14 Header/Volumen
15 Drucksensor 16 Wirkverbindung 17 Leitung
18 Verteiler 19 Drucksensor 20 Wirkverbindung
21 Durchflusssensor 22 Wirkverbindung 23 Linie
24 Linie 25 Bereich 26 Bereich g Schwerkraftrichtung H2 Wasserstoff/Kryogen
L Lastanforderung
P Druck P2 Druck p14 Druck Q Wärme
51 Schritt
52 Schritt
53 Schritt
54 Schritt t Zeit tO Zeitpunkt t1 Zeitpunkt t2 Zeitpunkt t3 Zeitpunkt t4 Zeitpunkt t5 Zeitpunkt t6 Zeitpunkt t7 Zeitpunkt t8 Zeitpunkt t9 Zeitpunkt t10 Zeitpunkt t11 Zeitpunkt
V1 Versorgungsventil
V2 Einlassventil

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Versorgen eines Verbrauchers (3) mit einem Kryogen (H2) aus einem Speicherbehälter (2), mit folgenden Schritten: a) Einleiten (S1) eines Teils des Kryogens (H2) aus dem Speicherbehälter (2) in ein von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2) abtrennbares Volumen (14), b) Abtrennen (S2) des Volumens (14) von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2), indem zuerst ein zwischen dem Volumen (14) und dem Verbraucher (3) angeordnetes Versorgungsventil (V1) und anschließend ein zwischen dem Speicherbehälter (2) und dem Volumen (14) angeordnetes Einlassventil
(V2) geschlossen wird, c) Verdampfen
(S3) des Kryogens (H2) in dem Volumen (14), so dass das Volumen (14) mit einem Druck (p14) beaufschlagt wird, der höher als ein in dem Speicherbehälter (2) herrschender Druck (p2) ist, und d) Ausleiten
(S4) des verdampften Kryogens (H2) aus dem Volumen (14) zu dem Verbraucher (3) bei einer Lastanforderung (L) des Verbrauchers (3), indem das Versorgungsventil (V1) geöffnet wird, wobei das Einlassventil (V2) bei geöffnetem Versorgungsventil (V1) geöffnet wird, sobald der Druck (p14) in dem Volumen (14) unter den in dem Speicherbehälter (2) herrschenden Druck (p2) abfällt. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei während des Schritts d) der in dem Volumen (14) herrschende Druck (p14) bei dem Ausleiten des Kryogens (H2) aus dem Volumen (14) mit Hilfe des Versorgungsventils (V1) auf einen für den Verbraucher (3) geeigneten Versorgungsdruck reduziert wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der für den Verbraucher (3) geeignete Versorgungsdruck kleiner als der in dem Speicherbehälter (2) herrschende Druck (p2) ist. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei während des Schritts d) das Versorgungsventil (V1) in Abhängigkeit von der Lastanforderung (L) des Verbrauchers (3) geöffnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 4, wobei während des Schritts d) das Versorgungsventil (V1) mit Hilfe einer Steuer- und Regeleinrichtung (13) basierend auf Sensorsignalen eines stromabwärts des Versorgungsventils (V1) angeordneten Drucksensors (19) und/oder eines Durchflusssensors (21) angesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei das Einlassventil (V2) geschlossen ist, solange der Druck (p14) in dem Volumen (14) größer als der in dem Speicherbehälter (2) herrschende Druck (p2) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei während des Schritts c) mit Hilfe einer Verdampfereinheit (11) Wärme (Q) in das Kryogen (H2) eingebracht wird, um dieses zu verdampfen.
8. Fördervorrichtung (9) zum Versorgen eines Verbrauchers (3) mit einem Kryogen (H2) aus einem Speicherbehälter (2), mit einem Einlassventil (V2), das zwischen dem Speicherbehälter (2) und dem Volumen (14) angeordnet ist, einem Versorgungsventil (V1), das zwischen dem Volumen (14) und dem Verbraucher (3) angeordnet ist, einem von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2) abtrennbaren Volumen (14), einer Verdampfereinheit (11), und einer Steuer- und Regeleinrichtung (13), wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, das Einlassventil (V2) derart anzusteuern, dass das Einlassventil (V2) einen Teil des Kryogens (H2) aus dem Speicherbehälter (2) in das Volumen (14) einleitet, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, das Einlassventil (V2) und das Versorgungsventil (V1) derart anzusteuern, dass das Einlassventil (V2) und das Versorgungsventil (V1) das Volumen (14) von dem Verbraucher (3) und von dem Speicherbehälter (2) abtrennen, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, zuerst das Versorgungsventil (V1) und anschließend das Einlassventil (V2) zu schließen, wobei die Verdampfereinheit (11) dazu eingerichtet ist, das in dem abgetrennten Volumen (14) aufgenommene Kryogen (H2) zu verdampfen, um das abgetrennte Volumen (14) mit einem Druck (p14) zu beaufschlagen, der höher als ein in dem Speicherbehälter (2) herrschender Druck (p2) ist, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, das Versorgungsventil (V1) derart anzusteuern, dass das Versorgungsventil (V1) das verdampfte Kryogen (H2) bei einer Lastanforderung des Verbrauchers (3) aus dem abgetrennten Volumen (14) zu dem Verbraucher (3) ausleitet, und wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, das Einlassventil (V2) bei geöffnetem Versorgungsventil (V1) zu öffnen, sobald der Druck (p14) in dem Volumen (14) unter den in dem Speicherbehälter (2) herrschenden Druck (p2) abfällt.
9. Fördervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Versorgungsventil (V1) stromabwärts des Einlassventils (V2) angeordnet ist.
10. Fördervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Volumen (14) zwischen dem Einlassventil (V2) und dem Versorgungsventil (V1) vorgesehen ist.
11. Fördervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10, wobei das Volumen (14) mit Hilfe einer oder mehrerer Rohrschleifen, einer Rohrleitung und/oder eines Speichervolumens gebildet ist.
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