EP4663996A1 - Verfahren zur wasserstoffbetankung und wasserstoffbetankungsanlage - Google Patents

Verfahren zur wasserstoffbetankung und wasserstoffbetankungsanlage

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EP4663996A1
EP4663996A1 EP24020193.9A EP24020193A EP4663996A1 EP 4663996 A1 EP4663996 A1 EP 4663996A1 EP 24020193 A EP24020193 A EP 24020193A EP 4663996 A1 EP4663996 A1 EP 4663996A1
Authority
EP
European Patent Office
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expander
hydrogen
stages
radial piston
expansion process
Prior art date
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Pending
Application number
EP24020193.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl VIDIC
Alexander Ackel
Thomas ACHER
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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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to PCT/EP2025/065239 priority patent/WO2025256947A1/de
Publication of EP4663996A1 publication Critical patent/EP4663996A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F17C5/00—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures
    • F17C5/06—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with compressed gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03C1/053—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinders in star or fan arrangement the pistons co-operating with an actuated element at the inner ends of the cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F17C2270/0139—Fuel stations

Definitions

  • the invention relates to a method for hydrogen refueling and a hydrogen refueling system.
  • hydrogen In hydrogen refueling stations, also referred to as hydrogen filling stations, hydrogen is typically expanded at high pressure through so-called storage cascades into a low-pressure system. At the hydrogen filling station, the hydrogen is usually expanded at a throttle under near-adiabatic conditions, which, in the case of hydrogen, releases heat due to the Joule-Thomson effect.
  • specialist publications such as... J.-Q. Li et al., "A study on the Joule-Thomson effect of during filling hydrogen in high pressure tank", Case Studies in Thermal Engineering, Volume 41, January 2023, page 102678 , referred.
  • hydrogen is subjected to an expansion process, as is known per se.
  • the expansion process is carried out using a hydraulically operated expander, which is used to drive a radial piston generator.
  • the expander has n expander stages, in each of which expander pistons are arranged in expander cylinders, wherein hydrogen is expanded in cylinder spaces of the expander cylinders on a first side of the expander pistons, wherein the radial piston generator has n rotationally symmetrically arranged high-pressure compression stages, wherein cylinder spaces of the expander cylinders are hydraulically coupled to the high-pressure compression stages on a second side of the expander pistons via hollow compartments, wherein oil columns are received in the hollow compartments which are set into oscillation in the expansion process, and wherein n is an integer from three to ten.
  • Hydraulic units described here as "radial piston generators” are typically referred to in the trade not as hydraulic generators, but as hydraulic motors. Technically, however, the term hydraulic generator seems more accurate, since mechanical energy is first converted into hydraulic energy and then into electrical energy or heat. Nevertheless, terms such as “radial piston motor,” “hydraulic motor with radially arranged pistons,” or other similar terms could be used instead of “radial piston generator.”
  • gas-side shut-off devices are installed upstream and downstream of the expander stages. These shut-off devices are interconnected via bypass lines, enabling gas-side bypass operation of one or more of the expander stages during a refueling process.
  • the bypass lines are independently designed to drive the radial piston generator. This allows for flexible operation.
  • heat exchangers are installed at least downstream of the shut-off devices, or both upstream and downstream, enabling heat exchange on the liquid side with a refrigerant. This allows for targeted heat dissipation of the heat released during expansion.
  • the radial piston generator is supplied via a low-pressure hydraulic circuit.
  • the hydraulic oil contained therein can be cooled in a particularly advantageous manner in the proposed embodiments.
  • the proposed arrangements allow for a particularly advantageous geometric configuration without asymmetry effects or imbalances.
  • the radial pistons are arranged vertically and the gas expansion cylinders in series, appropriate designs offer the distinct advantage of a compact build, enabling use even in situations with severely limited space. For example, installation in containers is possible. Accessibility and serviceability of the hydraulic unit and the hydrogen cylinders of the expansion machine are maintained. In other configurations, all components can, for instance, be stacked horizontally on top of each other. It is provided that the gas expansion cylinders can be arranged horizontally in a ring shape and the hydraulic unit can be arranged horizontally in a ring shape below them.
  • the hydrogen, or a portion thereof is expanded serially or in parallel through the gas expansion cylinders, or a portion thereof. Switching or changing the flow configuration is also possible, allowing for adjustments to pressure and/or flow conditions.
  • the flow of hydrogen through the gas expansion cylinders is controlled using an automated valve system. This enables the automation of the previously described adjustment.
  • the expansion process is carried out essentially as an isentropic expansion process, whereby the hydrogen, or a portion thereof, which cools down during this process, is warmed by means of heat exchangers.
  • An "essentially" isentropic expansion process is, in particular, more than 50% isentropic. It is thus an isentropic approximation. Heating to the target temperature by means of the heat exchangers allows the cooling effect to be used for tasks within the process.
  • the cold transferred via the heat exchanger, or a portion thereof is temporarily stored.
  • This can be achieved, in particular, using an intermediate storage unit with a storage medium, such as brine, and an integrated additional heat exchanger. This allows for the matching of fluctuating cold supply and corresponding cold demand, which arises from the intermittent refueling processes.
  • the cold is used to cool the hydraulic oil for the expander. This eliminates the need for a separate cooling system.
  • the electrical energy generated by the radial piston generator is used within the process and/or fed into a power grid. This allows a corresponding hydrogen refueling station to operate autonomously or to serve as a source of electrical energy, for example, for electric vehicles.
  • a brake can be used instead of an electric generator, thereby reducing construction costs.
  • the temperature of the hydrogen downstream of the expansion process in a dispenser system and/or its periphery is set to a desired value.
  • hydrogen is provided for refueling in quantities between 60 g/s and 300 g/s.
  • This quantity may represent a peak or maximum amount over the course of a refueling process, which is typically preceded and/or followed by smaller quantities.
  • the total amount of hydrogen provided for refueling is greater than the amount of hydrogen subjected to the expansion process.
  • the latter typically varies and may be limited, for example, by piston geometry.
  • a limit of 7 to 8 g/s may be imposed, but other limits may be implemented for different geometries and/or in future embodiments.
  • the proposed hydrogen refueling system is designed to subject hydrogen to an expansion process.
  • a hydraulically operated expander with gas expansion cylinders is provided for this expansion process.
  • the hydrogen refueling system is configured to drive a radial piston generator using the expander.
  • the expander has n expander stages, each containing expander pistons. Cylinder chambers for the expansion of the hydrogen are provided on a first side of the expander pistons.
  • the radial piston generator has n rotationally symmetrically arranged high-pressure compression stages.
  • Cylinder chambers on a second side of the expander pistons are connected via hollow Compartments with the high-pressure compression stages are hydraulically coupled, with oil columns being held in the hollow compartments which can be made to oscillate in the expansion process, and where n is an integer from three to ten.
  • a hydrogen refueling station which may be equipped to carry out a hydrogen refueling procedure according to any configuration described here.
  • this can refer to a quantity fraction with the same composition that has simply been diverted from an original flow, but it can also refer to a fraction with a different composition and possibly only a component of the original flow.
  • Known hydrogen pre-cooling systems such as those that may be necessary in hydrogen refueling stations due to the effect described above, are generally implemented using compression chillers.
  • compression chillers Another option is expansion chillers, which extract energy from the high-pressure hydrogen as it flows into the vehicle tank, thereby significantly cooling the hydrogen while simultaneously generating energy.
  • Expansion machines can be used for this purpose.
  • Known, potentially suitable systems are electromechanically operated and, due to the high electrical voltages that arise from the systematic design of these systems, sometimes in unfavorable locations with potential hydrogen leaks, are only partially safe and extremely expensive. Furthermore, they require a large amount of space and optimal controllability is not achievable.
  • current systems are characterized by inadequate cooling management, resulting in unnecessary loss of usable cooling capacity.
  • Piston engines can be advantageous compared to turbomachinery for refueling cooling at hydrogen filling stations due to their typically better control characteristics.
  • the illustrated hydrogen refueling system 100 features a highly simplified, hydraulically operated expander 40 with, in the example shown, five gas expansion cylinders 26 to 30. Expansion pistons are arranged in each of the gas expansion cylinders, wherein in Figure 1 Only one expansion piston, designated 26a, is specified.
  • Hydrogen 1 is supplied to the hydrogen refueling system 100, a portion of which 1a is distributed as desired by means of a valve arrangement 2.
  • Bypass and return flows 1b and 1c can be formed in the manner shown and partially explained below.
  • Gas-side shut-off devices can be connected upstream and downstream of the expander stages 26-30, 26a.
  • shut-off devices are connected to each other via bypass lines, enabling gas-side bypass operation of one or more of the expander stages 26-30, 26a during a refueling process.
  • These shut-off devices are designed to drive the radial piston generator 15 independently of one another.
  • Each shut-off device can have heat exchangers at least downstream of it, or upstream and downstream of it, which enable heat exchange on the liquid side with a refrigerant medium.
  • the expander 40 transfers its mechanical work during the expansion process to a radial piston generator 15, which in turn is supplied with sufficient hydraulic oil via a low-pressure hydraulic circuit 16.
  • the gas cylinders can be arranged in the same configuration.
  • the radial piston generator 15 can be arranged vertically and the gas expansion cylinders 26 to 30 in series.
  • the incoming hydrogen 1 can expand through the gas expansion cylinders 26 to 30 either in series or in parallel. This can be achieved by the automated valve switching of the valves in the valve arrangement 2.
  • the radial piston generator 15 has rotationally symmetrical high-pressure compression stages, of which only one compression stage is designated 15a here.
  • the expander stages 26-30, 26a, or corresponding cylinder chambers, are each hydraulically coupled to the high-pressure compression stages 15a-15e on a first side of the expander pistons 26a via hollow compartments, as illustrated in more detail below and indicated here by dashed arrows.
  • Each compartment contains columns of oil which are set into oscillation during the expansion process.
  • the hydrogen, cooled during expansion, is warmed by heat exchangers 21 to 25.
  • the transferred cooling can be temporarily stored in a cold storage unit 20, for example, a brine boiler with an integrated heat exchanger. This enables direct cooling of the warm hydrogen 1 arriving from the gas supply, without using the expansion machine. In the illustrated example, this is achieved using the return flow 1c.
  • This configuration through the flexible distribution of the hydrogen flow, expands the possible operating range of the arrangement. Furthermore, the cooling can be used effectively to cool the hydraulic circuit or other components of the hydrogen refueling station.
  • the electrical current generated during expansion can be used on-site or fed into the electrical grid.
  • the desired hydrogen temperature can be set as required in the dispenser system 18 and its peripherals, including the control of the bypass current 1b, via a valve 31.
  • FIG. 2A and 2B Details of the hydraulic couplings between the expander stages 26-30, 26a and the compression stages 15a-15e, according to the proposed configurations, are illustrated.
  • the hollow compartment A is designed here as a tube.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Wasserstoffbetankung vorgeschlagen, bei dem Wasserstoff (1) einem Expansionsprozess unterworfen wird, wobei der Expansionsprozess unter Verwendung eines hydraulisch betriebenen Expanders (40) durchgeführt wird, welcher zum Antreiben eines Radialkolbengenerators (15) verwendet wird, wobei der Expander (40) n Expanderstufen (26-30, 26a) aufweist, in denen jeweils Expanderkolben (26a) angeordnet sind, wobei der Wasserstoff in Zylinderräumen auf einer ersten Seite der Expanderkolben (26a) expandiert wird, wobei der Radialkolbengenerator (15) n rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a) aufweist, wobei Zylinderräume auf auf einer zweiten Seite der Expanderkolben (26a) über hohle Kompartimente (A) mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a-15e) hydraulisch gekoppelt sind, wobei in den hohle Kompartimenten (A) jeweils Ölsäulen aufgenommen sind, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden, wobei n eine ganze Zahl von drei bis zehn ist. Mittel zur Umsetzung des Verfahrens werden ebenfalls vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserstoffbetankung und eine Wasserstoffbetankungsanlage.
    • Hintergrund
  • In Wasserstoffbetankungsanlagen, nachfolgend auch als Wasserstofftankstellen bezeichnet, wird Wasserstoff typischerweise mit hohem Druck über sogenannte Speicherkaskaden in ein System mit niedrigem Druck expandiert. Dabei wird der Wasserstoff an der Wasserstofftankstelle in der Regel an einer Drossel annähernd adiabat entspannt, wodurch im Falle von Wasserstoff durch den Joule-Thomson-Effekt Wärme frei wird. Zu Details sei auf Fachveröffentlichungen wie J.-Q. Li et al., "A study on the Joule-Thomson effect of during filling hydrogen in high pressure tank", Case Studies in Thermal Engineering, Band 41, Januar 2023, Seite 102678, verwiesen.
  • Aufgrund der Wärmeentwicklung kann es erforderlich sein, eine Wasserstoffvorkühlung an der Wasserstofftankstelle vorzunehmen, die im Allgemeinen so ausgelegt ist, dass Betankungsparameter von beliebigen einschlägigen Betankungsnormen für Wasserstoff, auch ggf. zukünftiger Normen, eingehalten werden.
  • Es besteht der Bedarf nach Verbesserungen insbesondere bei Wasserstofftankstellen für größere Wasserstoffmassenströme, insbesondere im Hinblick auf die thermohydraulische Auslegung, auf Druckverluste und die Wasserstoffvorkühlung.
    • Überblick
  • Vorliegend werden ein Verfahren zur Wasserstoffbetankung und eine Wasserstoffbetankungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Wasserstoffbetankung wird, wie an sich bekannt, Wasserstoff einem Expansionsprozess unterworfen. Der Expansionsprozess unter Verwendung eines hydraulisch betriebenen Expanders durchgeführt, wobei der Expander zum Antreiben eines Radialkolbengenerators verwendet wird.
  • Der Expander weist n Expanderstufen auf, in denen jeweils Expanderkolben in Expanderzylindern angeordnet sind, wobei in Zylinderräumen der Expanderzylinder auf auf einer ersten Seite der Expanderkolben der Wasserstoff expandiert wird, wobei der Radialkolbengenerator n rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen aufweist, wobei Zylinderräume der Expanderzylinder auf einer zweiten Seite der Expanderkolben über hohle Kompartimente mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen hydraulisch gekoppelt sind, wobei in den hohle Kompartimenten jeweils Ölsäulen aufgenommen sind, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden, und wobei n eine ganze Zahl von drei bis zehn ist.
  • Hier als "Radialkolbengenerator" bezeichnete Hydraulikaggregate werden typischerweise im Handel nicht als Hydraulikgeneratoren, sondern als Hydraulikmotoren bezeichnet. Technisch erscheint die Bezeichnung Hydraulikgenerator aber korrekter, da mechanische Energie zunächst in hydraulische und dann in elektrische Energie bzw. Wärme umgewandelt wird. Dennoch könnten anstelle des Begriffs "Radialkolbengenerator" hierin jederzeit Begriffe wie beispielsweise "Radialkolbenmotor", "Hydraulikmotor mit radial angeordneten Kolben" oder entsprechende andere Begriffe verwendet werden.
  • Die erste Seite der Expanderkolben bzw. der Raum in den Zylindern auf einer entsprechenden ersten Seite kann eine Hochdruckseite sein, die andere Seite bzw. der andere Raum eine Niederdruckseite, wobei "Hochdruckseite" und "Niederdruckseite" im Vergleich zueinander zu sehen sind.
  • Der Druck auf der zweiten Seite bzw. in dem zweiten Raum liegt typischerweise deutlich unter 400 bar, und die Expanderkolben können so aufgebaut sein, dass sie je nach Stufe mit dem gasseitigen Durchmesser, d.h. dem Durchmesser auf der ersten Seite, variieren. Dadurch ergibt sich ein Druckumsetzereffekt. Das bedeutet, dass je nach Flächenverhältnis ein entsprechender Expander beispielsweise aus einem Trailer beschickt werden kann. Hierbei können beispielsweise Drücke von 200 bis 50 bar vorliegen, so dass der Druck auf der zweiten Seite bzw. in dem zweiten Raum höher ist. Eine Beschickung kann aber auch beispielsweise über Hochdruckflaschen erfolgen, deren Druck deutlich höher liegen kann, beispielsweise bei 900 bis 550 bar. In diesem Fall kann der Druck auf der zweiten Seite bzw. dem zweiten Raum niedriger sein. Weiters kann eine Betankung auch über einen Kompressor online erfolgen und dieses Gas über den Expander abgekühlt werden.
  • Wenn daher in den Zeichnungen der Einfachheit halber immer eine größere Fläche auf der Gasseite (ersten Seite) und eine kleine Fläche auf der Hydraulikseite (zweite Seite) der Expanderkolben eingezeichnet ist, schränkt dies den Gegenstand der vorliegenden Erfindungen in keiner Weise ein.
  • Wie auch weiter unten noch genauer erläutert, bietet das vorgeschlagene Verfahren insbesondere bei höheren Massenströmen besondere Vorteile, da in dem vorgeschlagenen Verfahren die in herkömmlichen Verfahren für die Vorkühlung erforderlichen sehr hohen Kälteleistungen mit dem damit verbundenen Kosten- und Ressourceneinsatz zumindest teilweise entfallen. Die beschriebene Kopplung der Expanderstufen und der Hochdruck-Verdichtungsstufen ist insbesondere vorteilhaft, weil diese auf hydraulischem Wege erfolgt und keine aufwendigen und wartungsanfälligen Mechaniken verwendet werden. Durch die radiale Anordnung ergeben sich reduzierte Asymmetrieeffekte oder Unwuchten.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass die hohlen Kompartimente als Kammern in einem metallischen Vollmaterial ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung von entsprechenden Kompartimenten mit hoher mechanischer Stabilität und damit Druckverträglichkeit.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Vollmaterial jeweils in Form quader- oder würfelförmiger Blöcke ausgebildet ist. Auch eine derartige Ausgestaltung kann fertigungstechnische Vorteile haben.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen hier Verfahrens ist insbesondere vorgesehen, dass die hohlen Kompartimente Teil der Gasexpansionszylinder oder Teil der Hochdruck-Verdichtungsstufen oder als Blöcke hierzwischen ausgebildet sind.
  • Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, die vorgeschlagenen Maßnahmen an die räumlichen bzw. baulichen Gegebenheiten anzupassen.
  • In alternativen Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass die hohlen Kompartimente als Rohrleitungen mit einem vertikalen Abschnitt ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine besonders hohe Flexibilität.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass den Expanderstufen gasseitige Absperrorgane vor- und nachgeschaltet sind, die über Bypassleitungen miteinander verbunden sind, die einen gasseitigen Bypassbetrieb von einzelnen oder mehreren der Expanderstufen während eines Betankungsvorgangs ermöglichen, und die für einen Antrieb des Radialkolbengenerators unabhängig voneinander ausgebildet sind. Dies ermöglicht einen flexiblen Betrieb.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass den Absperrorganen jeweils Wärmetauscher zumindest nachgeschaltet oder jeweils vor- und nachgeschaltet sind, die einen Wärmeaustausch auf der Flüssigseite mit einem Kälteträgermedium ermöglichen. Hierdurch kann eine gezielte Wärmeabfuhr der bei der Entspannung freiwerdenden Wärme erfolgen.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Radialkolbengenerator über einen Niederdruckhydraulikkreis versorgt wird. Wie auch nachfolgend erläutert, lässt sich hierin befindliches Hydrauliköl in vorgeschlagenen Ausgestaltungen in besonders vorteilhafter Weise kühlen.
  • Die vorgeschlagenen Anordnungen erlauben, wie erwähnt, eine besonders vorteilhafte geometrische Anordnung ohne Asymmetrieeffekte oder Unwuchten. Wenn die Radialkolben vertikal und die Gasexpansionszylinder in Reihe angeordnet sind, ergibt sich bei entsprechenden Ausgestaltungen der besondere Vorteil, dass sie kompakt bauen und auch in Situationen mit stark begrenztem Platzangebot verwendet werden können. Beispielsweise kann ein Einbau in Containern erfolgen. Hierbei bleiben Zugänglichkeit und Servicierbarkeit des Hydraulikaggregats und der Wasserstoffzylinder der Expansionsmaschine erhalten. In anderen Ausgestaltungen können beispielsweise auch alle Komponenten horizontal übereinandergestapelt vorgesehen sein, d.h. die Gasexpansionszylinder können horizontal ringförmig und darunter das Hydraulikagreggat horizontal ringförmig angeordnet werden.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Wasserstoff oder ein Teil hiervon seriell oder parallel durch die Gasexpansionszylinder oder einen Teil hiervon expandiert wird. Auch eine Umschaltung bzw. Änderung der Strömungskonfiguration ist möglich, so dass jeweils eine Anpassung an Druck- und/oder Strömungsbedingungen erfolgen kann.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Führung des Wasserstoffs durch die Gasexpansionszylinder unter Verwendung einer automatisierten Ventilverschaltung eingestellt wird. Dies ermöglicht eine Automatisierung der zuvor beschriebenen Anpassung.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Expansionsprozess im Wesentlichen als isentroper Expansionsprozess durchgeführt wird, wobei der sich der hierbei abkühlende Wasserstoff oder ein Teil hiervon mittels Wärmeübertragern angewärmt wird. Ein "im Wesentlichen" isentroper Expansionsprozess erfolgt insbesondere zu mehr als 50% isentrop. Er ist damit isentrop angenähert. Die Anwärmung auf die Zieltemperatur mittels der Wärmeübertrager ermöglicht eine Nutzung der Kälte für Aufgaben in dem Verfahren.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels der Wärmeübertrager oder eines Teils hiervon transferierte Kälte zwischengespeichert wird. Dies kann insbesondere unter Verwendung einer Zwischenspeichereinheit mit einem Speichermedium, beispielsweise Sole, und einem inkludierten weiteren Wärmeübertrager erfolgen. Auf diese Weise lassen sich ein aufgrund der nichtkontinuierlichen Tankvorgänge fluktuierendes Kälteangebot und ein entsprechender Kältebedarf aufeinander abstimmen.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kälte zur Kühlung von Hydrauliköl für den Expander verwendet wird. Hierdurch muss kein separates Kühlsystem bereitgestellt werden.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels des Radialkolbengenerators erzeugte elektrische Energie in dem Verfahren genutzt und/oder in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Hierdurch kann eine entsprechende Wasserstoffbetankungsanlage autark betrieben werden oder als Quelle für elektrische Energie, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, dienen. In anderen Ausgestaltungen kann anstelle eines elektrischen Generators auch eine Bremse verwendet werden, wodurch sich Erstellungskosten einsparen lassen.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur des Wasserstoffs stromab des Expansionsprozesses in einem Dispensersystem und/oder dessen Peripherie auf einen Wunschwert eingestellt wird.
  • In Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass Wasserstoff in einer Menge zwischen 60 g/s und 300 g/s für eine Betankung bereitgestellt wird. Bei der genannten Menge kann es sich insbesondere um eine Peak- oder Maximalmenge im Zeitverlauf eines Betankungsvorgangs handeln, der typischerweise geringere Mengen vorausgehen und/oder folgen können. Zur Vermeidung von Missverständnissen sei an dieser Stelle betont, dass die insgesamt für die Betankung bereitgestellte Wasserstoffmenge größer ist als die in dem Verfahren dem Expansionsprozess unterworfene Wasserstoffmenge. Letztere variiert typischerweise und kann beispielsweise aufgrund einer Kolbengeometrie begrenzt sein. Eine Begrenzung kann beispielsweise auf einen Wert von 7 bis 8 g/s erfolgen, allerdings können bei abweichenden Geometrien und/oder in zukünftigen Ausgestaltungen auch andere Begrenzungen vorgesehen sein.
  • Die vorgeschlagene Wasserstoffbetankungsanlage ist dafür eingerichtet, Wasserstoff einem Expansionsprozess zu unterwerfen, wobei für den Expansionsprozess ein hydraulisch betriebener Expander mit Gasexpansionszylindern bereitgestellt ist, und wobei die Wasserstoffbetankungsanlage dafür eingerichtet ist, unter Verwendung des Expanders einen Radialkolbengenerator anzutreiben. Der Expander weist n Expanderstufen auf, in denen jeweils Expanderkolben angeordnet sind, wobei für die Expansion des Wasserstoffs Zylinderräume auf auf einer ersten Seite der Expanderkolben eingerichtet sind, wobei der Radialkolbengenerator n rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen aufweist, wobei Zylinderräume auf auf einer zweiten Seite der Expanderkolben über hohle Kompartimente mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen hydraulisch gekoppelt sind, wobei in den hohlen Kompartimenten jeweils Ölsäulen aufgenommen sind, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden können, und wobei n eine ganze Zahl von drei bis zehn ist.
  • Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Wasserstoffbetankungsanlage und Ausgestaltungen hiervon sei auf die obigen Erläuterungen betreffend das vorgeschlagene Wasserstoffbetankungsverfahren und seine Ausgestaltungen verwiesen, da diese hierfür in gleicher Weise gelten.
  • Entsprechendes gilt auch für eine Wasserstoffbetankungsanlage, die dazu eingerichtet sein kann, ein Wasserstoffbetankungsverfahren gemäß einer beliebigen hier beschriebenen Ausgestaltung durchzuführen.
    • Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei
    • Figur 1 eine Wasserstoffbetankungsanlage gemäß einer hier vorgeschlagenen Ausgestaltung veranschaulicht; und
    • Figuren 2A und 2B Details von hydraulischen Kopplungen gemäß hier vorgeschlagener Ausgestaltungen veranschaulichen.
    Ausführungsformen
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen werden lediglich zu dem Zweck beschrieben, den Leser beim Verständnis der beanspruchten und zuvor erläuterten Merkmale zu unterstützen. Sie stellen lediglich repräsentative Beispiele dar und sollen hinsichtlich der Merkmale der Erfindung nicht abschließend und/oder beschränkend betrachtet werden. Es versteht sich, dass die zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorteile, Ausführungsformen, Beispiele, Funktionen, Merkmale, Strukturen und/oder anderen Aspekte nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, oder als Beschränkungen von Äquivalenten zu den Ansprüchen zu betrachten sind, und dass andere Ausführungsformen verwendet und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
  • Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung können weitere zweckmäßige Kombinationen der beschriebenen Elemente, Komponenten, Merkmale, Teile, Schritte, Mittel usw. umfassen, aufweisen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen, auch wenn solche Kombinationen hier nicht spezifisch beschrieben sind. Darüber hinaus kann die Offenbarung andere Erfindungen umfassen, die gegenwärtig nicht beansprucht sind, die aber in Zukunft beansprucht werden können, insbesondere wenn sie vom Umfang der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
  • Erläuterungen, die sich auf Vorrichtungen, Apparate, Anordnungen, Systeme usw. gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können auch für Verfahren, Prozesse, Methoden usw. gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten und umgekehrt. Gleiche, gleich wirkende, in ihrer Funktion einander entsprechende, baulich identisch oder vergleichbar aufgebaute Elemente, Verfahrensschritte usw. können mit identischen Bezugszeichen angegeben sein.
  • Die nachfolgenden Erläuterungen und Definitionen, die einige Grundlagen der Erfindung betreffen, können für alle oder einen Teil der hier vorgestellten Ausgestaltungen gelten, und die Erläuterung bestimmter Aspekte im Zusammenhang mit nur einem Teil oder einer der Ausgestaltungen soll nicht dahingehend verstanden werden, dass diese Aspekte nicht auch mit anderen oder allen Ausgestaltungen, soweit technisch möglich und sinnvoll, verwirklicht sein können.
  • Sämtliche hier verwendeten Prozentangaben können sich auf Mol-, Mengen- oder Volumenanteile beziehen. Druckangaben in bar sind, soweit nicht anders erläutert, insbesondere als Absolutdrücke zu verstehen.
  • Die Konjunktion "und/oder" soll, wenn in einer Aufzählung vor dem letzten Begriff der Aufzählung verwendet, so verstanden werden, dass alle in der Aufzählung zuvor genannten Begriffe in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können. Mit anderen Worten ist mit "A, B und/oder C" "A und/oder B und/oder C" oder "wenigstens eines der Elemente A, B und C in beliebiger Kombination" gemeint.
  • Ist vorliegend von einem "Teil" eines Stoffstroms die Rede, kann es sich hierbei um einen Mengenanteil mit gleicher Zusammensetzung handeln, der von einem Ausgangsstrom lediglich abgezweigt wurde, aber auch um einen Anteil abweichender Zusammensetzung und ggf. nur eine Komponente des Ausgangsstroms handeln.
  • Bekannte Wasserstoffvorkühlungen, wie sie aufgrund des eingangs beschriebenen Effekts in Wasserstoffbetankungsanlagen erforderlich sein können, werden in der Regel durch den Einsatz von Kompressionskältemaschinen realisiert. Eine weitere Möglichkeit sind Expansionsmaschinen, welche dem Hochdruckwasserstoff während des Überströmens in den Fahrzeugtank Arbeit entziehen, wodurch sich dieser Wasserstoff bei gleichzeitiger Energiegewinnung signifikant abkühlt.
  • Insbesondere bei neuartigen Betankungsprotokollen mit hohen Wasserstoffmassenströmen von typischerweise zwischen 60 g/s und 300 g/s werden sehr große Kälteleistungen erforderlich, was einen entsprechend hohen Kosten- und Ressourceneinsatz mit sich bringt.
  • Hierbei kann beispielsweise auf Expansionsmaschinen zurückgegriffen werden. Bekannte, potentiell geeignete Systeme werden elektromechanisch betrieben und sind aufgrund der hohen elektrischen Spannungen, die sich aufgrund des systematischen Aufbaus dieser Anlagen teils an ungünstigen Orten mit möglichen Wasserstoffleckagen ergeben, nur begrenzt sicher und ausgesprochen kostenintensiv. Zudem ist der Platzbedarf sehr groß und die Regelbarkeit nicht optimal realisierbar. Zudem zeichnen sich derzeitige Systeme durch mangelndes Kältemanagement aus, weshalb unnötig viel nutzbare Kälte verloren geht. Kolbenmaschinen können dabei gegenüber Turbomaschinen aufgrund des typischerweise besseren Regelverhaltens als Betankungskühlung bei Wasserstofftankstellen vorteilhaft sein.
  • Hier vorgeschlagene Ausgestaltungen überwinden diese Nachteile zumindest zum Teil. In Figur 1 ist zur Veranschaulichung entsprechender Ausgestaltungen eine Wasserstoffbetankungsanlage gemäß einer hier vorgeschlagenen Ausgestaltung veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Die in Figur 1 veranschaulichte Wasserstoffbetankungsanlage 100 weist einen stark vereinfacht veranschaulichten, hydraulisch betriebenen Expander 40 mit im dargestellten Beispiel fünf Gasexpansionszylindern 26 bis 30 auf. In den Gasexpansionszylindern sind jeweils Expansionskolben angeordnet, wobei in Figur 1 lediglich ein Expansionskolben mit 26a angegeben ist. Die Gasexpansionszylinder 26 bis 30 mit ihren Expansionskolben 26a bilden jeweils "Expanderstufen" im hier verwendeten Sprachgebrauch. Der Wasserstoffbetankungsanlage 100 wird Wasserstoff 1 zugeführt, von dem ein Anteil 1a mittels einer Ventilanordnung 2 in gewünschter Weise verteilt wird. Bypass- und Rückführströme 1b und 1c können in der dargestellten und unten teilweise noch erläuterten Weise gebildet werden. Den Expanderstufen 26-30, 26a können jeweils gasseitige Absperrorgane vor- und nachgeschaltet sein, die über Bypassleitungen miteinander verbunden sind, die einen gasseitigen Bypassbetrieb von einzelnen oder mehreren der Expanderstufen 26-30, 26a während eines Betankungsvorgangs ermöglichen, und die für einen Antrieb des Radialkolbengenerators 15 unabhängig voneinander ausgebildet sind. Den Absperrorganen können jeweils Wärmetauscher zumindest nachgeschaltet oder jeweils vor- und nachgeschaltet sein, die einen Wärmeaustausch auf der Flüssigseite mit einem Kälteträgermedium ermöglichen.
  • Der Expander 40 gibt seine mechanische Arbeit während des Expansionsprozesses an einen Radialkolbengenerator 15 ab, der wiederum über einen Niederdruckhydraulikkreis 16 mit ausreichend Hydrauliköl versorgt wird. Durch den radialen Aufbau des Radialkolbengenerators 15 können die Gaszylinder in derselben Form angeordnet sein. In einer anderen Ausgestaltung können der Radialkolbengenerator 15 vertikal und die Gasexpansionszylinder 26 bis 30 in Reihe angeordnet werden. Der eintretende Wasserstoff 1 kann dabei sowohl seriell als auch parallel durch die Gasexpansionszylinder 26 bis 30 expandieren. Dies kann durch die automatisierte Ventilverschaltung der Ventile der Ventilanordnung 2 erfolgen.
  • Der Radialkolbengenerator 15 weist rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen auf, von denen hier nur eine Verdichtungsstufe mit 15a bezeichnet ist. Die Expanderstufen 26-30, 26a bzw. entsprechende Zylinderräume sind jeweils auf einer ersten Seite der Expanderkolben 26a über hohle Kompartimente mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen 15a-15e hydraulisch gekoppelt, wie nachfolgend noch genauer veranschaulicht und hier mit gestrichelten Pfeilen angedeutet. In den hohlen Kompartimenten sind jeweils Ölsäulen aufgenommen, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden.
  • Der bei der Expansion jeweils abgekühlte Wasserstoff wird durch Wärmeübertrager 21 bis 25 angewärmt. Die transferierte Kälte kann in einer Kältespeichereinheit 20, beispielsweise einem Solekessel mit inkludiertem Wärmeübertrager, zwischengespeichert werden. Dadurch wird ein direktes Kühlen des aus der Gasversorgung ankommenden, warmen Wasserstoffs 1 möglich, ohne die Expansionsmaschine in Anspruch zu nehmen. Dies erfolgt im dargestellten Beispiel mittels des Rückführstroms 1c. Diese Verschaltung erweitert durch die flexible Aufteilung des Wasserstoffstroms das mögliche Betriebsfenster der Anordnung. Weiters kann die Kälte sinnvoll genutzt werden, um den Hydraulikkreislauf oder andere Komponenten der Wasserstofftankstelle zu kühlen.
  • Der bei der Expansion entstehende elektrische Strom kann vor Ort genutzt oder in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden. Die gewünschte Wasserstofftemperatur kann im Dispensersystem 18 und dessen Peripherie inkl. einer Regelung des Bypassstroms 1b über ein Ventil 31 wie gewünscht eingestellt werden.
  • In den Figuren 2A und 2B sind Details von hydraulischen Kopplungen zwischen den Expanderstufen 26-30, 26a und Verdichtungsstufen 15a-15e gemäß hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen veranschaulicht. Eine zweite Seite der Verdichterkolben bzw. ein Zylinderraum auf dieser zweiten Seite ist mit B, ein verbindendes hohles Kompartiment mit A angegeben. Das hohle Kompartiment A ist hier als Rohr ausgebildet.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Wasserstoffbetankung, bei dem Wasserstoff (1) einem Expansionsprozess unterworfen wird,
    wobei der Expansionsprozess unter Verwendung eines hydraulisch betriebenen Expanders (40) durchgeführt wird, welcher zum Antreiben eines Radialkolbengenerators (15) verwendet wird,
    wobei der Expander (40) n Expanderstufen (26-30, 26a) aufweist, in denen jeweils Expanderkolben (26a) angeordnet sind,
    wobei der Wasserstoff in Zylinderräumen auf auf einer ersten Seite der Expanderkolben (26a) expandiert wird
    wobei der Radialkolbengenerator (15) n rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a) aufweist,
    wobei Zylinderräume auf auf einer zweiten Seite der Expanderkolben (26a) über hohle Kompartimente (A) mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a-15e) hydraulisch gekoppelt sind,
    wobei in den hohle Kompartimenten (A) jeweils Ölsäulen aufgenommen sind, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden, und
    wobei n eine ganze Zahl von drei bis zehn ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die hohlen Kompartimente (A) als Kammern in einem metallischen Vollmaterial ausgebildet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das metallische Vollmaterial jeweils in Form quader- oder würfelförmiger Blöcke ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die hohlen Kompartimente Teil der Gasexpansionszylinder (26-30) oder Teil der Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a-15e) oder als Blöcke hierzwischen ausgebildet sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die hohlen Kompartimente (A) als Rohrleitungen (201) mit einem vertikalen Abschnitt ausgebildet sind.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei den Expanderstufen (26-30, 26a) gasseitige Absperrorgane vor- und nachgeschaltet sind, die über Bypassleitungen miteinander verbunden sind, die einen gasseitigen Bypassbetrieb von einzelnen oder mehreren der Expanderstufen (26-30, 26a) während eines Betankungsvorgangs ermöglichen, und die für einen Antrieb des Radialkolbengenerators (15) unabhängig voneinander ausgebildet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei den Absperrorganen jeweils Wärmetauscher zumindest nachgeschaltet oder jeweils vor- und nachgeschaltet sind, die einen Wärmeaustausch auf der Flüssigseite mit einem Kälteträgermedium ermöglichen.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Radialkolbengenerator (15) über einen Niederdruckhydraulikkreis (16) versorgt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der Wasserstoff (1) oder ein Teil hiervon seriell oder parallel durch die Expanderstufen (26-30, 26a) oder einen Teil hiervon expandiert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Wasserstoff (1), der sich in dem Expansionsprozess abkühlt, oder ein Teil hiervon mittels Wärmeübertragern (21-25) angewärmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem mittels der Wärmeübertrager (21-25) oder eines Teils hiervon transferierte Kälte zwischengespeichert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem für die Zwischenspeicherung der Kälte eine Zwischenspeichereinheit (20) mit einem Speichermedium und einem inkludierten weiteren Wärmeübertrager verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mittels des Radialkolbengenerators (15) erzeugte elektrische Energie in dem Verfahren genutzt und/oder in ein Versorgungsnetz eingespeist wird.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wasserstoff (1) in einer Gesamtmenge zwischen 60 g/s und 300 g/s zur Betankung bereitgestellt wird.
  15. Wasserstoffbetankungsanlage (100), die dafür eingerichtet ist, Wasserstoff (1) einem Expansionsprozess zu unterwerfen,
    wobei für den Expansionsprozess ein hydraulisch betriebener Expander (40) mit Gasexpansionszylindern (26-30) bereitgestellt ist, und wobei die Wasserstoffbetankungsanlage (100) dafür eingerichtet ist, unter Verwendung des Expanders (40) einen Radialkolbengenerator (15) anzutreiben,
    wobei der Expander (40) n Expanderstufen (26-30, 26a) aufweist, in denen jeweils Expanderkolben (26a) angeordnet sind,
    wobei für die Expansion des Wasserstoffs Zylinderräume auf auf einer ersten Seite der Expanderkolben (26a) eingerichtet sind,
    wobei der Radialkolbengenerator (15) n rotationssymmetrisch angeordnete Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a) aufweist,
    wobei Zylinderräume auf auf einer zweiten Seite der Expanderkolben (26a) über hohle Kompartimente (A) mit den Hochdruck-Verdichtungsstufen (15a-15e) hydraulisch gekoppelt sind,
    wobei in den hohle Kompartimenten (A) jeweils Ölsäulen aufgenommen sind, die in dem Expansionsprozess zur Oszillation gebracht werden können, und
    wobei n eine ganze Zahl von drei bis zehn ist.
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