EP4517153A1 - Verfahren und anlage zum gleichzeitigen betanken einer vielzahl von fahrzeugen mit wasserstoff - Google Patents

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EP4517153A1
EP4517153A1 EP23020401.8A EP23020401A EP4517153A1 EP 4517153 A1 EP4517153 A1 EP 4517153A1 EP 23020401 A EP23020401 A EP 23020401A EP 4517153 A1 EP4517153 A1 EP 4517153A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
refueling
compression device
vehicles
filling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23020401.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Fahrner
Karl Jojo VIDIC
Sabrina Lang
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for simultaneously refueling a plurality of vehicles with hydrogen, as well as a system for this purpose, e.g. a hydrogen filling station.
  • Hydrogen which is used as fuel for vehicles, for example, can be provided via so-called hydrogen filling stations.
  • Two types of hydrogen filling stations can be distinguished.
  • the first type uses liquid hydrogen as a source and compresses the hydrogen into a liquid state, i.e. in liquid form.
  • the second type has a gaseous hydrogen source and compresses the hydrogen into a gaseous state, i.e. the hydrogen is at least initially obtained in gaseous form and is also compressed into a gaseous state.
  • two basic system areas can be distinguished in a hydrogen filling station.
  • the first system area concerns the compression of the hydrogen, its storage, as well as its conditioning and cooling.
  • the second system area includes a hydrogen dispenser and the associated refueling equipment such as breakaway and refueling couplings and the refueling hose.
  • the task is to make refueling vehicles with hydrogen as cost- and energy-efficient as possible, but also as quick as possible.
  • the invention deals with the refueling of vehicles with hydrogen as well as corresponding systems and their operation.
  • hydrogen filling stations in particular come into consideration as such systems.
  • the first type uses liquid hydrogen as a source and compresses the hydrogen in liquid form.
  • the second type has a gaseous hydrogen source, ie receives the hydrogen in gaseous form, and compresses the hydrogen in gaseous form.
  • the present invention deals with the second type of hydrogen filling stations or generally the compression, storage and provision of hydrogen.
  • hydrogen is usually compressed in several stages (typically intermediate stage and cylinder jacket cooled) to up to 1000 bar and stored in medium and/or high pressure banks at e.g. between 500 and 1000 bar.
  • the hydrogen is usually specifically preconditioned in terms of pressure and mass flow using a so-called pressure ramp controller.
  • the current standards e.g. SAE J2601, JPEC-S0003, Phryde protocol or CEP protocol
  • gaseous hydrogen heats up due to the negative Joule-Thomson effect in the course of isenthalpic relaxation.
  • hydrogen is obtained and compressed using a compression device.
  • the compression device can in particular have an ionic compressor or be designed as such.
  • the hydrogen is obtained from one or more electrolysis units (or an electrolysis plant, in particular on an industrial scale).
  • the compressed hydrogen is then fed to a filling system with a plurality of refueling paths.
  • hydrogen is simultaneously fed to the plurality of refueling paths, in particular to each refueling path.
  • hydrogen is obtained and delivered to a connected vehicle (ie, to a tank of the vehicle in question) - in total, hydrogen is delivered to several connected vehicles at the same time.
  • This delivery of hydrogen to vehicles takes place in each of several Refueling cycles, i.e. simultaneous refueling is carried out on the one hand, but also sequential refueling on the other. It is not necessary for the same number of vehicles to be refueled in each refueling cycle.
  • Each refueling path can have, for example, a changeover valve, a mass flow-controlled pressure regulator, and a coupling device for connection to a vehicle.
  • each refueling path can be cooled, in particular by means of a water/glycol-air heat exchanger. Cooling to 10 °C is feasible, for example.
  • the energy required for optional ambient cooling is very low, as only electrical energy is needed for a small water pump, for example, to maintain the flow.
  • the hydrogen after it has been compressed by means of the compression device, is fed at least partially to a medium-pressure storage system if required. From the medium-pressure storage system, the hydrogen is then fed (again) to the compression device if required (internal bypass, so partial overflow into the tank system without compression is possible) and then fed to the plurality of refueling paths.
  • a medium-pressure storage system From the medium-pressure storage system, the hydrogen is then fed (again) to the compression device if required (internal bypass, so partial overflow into the tank system without compression is possible) and then fed to the plurality of refueling paths.
  • This is done in particular in such a way that an enthalpy flow into the respective vehicles or their vehicle tanks has a sufficient minimum in order to mitigate tank overheating and simultaneously to fully refuel as many vehicles as possible in a limited period of time. For example, during a predetermined period of time in which no vehicle is to be refueled (e.g.
  • the hydrogen is at least partially fed to the medium-pressure storage system, and during a predetermined period of time in which the large number of vehicles are to be refueled (e.g. at night), hydrogen is then fed to the compression device and then to the large number of refueling paths so that the vehicles are refueled.
  • the gas hydrogen
  • the gas can be bypassed within the compressor system so that the pressure gradient between the vehicle tank and the medium-pressure storage can be used for partial overflow refueling. Only when the vehicle tank is sufficiently high and overflow is no longer possible are the respective vehicles fully filled using what is known as compressor refueling.
  • Such a medium-pressure storage system can, for example, be designed for a pressure of around 200 bar (or a value between 150 bar and 250 bar) and is used for intermediate storage.
  • the use of the medium-pressure storage system is particularly useful when obtaining hydrogen from electrolysis units, but it is also conceivable to use the medium-pressure storage system when obtaining hydrogen from other sources, if necessary or expedient.
  • a mass flow of the hydrogen compressed by the compression device and supplied to the filling system is limited depending on a predetermined maximum temperature of the hydrogen.
  • the maximum permitted average mass flow at an ambient temperature of 45 °C can be approximately 6.3 kg/h for the underlying tank system volume. In this way, overheating is avoided.
  • the proposed method of simultaneously refueling vehicles allows, for example, seven vehicles with a so-called Type 4 tank system (the tank system volume used in the calculation is 1.56 m 3 ) to be filled in batches simultaneously and uncooled with up to 30 kg of hydrogen each within five hours without causing the tank to overheat.
  • the compressor system used e.g. ionic compressor
  • the compressor system used can provide a mass flow of up to 52 kg/h, with a mass flow control controlled, for example, by means of a frequency converter, limiting the maximum permitted mass flows in order to comply with the temperature limits of the respective tank systems.
  • the maximum permitted average mass flow at 45 °C is Environment, for example, around 6.3 kg/h for the underlying tank system volume.
  • a pressure surge to determine the starting pressure and a leak check can be carried out after the vehicles have been coupled as part of a fully automated controlled step chain.
  • the sequential tranche processing enables a shortened waiting time, for example to get municipal bus fleets ready for the next shift.
  • the filling system is set up for seven or a multiple of seven vehicles that can be connected. For example, seven vehicles can be filled up first, and as soon as these are fully filled up, the next seven vehicles can be filled up immediately.
  • seven vehicles can be filled up first, and as soon as these are fully filled up, the next seven vehicles can be filled up immediately.
  • other numbers of vehicles can also be filled up at the same time.
  • FIG. 1 a system 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, by means of which a method according to the invention can also be carried out.
  • This is a simplified process diagram.
  • a concrete example of a system 100 designed as a hydrogen filling station with an ionic compressor as a compression device 130 and a filling system 140 is shown.
  • the system 100 serves to simultaneously fill a large number of vehicles with hydrogen, although only one vehicle 150 is shown as an example.
  • an electrolysis device 110 is shown, from which hydrogen a is obtained and fed to the compression device 130.
  • the valve 112 can be opened.
  • the electrolysis device 110 can be part of the system 100, but it does not have to be; for example, the hydrogen can also be transported via a pipeline from the electrolysis device 110 to the system 100 or there to the compression device 130.
  • Hydrogen can be supplied from the compression device 130 to the filling system 140.
  • the system 100 also has a medium-pressure storage system 120.
  • the medium-pressure storage system 120 can, for example, comprise one or more storage tanks or storage banks in which hydrogen can be stored at approximately 200 bar.
  • the hydrogen can be supplied at least partially to the medium-pressure storage system 130 if required; this is shown with stream d.
  • the valve 122 can be opened.
  • the hydrogen shown here as stream d, can be supplied from the medium-pressure storage system 120 to the compression device 130 if required and then, like stream b, to the filling system 104.
  • the valve 124 can be opened.
  • the filling system 140 has, for example, seven refueling paths 140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7, to each of which hydrogen can be or is supplied from the compression device 130.
  • the refueling path 140.1 has a switching valve 142.1, a mass flow-controlled pressure regulator 144.1, a heat exchanger 146.1 and a coupling device 148.1 for connection to the vehicle 150, which then can be fueled with hydrogen, here electricity e
  • the heat exchanger 146.1 can be, for example, a water or glycol-air heat exchanger.
  • the filling system 140 can also comprise further refueling paths, e.g. a further seven or fourteen refueling paths, or generally 7 n refueling paths with n being a number greater than or equal to 1 and e.g. a maximum of 49.
  • the filling system 140 can be set up to switch from the seven refueling paths 140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7 shown to other seven refueling paths in order to refuel vehicles connected there, e.g. in a subsequent refueling cycle.
  • the electrolysis device 110 produces hydrogen at 36 kg/h, for example, which is compressed using the compression device 130 and fed into the medium-pressure storage system 120 at around 200 bar. This takes place, for example, at a time of day when no vehicle needs to be refueled. If, in the example shown, more than seven vehicles, e.g. an entire vehicle fleet, have to be refueled simultaneously, this can be done in batches of seven vehicles each.
  • the compression device 130 can be used to simultaneously refuel seven vehicles, each with up to approx. 30 kg of hydrogen, even at elevated ambient temperatures of more than 39 °C.
  • the compression device 130 takes the required amount of hydrogen from the medium-pressure storage system 120, which serves as a buffer storage here. As part of the refueling process of the first vehicle tranche of, for example, seven vehicles, these are coupled to the filling system 140, a so-called header dispenser, which can accordingly comprise seven filling points (the coupling devices mentioned).
  • the refueling can be carried out completely independently.
  • the aforementioned switching valves of the filling system 140 can enable the respective refueling processes of the vehicle tranches (here consisting of seven vehicles). After the seven vehicles have been filled, it is possible to switch to the next seven vehicles by switching the relevant switching valves.
  • the filling system 140 can also be cooled with the aforementioned cooling or heat exchangers to e.g. 10 °C or at least approximately to ambient temperature.
  • the energy required for this ambient cooling is very low, since only a small water pump requires electrical energy to maintain the flow.
  • FIG 2 a system 200 according to the invention is shown schematically in a further preferred embodiment, by means of which a method according to the invention can also be carried out.
  • This is a simplified process diagram.
  • a concrete example of a system 200 designed as a hydrogen filling station with an ionic compressor as compression device 130 and a filling system 140 is shown.
  • the system 100 serves to simultaneously fill a large number of vehicles with hydrogen, although only one vehicle 150 is shown as an example.
  • the system 100 does not have an electrolysis system, for example, but instead the hydrogen, stream a, is received from a tanker 210 (which is only shown very schematically here) and fed to the compression device 130 and then to the filling system 140.
  • the valve 212 e.g. on the tanker and/or on the compression device 130
  • the tanker can also be provided in parallel or one after the other.
  • no medium-pressure storage system is provided here either, since the tankers themselves form a storage system for the hydrogen anyway.
  • the maximum permitted average mass flow at 45 °C ambient is around 6.3 kg/h for the underlying tank system volume.
  • No human personnel is required to complete the refueling successfully, as the process can be fully automated. Only the coupling and uncoupling of the vehicles can be carried out by human personnel.
  • the pressure surge to determine the starting pressure and the leak check can be carried out after the vehicles have been coupled in the course of a fully automated controlled step chain.
  • the sequential tranche processing enables a shortened waiting time, for example to get municipal bus fleets ready for the next shift. No medium-pressure cascade is required for this and the Refueling is carried out online by the compression device, the flow control of which can be kept very simple (e.g. a piston compressor with frequency converter-controlled speed control).
  • the refueling ramps in the individual refueling paths can also be varied dynamically during the filling or refueling process.

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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen (150) mit Wasserstoff, wobei Wasserstoff (a) erhalten und mittels einer Verdichtungseinrichtung (130) verdichtet wird, wobei der verdichtete Wasserstoff (b) gleichzeitig einer Vielzahl von Betankungspfaden (140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7) eines Befüllungssystems (140) zugeführt wird, wobei in jedem von mehreren Betankungszyklen in zumindest einigen der Betankungspfade Wasserstoff erhalten und an mehrere angeschlossene Fahrzeuge (150) gleichzeitig abgegeben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff, sowie eine Anlage hierzu, z.B. eine Wasserstofftankstelle.
  • Wasserstoff, der z.B. als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet wird, kann über sog. Wasserstofftankstellen bereitgestellt werden. Es können zwei Arten von Wasserstofftankstellen unterschieden werden. Die erste Art nutzt flüssigen Wasserstoff als Quelle und verdichtet den Wasserstoff flüssig, d.h. in flüssiger Form. Die zweite Art hingegen hat eine gasförmige Wasserstoffquelle und verdichtet den Wasserstoff gasförmig, d.h. der Wasserstoff wird zumindest zunächst gasförmig erhalten und auch gasförmig verdichtet. Zudem können bei einer Wasserstofftankstelle zwei grundlegende Systembereiche unterschieden werden. Der erste Systembereich betrifft die Verdichtung des Wasserstoffes, dessen Speicherung sowie dessen Konditionierung und Kühlung. Der zweite Systembereich umfasst einen Wasserstoffdispenser und das dazugehörige Betankungsequipment wie beispielsweise Abreiß- und Betankungskupplung sowie den Betankungsschlauch.
  • Aufgrund der Kompressionswärme, die beim Befüllen von Wasserstofffahrzeugen mit Wasserstoff entsteht, sowie aufgrund des negativen Joule Thompson Effektes von Wasserstoff, welcher während einer Überströmbetankung auftritt, ist es in der Regel notwendig, den zu vertankenden Wasserstoff auf bis zu -40 °C vorzukühlen. Die Tanktemperatur im Fahrzeug darf dabei aus Sicherheitsgründen eine bestimmte Temperatur an der Tankinnenwand, in der Regel 85 °C, nicht überschreiten. Dies ist sowohl bei einer kaskadierten Befüllung als auch bei einer Direktbefüllung oder auch einer Mischform dieser beiden Befüllarten zu berücksichtigen. Bei langsamen Betankungen kann eine Vorkühlung des Wasserstoffs entfallen, jedoch dauern diese ungekühlten Betankungen im Vergleich zu aktiv gekühlten Betankungen wesentlich länger.
  • Nicht nur Betreiber oder Inhaber von sog. Back-to-Base-Wasserstofftankstellen, für z.B. kommunale Wasserstofffahrzeuge wie Linienbusses oder Servicefahrzeuge, streben danach, eine sehr kostengünstige Betankung von Wasserstofffahrzeugen umzusetzen. Da z.B. bis zu einem Drittel der Kosten einer Wasserstofftankstelle der Wasserstoffvorkühlung geschuldet sind und auch Kaskadenspeicher einen signifikanten Kostentreiber darstellen, ist es wünschenswert, diese beiden Faktoren weitestmöglich zu minimieren. Ungekühlte Wasserstoffbetankungen ohne Kaskadenspeicher dauern jedoch zu lange, um technoökonomisch und logistisch vertretbare Betankungsvorgänge, insbesondere für Fahrzeugflotten, zu realisieren. Aufgrund der niedrigen Performance sinkt somit die Attraktivität von wasserstoffbetriebenen Systemen im Vergleich zu Benzin-, Diesel- oder Batteriebetriebenen Fahrzeugen.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Betanken von Fahrzeugen mit Wasserstoff möglichst kosten- und energieeffizient, aber auch schnell zu gestalten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betanken von Fahrzeugen mit Wasserstoff sowie entsprechenden Anlagen und deren Betrieb. Wie eingangs erwähnt, kommen insbesondere Wasserstofftankstellen als solche Anlagen in Betracht.
  • Wie erwähnt, können zwei Arten von Wasserstofftankstellen unterschieden werden. Die erste Art nutzt flüssigen Wasserstoff als Quelle und verdichtet den Wasserstoff flüssig, d.h. in flüssiger Form. Die zweite Art hingegen hat eine gasförmige Wasserstoffquelle, d.h. erhält den Wasserstoff gasförmig, und verdichtet den Wasserstoff gasförmig. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich dabei mit der zweiten Art von Wasserstofftankstellen bzw. allgemein dem Verdichten, ggf. Speichern und Bereitstellen von Wasserstoff.
  • Bei einer Wasserstofftankstelle zweiter Art wird Wasserstoff in der Regel mehrstufig (typischerweise zwischenstufen- sowie zylindermantelgekühlt) auf bis zu 1000 bar verdichtet und in Mittel- und/oder Hochdruckbanken bei z.B. zwischen 500 und 1000 bar gespeichert. Beim Betanken eines Fahrzeugs am Dispenser der Wasserstofftankstelle wird der Wasserstoff in der Regel über einen sog. Druckrampenregler betreffend Druck und Massenstrom gezielt vorkonditioniert. Um wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entsprechend den gängigen Normen (z.B. SAE J2601, JPEC-S0003, Phryde-Protokoll oder CEP-Protokoll) mit Wasserstoff zu betanken, ist es in aller Regel erforderlich, den Wasserstoff vor dem Betankungsvorgang auf Temperaturen von bis zu 233,15 K (bzw. -40 °C) vorzukühlen. In den relevanten Temperaturbereichen erwärmt sich gasförmiger Wasserstoff, aufgrund des negativen Joule-Thomson Effekts, im Zuge einer isenthalpen Entspannung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit zum gleichzeitigen (d.h. simultanen) Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff vorgeschlagen. Hierzu wird Wasserstoff erhalten und mittels einer Verdichtungseinrichtung verdichtet. Die Verdichtungseinrichtung kann insbesondere einen ionischen Verdichter oder Kompressor aufwiesen oder als solche rausgebildet sein. Der Wasserstoff wird, in einer Ausführungsform, von einer oder mehrerer Elektrolyseeinheiten (oder einer Elektrolyseanlage, insbesondere in industriellem Maßstab) erhalten. Denkbar ist aber auch, den Wasserstoff von einem oder mehreren Tankfahrzeugen oder über Pipelines zu erhalten. Auch Mischformen davon sind denkbar.
  • Der verdichtete Wasserstoff wird dann einem Befüllungssystem mit einer Vielzahl von Betankungspfaden zugeführt, Mit anderen Worten wird gleichzeitig (d.h. simultan) der Vielzahl von Betankungspfaden, also insbesondere jedem Betankungspfad, Wasserstoff zugeführt. In zumindest einigen der Betankungspfade, oder auch in allen, wird dabei Wasserstoff erhalten und an ein jeweils angeschlossenes Fahrzeug (d.h., an einen Tank des betreffenden Fahrzeugs) abgegeben - insgesamt wird also an mehrere angeschlossenen Fahrzeuge gleichzeitig Wasserstoff abgegeben. Diese Abgabe von Wasserstoff an Fahrzeuge erfolgt in jedem von mehreren Betankungszyklen, es wird also einerseits eine simultane, anderseits aber auch eine sequentielle Betankung vorgenommen. Dabei muss nicht notwendigerweise in jedem Betankungszyklus die gleiche Anzahl an Fahrzeugen betankt werden. Jeder Betankungspfad kann dabei z.B. ein Umschaltventil, einen massenflussgesteuerten Druckregler, und eine Kupplungseinrichtung zum Anschluss an ein Fahrzeug aufweisen. In einer Ausführungsform kann jeder Betankungspfad jeweils gekühlt werden, insbesondere mittels eines Wasser-/Glycol-Luft-Wärmetauschers. Machbar ist z.B. eine Kühlung auf 10 °C.
  • Auf diese Weise ist es möglich eine Vielzahl von Fahrzeugen in relativ kurzer Zeit simultan und ungekühlt (oder allenfalls mit geringer Kühlung, wie erwähnt) zu betanken, und zwar nicht kaskadiert, sondern über eine Verdichter- oder Kompressoreinheit, ohne die maximale Tankendtemperatur dieser Fahrzeuge zu überschreiten. Insbesondere können so z.B. innerhalb von ca. 5 Stunden sieben Fahrzeuge mit einer Tankkapazität von ca. 38 kg Wasserstoff mit einem Druck von ca. 350 bar betankt werden. Der Vorteil liegt darin, dass durch den geringen Enthalpiestrom je Fahrzeugtank erstens die Kühlleistung gegen Null konvergiert, aber zeitgleich gewährleistet wird, dass so viele Fahrzeuge wie möglich, so rasch wie möglich fertigbetankt werden können. Dies kann auch voll automatisch erfolgen.
  • Der, zur optionalen Umgebungskühlung erforderliche, Energieaufwand ist sehr gering, da lediglich z.B. für eine kleine Wasserpumpe elektrische Energie zur Aufrechterhaltung des Durchflusses benötigt wird.
  • In einer Ausführungsform wird der Wasserstoff, nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung verdichtet worden ist, bei Bedarf zumindest teilweise einem Mitteldruckspeichersystem zugeführt. Von dem Mitteldruckspeichersystem wird der Wasserstoff bei Bedarf dann (wieder) der Verdichtungseinrichtung zugeführt (interner Bypass, daher ist ein partielles Überströmen in das Tanksystem ohne Kompression möglich) und dann der Vielzahl von Betankungspfaden zugeführt. Dies erfolgt insbesondere so, dass ein Enthalpiestrom in die jeweiligen Fahrzeuge bzw. deren Fahrzeugtanks ein ausreichendes Minimum aufweist, um eine Tanküberhitzung zu mitigieren und zeitgleich so viele Fahrzeuge wie möglich in einer begrenzten Zeitspanne fertig zu betanken. So kann z.B. während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der keine Betankung eines Fahrzeugs erfolgen soll (z.B. tagsüber, wenn die Fahrzeuge im Einsatz sind), der Wasserstoff zumindest teilweise dem Mitteldruckspeichersystem zugeführt werden, und während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der eine Betankung der Vielzahl der Fahrzeuge erfolgen soll (z.B. nachts), wird Wasserstoff dann der Verdichtungseinrichtung und dann der Vielzahl von Betankungspfaden zugeführt, sodass die Betankung der Fahrzeugen erfolgt. Dabei kann innerhalb des Verdichtersystems das Gas (Wasserstoff) insofern gebypassed werden, dass das Druckgefälle zwischen Fahrzeugtank und Mitteldruckspeicher für eine partielle Überströmbetankung genutzt werden kann. Erst wenn der Fahrzeugtank entsprechend hoch ist und ein Überströmen nicht mehr möglich ist, werden die jeweiligen Fahrzeuge mittels einer sogenannten Kompressorbetankung fertigbefüllt.
  • Ein solches Mitteldruckspeichersystem kann z.B. auf einen Druck von ca. 200 bar (oder auch einen Wert zwischen 150 bar und 250 bar) ausgelegt sein und dient der Zwischenspeicherung. Insofern ist die Verwendung des Mitteldruckspeichersystems insbesondere bei Erhalt des Wasserstoffs von Elektrolyseeinheiten zweckmäßig, denkbar ist aber auch, das Mitteldruckspeichersystem bei anderweitigem Erhalt des Wasserstoffs zu verwenden, falls erforderlich oder zweckdienlich.
  • In einer Ausführungsform wird ein Massenfluss des von der Verdichtungseinrichtung verdichteten und dem Befüllungssystem zugeführten Wasserstoffs in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Wasserstoffs begrenzt. So kann der maximal erlaubte, mittlere Massenstrom bei 45 °C Umgebung z.B. beispielsweise etwa 6,3 kg/h für das zugrundegelegte Tanksystemvolumen betragen. Auf diese Weise wird eine Überhitzung vermieden.
  • Die vorgeschlagene Art der gleichzeitigen Betankung von Fahrzeugen erlaubt es z.B. innerhalb von fünf Stunden sieben Fahrzeuge mit einem sog. Typ-4-Tanksystem (das der Berechnung zugrunde gelegte Tanksystemvolumen beträgt hier 1,56 m3) tranchenweise simultan und ungekühlt mit je bis zu 30 kg Wasserstoff zu befüllen, ohne eine Tanküberhitzung zu verursachen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass mit dem verwendeten Verdichtersystem (z.B. ionischer Verdichter) ein Massenstrom von bis zu 52 kg/h zur Verfügung gestellt werden kann, wobei eine z.B. mittels Frequenzumrichter gesteuerte Massenstromregelung die maximal erlaubten Massenstrome begrenzt, um die Temperaturgrenzen der jeweiligen Tanksysteme einzuhalten. So beträgt der maximal erlaubte, mittlere Massenstrom bei 45 °C Umgebung beispielsweise etwa 6,3 kg/h für das zugrundegelegte Tanksystemvolumen. Um die Betankung erfolgreich zu absolvieren, wird insbesondere keinerlei menschliches Personal benötigt, was techno-ökonomische und sicherheitstechnische Vorteile mit sich bringt. Ein Druckstoß zur Startdruckermittlung, sowie ein Dichtheitscheck können nach dem Ankoppeln der Fahrzeuge im Rahmen einer vollautomatisiert gesteuerten Schrittkette durchgeführt werden. Die sequenzielle Tranchenabfertigung ermöglicht eine verkürzte Wartezeit, um z.B. kommunale Busflotten für die folgende Schicht startbereit zu machen.
  • Dafür wird keine Mitteldruckkaskade benötigt und die Betankung erfolgt z.B. online durch die Verdichtungseinrichtung bzw. einen Kompressor, dessen Durchflussregelung sehr einfach gehalten werden kann (z.B. Kolbenkompressor mit Frequenzumrichter-geregelter Drehzahlsteuerung).
  • Bei den genannten Daten ist es z.B. auch zweckmäßig, wenn Befüllungssystem für sieben oder ein Vielfaches von sieben an ankoppelbaren Fahrzeugen eingerichtet ist. So können z.B. zunächst sieben Fahrzeugen betankt werden, sobald diese vollständig betankt sind, können sofort die nächsten sieben Fahrzeuge betankt werden. Hierzu sei jedoch erwähnt, dass je nach Art der Fahrzeuge und deren Tankgrößen sowie der zur Verfügung stehenden Zeitdauer für eine Betankung auch andere Anzahlen an Fahrzeugen gleichzeitig betankt werden können.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 2
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäßen Anlage 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Es handelt sich hierbei um ein vereinfachtes Verfahrensschema. Dabei ist insbesondere ein konkretes Beispiel für eine als Wasserstofftankstelle ausgebildete Anlage 100 mit einem ionischen Verdichter als Verdichtungseinrichtung 130 und einem Befüllungssystem 140 gezeigt. Dabei dient die Anlage 100 zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff, wenngleich beispielhaft nur ein Fahrzeug 150 gezeigt ist.
  • In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist eine Elektrolyseeinrichtung 110 gezeigt, von welcher Wasserstoff a erhalten und der Verdichtungseinrichtung 130 zugeführt wird. Hierzu kann das Ventil 112 geöffnet werden. Die Elektrolyseeinrichtung 110 kann Teil der Anlage 100 sein, muss es jedoch nicht; so kann der Wasserstoff z.B. auch über eine Pipeline von der Elektrolyseeinrichtung 110 zur Anlage 100 bzw. dort der Verdichtungseinrichtung 130 transportiert werden.
  • Von der Verdichtungseinrichtung 130 kann Wasserstoff, hier als Strom b bezeichnet, dem Befüllungssystem 140 zugeführt werden. Die Anlage 100 weist in einer Ausführungsform auch ein Mitteldruckspeichersystem 120 auf. Das Mitteldruckspeichersystem 120 kann z.B. einen oder mehrere Speichertanks oder Speicherbanken umfassen, in denen Wasserstoff bei ca. 200 bar gespeichert werden kann. Dabei kann der Wasserstoff, nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung 130 verdichtet worden ist, bei Bedarf zumindest teilweise dem Mitteldruckspeichersystem 130 zugeführt werden; dies ist mit Strom d gezeigt. Hierzu kann das Ventil 122 geöffnet werden. Ebenso kann der Wasserstoff, hier als Strom d gezeigt, von dem Mitteldruckspeichersystem 120 bei Bedarf der Verdichtungseinrichtung 130 und dann, wie Strom b, dem Befüllungssystem 104 zugeführt werden. Hierzu kann das Ventil 124 geöffnet werden.
  • Das Befüllungssystem 140 weist beispielhaft sieben Betankungspfade 140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7 auf, denen jeweils Wasserstoff von der Verdichtungseinrichtung 130 zugeführt werden kann oder zugeführt wird. Beispielhaft weist der Betankungspfad 140.1 ein Umschaltventil 142.1, einen massenflussgesteuerten Druckregler 144.1, einen Wärmetauscher 146.1 sowie, und eine Kupplungseinrichtung 148.1 zum Anschluss an das Fahrzeug 150 auf, das dann mit Wasserstoff, hier Strom e betankt werden kann Bei dem Wärmetauscher 146.1 kann es sich z.B. um einen Wasser- oder Glycol-Luft-Wärmetauscher handeln.
  • Die Kupplungseinrichtung 148.1 kann z.B. Komponenten wie Flow-Transmitter, Betankungsschlauch, Abreisssicherung, und Betankungskupplung, sowie weitere erforderliche Sensorik in der eigentlichen Dispensereinheit umfassen. Die weiteren Betankungspfade 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7 können gleichartig aufgebaut sein, wobei dort ebenfalls jeweils ein Fahrzeug bzw. dessen Tank anschließbar ist, wenngleich dies der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
  • Das Befüllungssystem 140 kann auch noch weitere Betankungspfade umfassen, z.B. weitere sieben oder vierzehn Betankungspfade, oder allgemein 7 n Betankungspfade mit n einer Zahl größer oder gleich 1 und z.B. maximal 49. Das Befüllungssystem 140 kann eingerichtet sein, von den gezeigten sieben Betankungspfaden 140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7 auf jeweils andere sieben Betankungspfade umzuschalten, um dort angeschlossene Fahrzeuge zu betanken, z.B. in einem nachfolgenden Betankungszyklus.
  • Nachfolgend soll ein Betrieb der Anlage 100 näher erläutert werden. Von der Elektrolyseeinrichtung 110 wird Wasserstoff z.B. mit 36 kg/h erzeugt, mit der Verdichtungseinrichtung 130 verdichtet und in das Mitteldruckspeichersystem 120 mit etwa 200 bar eingespeist. Dies erfolgt z.B. zu einer Tageszeit, während kein Fahrzeug zu betanken ist. Müssen, in dem gezeigten Beispiel, mehr als sieben Fahrzeuge, z.B. eine ganze Fahrzeugflotte, simultan betankt werden, so kann dies tranchenweise zu je sieben Fahrzeugen erfolgen. Dabei können mit der Verdichtungseinrichtung 130 z.B. sieben Fahrzeuge mit je bis zu ca. 30 kg Wasserstoff auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen von mehr als 39 °C simultan betankt werden. Dabei entnimmt die Verdichtungseinrichtung 130 die erforderliche Wasserstoffmenge aus dem Mitteldruckspeichersystem 120, das hier als Pufferspeicher dient. Im Rahmen des Betankungsprozesses der ersten Fahrzeugtranche von z.B. sieben Fahrzeugen werden diese an das Befüllungssystem 140, einen sog. Headerdispenser angekoppelt, der entsprechend sieben Zapfpunkte (die erwähnten Kupplungseinrichtungen) umfassen kann.
  • Die Betankung kann vollkommen autark erfolgen. Mit den erwähnten Umschaltventilen des Befüllungssystems 140 können die jeweiligen Betankungsvorgange der Fahrzeugtranchen (hier bestehend aus sieben Fahrzeugen) ermöglichen. Nach der Befüllung der sieben Fahrzeuge kann zu den nächsten sieben Fahrzeuge gewechselt werden, indem die relevanten Umschaltventile geschaltet werden.
  • Optional kann das das Befüllungssystem 140 auch mit der erwähnten Kühlung bzw. den Wärmetauschern auf z.B. 10 °C oder auf zumindest annähernd Umgebungstemperatur gekühlt werden. Der für diese Umgebungskühlung erforderliche Energieaufwand ist sehr gering, da lediglich eine kleine Wasserpumpe elektrische Energie zur Aufrechterhaltung des Durchflusses benötigt wird.
  • In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäßen Anlage 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Es handelt sich hierbei um ein vereinfachtes Verfahrensschema. Dabei ist insbesondere ein konkretes Beispiel für eine als Wasserstofftankstelle ausgebildete Anlage 200 mit einem ionischen Verdichter als Verdichtungseinrichtung 130 und einem Befüllungssystem 140 gezeigt. Dabei dient die Anlage 100 zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoff, wenngleich beispielhaft nur ein Fahrzeug 150 gezeigt ist.
  • Nachfolgend soll nur der Unterschied zur Anlage 100 gemäß Figur 1 erläutert werden, im Übrigen kann auf die Ausführungen zu Figur 1 verwiesen werden. Die Anlage 100 weist beispielhaft keine Elektrolyseanlage auf, stattdessen wird der Wasserstoff, Strom a, von einem Tankfahrzeug 210 (das hier nur sehr schematisch dargestellt ist, erhalten und dem Verdichtungseinrichtung 130 und darüber dann dem Befüllungssystem 140 zugeführt. Hierzu kann das Ventil 212 (z.B. am Tankfahrzeug und/oder an der Verdichtungseinrichtung 130 geöffnet werden), wobei das Tankfahrzeug entsprechend anzukoppeln ist. Es können auch mehrere Tankfahrezuge parallel oder nacheinander vorgesehen sein. Beispielhaft ist hier auch kein Mitteldruckspeichersystem vorgesehen, da die Tankfahrzeuge ohnehin selbst ein Speichersystem für den Wasserstoff bilden.
  • Mit dem vorgeschlagenen Vorgehen - dies gilt sowohl für die Ausführungsform der Figur 1 als auch der Ausführungsform der Figur 2 oder einer Mischform davon - lassen sich innerhalb von ca. fünf Stunden sieben Fahrzeuge mit einem sog. Typ-4-Tanksystem (das der Berechnung zugrunde gelegte Tanksystemvolumen betragt 1,56 m3) tranchenweise simultan und ungekühlt mit je bis zu 30 kg Wasserstoff zu befüllen, ohne eine Tanküberhitzung zu verursachen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass mit der verwendeten Verdichtungseinrichtung 130 (ionischer Verdichter) ein Massenstrom von bis zu 52 kg/h zur Verfügung gestellt werden kann, wobei z.B. eine Frequenzumrichter gesteuerte Massenstromregelung die maximal erlaubten Massenströme begrenzt, um die Temperaturgrenzender jeweiligen Tanksysteme einzuhalten.
  • So beträgt der maximal erlaubte, mittlere Massenstrom bei 45 °C Umgebung beispielsweise etwa 6,3 kg/h für das zugrundegelegte Tanksystemvolumen. Um die Betankung erfolgreich zu absolvieren, wird kein menschliches Personal benötigt, da der Prozess voll automatisiert werden kann. Lediglich das An- und Abkoppeln der Fahrzeuge kann durch menschliches Personal durchgeführt werden. Der Druckstoß zur Startdruckermittlung, sowie der Dichtheitscheck können nach dem Ankoppeln der Fahrzeuge im Zuge einer vollautomatisiert gesteuerten Schrittkette durchgeführt werden. Die sequenzielle Tranchenabfertigung ermöglicht eine verkürzte Wartezeit, um z.B. kommunale Busflotten für die folgende Schicht startbereit zu machen. Dafür wird keine Mitteldruckkaskade benötigt und die
    Betankung erfolgt online durch die Verdichtungseinrichtung, deren Durchflussregelung sehr einfach gehalten werden kann (z.B. ein Kolbenkompressor mit Frequenzumrichter-geregelter Drehzahlsteuerung).
  • Wie erwähnt, kann auch eine Mischform der Ausführungsformen gemäß Figur 1 und 2 vorgesehen werden, wobei es bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 optional auch möglich wäre, mehrere Tankfahrzeuge simultan anzuschließen und diese zu konsolidieren, um z.B. erhöhte Kompressoreingangsdrücke zu ermöglichen und/der um eine partielle Überstrombetankung als weitere Möglichkeit miteinzubeziehen. Hierbei wäre eine einfache Bankensteuerung und fallweise die genannte Umgebungskühlung erforderlich.
  • In einer weiteren Ausführungsform (unabhängig von der Art des Erhalts des Wasserstoffs) können die Betankungsrampen in den einzelnen Betankungspfaden während des Befüll- bzw. Betankungsvorgangs auch dynamisch variiert werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen (150) mit Wasserstoff,
    wobei Wasserstoff (a) erhalten und mittels einer Verdichtungseinrichtung (130) verdichtet wird,
    wobei der verdichtete Wasserstoff (b) gleichzeitig einer Vielzahl von Betankungspfaden (140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7) eines Befüllungssystems (140) zugeführt wird, wobei in jedem von mehreren Betankungszyklen in zumindest einigen der Betankungspfade Wasserstoff erhalten und an mehrere angeschlossene Fahrzeuge (150) gleichzeitig abgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff (c), nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung (130) verdichtet worden ist, bei Bedarf zumindest teilweise einem Mitteldruckspeichersystem (120) zugeführt wird, und wobei der Wasserstoff (d) von dem Mitteldruckspeichersystem bei Bedarf der Verdichtungseinrichtung (130) zugeführt wird und dann dem Befüllungssystem (140) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wasserstoff (c), nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung (130) verdichtet worden ist, während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der keine Betankung eines Fahrzeugs erfolgen soll, zumindest teilweise dem Mitteldruckspeichersystem (120) zugeführt wird, und wobei der Wasserstoff (d) von dem Mitteldruckspeichersystem (120) während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der eine Betankung der Vielzahl der Fahrzeuge erfolgen soll, der Verdichtungseinrichtung (130) und dann dem Befüllungssystem (140) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff zumindest teilweise von einem oder mehreren Elektrolyseeinrichtungen (110) erhalten und der Verdichtungseinrichtung (130) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff zumindest teilweise von einem oder mehreren Tankfahrzeugen (210) erhalten und der Verdichtungseinrichtung (130) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff zumindest teilweise über einer oder mehrere Pipelines erhalten und der Verdichtungseinrichtung (130) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Betankungspfad jeweils ein Umschaltventil, einen massenflussgesteuerten Druckregler, und eine Kupplungseinrichtung zum Anschluss an ein Fahrzeug (150) aufweist.
  8. Verfahren einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff in dem Betankungspfad jeweils ein gekühlt wird, insbesondere mittels eines Wasser- und/oder Glycol-Luft-Wärmetauschers.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Massenfluss des von der Verdichtungseinrichtung (130) verdichteten und dem Befüllungssystem (140) zugeführten Wasserstoffs (b) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Wasserstoffs begrenzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff mit einem Druck von wenigstens 300 bar, insbesondere wenigstens 350 bar, für die Fahrzeuge (150) bereitgestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verdichtungseinrichtung (130) einen ionischen Verdichter aufweist.
  12. Anlage (100, 200), insbesondere Wasserstofftankstelle, zum gleichzeitigen Betanken einer Vielzahl von Fahrzeugen (150) mit Wasserstoff, aufweisend eine Verdichtungseinrichtung (130) und ein Befüllungssystem (140) mit einer Vielzahl von Betankungspfaden, wobei an jedem Betankungspfad jeweils ein Fahrzeug (150) anschließbar ist,
    wobei die Anlage (100, 200) eingerichtet ist, Wasserstoff (a) zu erhalten und mittels der Verdichtungseinrichtung (130) zu verdichten,
    wobei die Anlage (100, 200) eingerichtet ist, verdichteten Wasserstoff (b) gleichzeitig der Vielzahl von Betankungspfaden (140.1, 140.2, 140.3, 140.4, 140.5, 140.6, 140.7) zuzuführen und in jedem von mehreren Betankungszyklen gleichzeitig an zumindest einige angeschlossene Fahrzeuge (150) abzugeben.
  13. Anlage nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend ein Mitteldruckspeichersystem (120),
    wobei die Anlage (100) eingerichtet ist, den Wasserstoff, nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung verdichtet worden ist, bei Bedarf zumindest teilweise dem Mitteldruckspeichersystem (120) zuzuführen, und den Wasserstoff von dem Mitteldruckspeichersystem bei Bedarf der Verdichtungseinrichtung und dann dem Befüllungssystem (140) zuzuführen.
  14. Anlage (100) nach Anspruch 13, die eingerichtet ist, den Wasserstoff, nachdem er mittels der Verdichtungseinrichtung verdichtet worden ist, während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der keine Betankung eines Fahrzeugs erfolgen soll, zumindest teilweise dem Mitteldruckspeichersystem zuzuführen wird, und den Wasserstoff von dem Mitteldruckspeichersystem während einer vorgegebenen Zeitdauer, in der eine Betankung der Vielzahl der Fahrzeuge erfolgen soll, der Verdichtungseinrichtung und dann dem Befüllungssystem (140) zuzuführen.
  15. Anlage (100, 200) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
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