EP4692636A1 - Anordnung zum überführen von flüssigem wasserstoff - Google Patents

Anordnung zum überführen von flüssigem wasserstoff

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EP4692636A1
EP4692636A1 EP24020255.6A EP24020255A EP4692636A1 EP 4692636 A1 EP4692636 A1 EP 4692636A1 EP 24020255 A EP24020255 A EP 24020255A EP 4692636 A1 EP4692636 A1 EP 4692636A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
storage container
liquid hydrogen
hydrogen
pump
connecting line
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP24020255.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Wolf
Simon Schäfer
Alexander Alekseev
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
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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Priority to PCT/EP2025/072407 priority patent/WO2026032930A1/de
Publication of EP4692636A1 publication Critical patent/EP4692636A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C5/00—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures
    • F17C5/02—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases
    • F17C5/04—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases requiring the use of refrigeration, e.g. filling with helium or hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2265/00—Effects achieved by gas storage or gas handling
    • F17C2265/03—Treating the boil-off
    • F17C2265/032—Treating the boil-off by recovery
    • F17C2265/033—Treating the boil-off by recovery with cooling
    • F17C2265/034—Treating the boil-off by recovery with cooling with condensing the gas phase

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for transferring liquid hydrogen from a first storage container to a second storage container, wherein the two storage containers can be connected to each other by means of a connecting line, and a pump and a filling valve are provided in the connecting line.
  • the first storage container will subsequently be referred to as the donor and the second storage container as the receiver.
  • Typical arrangements for transferring liquid hydrogen from a donor to a receiver are used, for example, in filling liquid hydrogen storage tanks of aircraft, ships, locomotives, or trucks. In such applications, storage containers with a capacity of more than 200 kg must be filled at rates exceeding 1 tonne per hour.
  • the transfer of liquid hydrogen from a donor to a receiver is achieved by connecting the two storage containers via a connecting line.
  • This connecting line can be a rigid pipe, a flexible hose, or a combination of both.
  • the connecting line is equipped with a suitable coupling.
  • purging steps may be necessary to clean the line and coupling.
  • measuring devices such as flow meters, orifices, etc., can be integrated into the connecting line.
  • the connecting line must include at least one pump and a filling valve.
  • a piston liquid hydrogen pump or a centrifugal liquid hydrogen pump (centrifugal pump) is typically used.
  • the pump generates a pressure differential necessary for the liquid transfer.
  • the pressure at the receiver can be either higher or lower than the pressure at the dispenser, depending on pressure losses. in the connecting line and the setting of the filling valve.
  • the relevant case is when the pressure in the receiver is higher than in the dispenser.
  • the two storage containers are connected on the gas side using additional, appropriate lines and couplings.
  • the dispenser typically has a pressure regulating system, as described below, which serves to maintain the desired pressure within the dispenser. Boil-off gas returned to the dispenser can relieve the strain on this pressure regulating system.
  • the NPSHA must be greater than or equal to the required net positive stagnation head (NPSHR)—the liquid hydrogen in the dispenser may need to be conditioned.
  • NPSHR required net positive stagnation head
  • the dispenser can be installed at a higher elevation relative to the pump. In this way, the hydrostatic pressure build-up helps to achieve the required liquid condition at the pump inlet.
  • additional measures are usually necessary to ensure a sufficient NPSHA value on the pump suction side and thus prevent cavitation.
  • the liquid hydrogen in the dispenser can be conditioned using a pressure regulating system.
  • This system can be designed in various ways. Often, a relatively simple pressure regulating system is used, consisting essentially of a valve and an ambient vaporizer, and functioning as follows: Extremely cold hydrogen is drawn from the bottom of the dispenser and fed to the pressure regulating system. The required amount of liquid is set via the valve in the pressure regulating system. The temperature difference between the relatively Warm ambient air and hydrogen are used to vaporize the liquid into a gas; the gaseous hydrogen may be superheated in this process. This gas is then fed into the dispenser's gas chamber. Due to the larger volume and higher energy of the incoming gas compared to the dispensed liquid, and because the dispenser volume remains constant, the pressure inside the dispenser increases. The pressure in the dispenser can then be regulated using the pressure control valve. Alternatively, or additionally, rapid pressurization of the dispenser, and thus conditioning of the liquid hydrogen, can be achieved using an external pressurized gas source connected to the dispenser via a line and a control valve.
  • This method is used for receivers with a filling volume of less than 100 kg of liquid hydrogen.
  • a piston pump is employed. This principle is referred to as a subcooled liquid hydrogen pumping system. The procedures described above can be used to condition the liquid hydrogen at the piston pump inlet.
  • the piston pump pumps the liquid hydrogen to a pressure of less than 16 bar. Thermodynamically, the liquid hydrogen at the pump outlet is in a subcooled state and, if the pressure exceeds 13 bar, in a supercritical state.
  • the subcooled liquid hydrogen is fed into the gas and/or liquid space of the receiver.
  • the object of the present invention is to provide a generic arrangement for transferring liquid hydrogen from a first storage container (donor) to a second storage container (receiver) that enables operation at lower pressures and the filling of storage containers with a capacity of more than 200 kg at filling rates of more than 1 tonne per hour.
  • a first storage container donor
  • a second storage container receiveriver
  • such specifications are necessary or desirable for filling liquid hydrogen storage tanks of aircraft, ships, locomotives, trucks, etc.
  • the arrangement according to the invention now makes it possible to fill storage containers with a capacity of more than 200 kg at filling rates of more than 1 ton per hour, requiring only a single connecting line between the storage containers or the dispenser and the receiver.
  • a centrifugal pump must be used, as the piston pumps used previously are limited in their delivery rate. Centrifugal pumps enable a high flow rate, allowing the desired filling rates to be achieved.
  • the centrifugal pump must have an efficiency of at least 30% and must be designed to ensure sufficient subcooling of the liquid hydrogen at the pump outlet.
  • the second storage container or receiver must be designed to withstand an internal pressure of up to 10 bar, preferably up to 5 bar.
  • means for adjusting the temperature of the liquid hydrogen at the pump inlet must be provided.
  • the temperature of the liquid hydrogen at the pump inlet is adjusted using this device such that the maximum permissible internal pressure of the receiver is not exceeded during the transfer of the liquid hydrogen.
  • the arrangement according to the invention includes means for sensing the internal pressure of the receiver, and the transfer process is terminated when the maximum permissible internal pressure of the receiver is reached. In this way, excess expansion, displacement, and boil-off gas in the receiver can be recondensed by the incoming supercooled hydrogen, while the pressure remains below the receiver's design pressure. Therefore, the previously required second line, which serves to extract gaseous hydrogen from the receiver during refueling and, if necessary, return the hydrogen to the dispenser, is no longer necessary.
  • FIG. 1 This shows the arrangement according to the invention with two storage containers, a dispenser 1 and a receiver 2.
  • the two storage containers are connected or connectable to each other via a connecting line 3, 14.
  • a coupling 5 may be required for this purpose.
  • a centrifugal pump 13 and a filling valve V are arranged in the connecting line 3, 14.
  • the line section 3 connects the dispenser 1 to the The suction side of the centrifugal pump 13 is connected to the pump, while the pressure side of the centrifugal pump 13 is connected to the receiver 2 via line section 14.
  • Measuring devices such as flow meters, orifices, etc., may be installed in the connecting line. Liquid hydrogen from the dispenser 1 is fed to the pump suction side, where its pressure decreases due to friction losses in line section 3.
  • a pressure regulating system 7 is associated with the dispenser 1, to which liquid hydrogen 1b is supplied from the dispenser 1 via line 10.
  • the hydrogen vaporized in the pressure regulating system 7 is fed to the gas space 1a of the dispenser 1 via line 11.
  • the liquid hydrogen in the dispenser 1 is conditioned so that it is completely liquid at the pump inlet.
  • the centrifugal pump 13 increases the pressure of the liquid hydrogen to up to 10 bar. Due to the efficiency of the centrifugal pump 13, which is at least 30 percent, the hydrogen is thermodynamically supercooled on the pressure side of the pump and is supplied to the receiver 2. Friction losses in the line section 14 cause the hydrogen pressure to drop. The pressure increase in the centrifugal pump 13 and its efficiency are sufficient to ensure that the hydrogen is sufficiently supercooled upon entering the receiver 2. Because of the supercooled state of the hydrogen, the hydrogen gas can condense back into liquid form in the receiver 2, thus keeping the pressure in the receiver 2 below its maximum design pressure. The temperature at the pump inlet is thus controlled, and the diameter, length, and thermal insulation of the connecting lines are selected to ensure that the maximum pressure in the receiver 2 is not reached during the refueling process.
  • valve V3 which is connected to a pressure measuring device via control line 6, closes automatically to terminate the refueling process.
  • the required degree of subcooling of the hydrogen flowing into receiver 2 is determined by the connecting line, the amount of warm gaseous hydrogen in receiver 2, and the thermal mass of the receiver. Due to the charging or storage capacity of the receiver, preferably more than At 200 kg, the influence of the receiver's thermal mass is reduced relative to the influence of the amount of warm gaseous hydrogen in the receiver compared to the prior art. For this reason, a relatively low degree of subcooling at the outlet of the centrifugal pump 13 and a maximum receiver pressure of up to 5 bar or 10 bar are sufficient.
  • the arrangement according to the invention for transferring liquid hydrogen from a first storage container to a second storage container enables the comparatively rapid refueling of larger quantities of liquid hydrogen using only one connecting line between the two storage containers. Furthermore, all processes before and after refueling, such as coupling, purging, cooling, etc., only need to be carried out for one connecting line, thereby reducing the required time, ideally by half. Under normal operating conditions, no gaseous hydrogen needs to be extracted from and treated in the receiver 2. This significantly simplifies the required refueling infrastructure. Moreover, the automatic stop of the refueling process upon reaching the maximum permissible pressure in the receiver is a faster, simpler, and safer process compared to the use of conventional flow meters or level indicators to signal the end of the refueling process.

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter (1) in einen zweiten Speicherbehälter (2) beschrieben, bei der der zu befüllende Speicherbehälter mit einer Füllmenge von mehr als 200 kg mit Befüllraten von mehr als 1 Tonne pro Stunde befüllt werden kann, wobei hierfür lediglich eine Befüllleitung, jedoch keine Rückführleitung erforderlich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter, wobei die beiden Speicherbehälter mittels einer Verbindungsleitung miteinander verbindbar sind, und in der Verbindungsleitung eine Pumpe und ein Befüllventil vorgesehen sind.
  • Der erste Speicherbehälter wird nachfolgend als Spender und der zweite Speicherbehälter als Empfänger bezeichnet.
  • Gattungsgemäße Anordnungen zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem Spender in einen Empfänger kommen bspw. bei der Befüllung von Flüssig-Wasserstoff-Speichertanks von Flugzeugen, Schiffen, Lokomotiven oder Lkw zur Anwendung. Bei derartigen Anwendungen sind Speicherbehälter mit einer Füllmenge von mehr als 200 kg mit Befüllraten von mehr als 1 Tonne pro Stunde zu befüllen.
  • Gemäß dem Stand der Technik erfolgt das Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem Spender in einen Empfänger bisher dadurch, dass die beiden Speicherbehälter mittels einer Verbindungsleitung miteinander verbunden werden, wobei es sich bei der Verbindungsleitung um eine feste Leitung, eine flexible Schlauchleitung oder eine Kombination dieser Typen handeln kann. Bei Anwendungsfällen, bei denen die beiden Speicherbehälter getrennt werden müssen, weist die Verbindungsleitung eine entsprechende Kupplung auf. Beim Verbinden der beiden Speicherbehälter sind ggf. Spülschritte zum Reinigen von Leitung und Kupplung durchzuführen. Ferner können in der Verbindungsleitung Messgeräte, wie bspw. Durchflussmesser, Blenden, etc. vorgesehen sein.
  • In der Verbindungsleitung sind wenigstens eine Pumpe sowie ein Befüllventil vorzusehen. Als Pumpe kommt üblicherweise eine Kolben-Flüssig-Wasserstoff-Pumpe oder eine zetrifugale Flüssig-Wasserstoff-Pumpe (Kreiselpumpe) zur Anwendung. Bei diesem Konzept erzeugt die Pumpe eine Druckdifferenz, die für den Flüssigkeitstransfer erforderlich ist. Der Druck im Empfänger kann jedoch entweder höher oder niedriger sein als der Druck im Spender, abhängig von den Druckverlusten in der Verbindungsleitung und der Einstellung des Befüllventils. Für die hier betrachtete Methode ist der Fall relevant, bei dem der Druck im Empfänger größer als im Spender ist. In diesem Fall werden die beiden Speicherbehälter gasseitig mittels zusätzlicher, entsprechender Leitungen und Kupplungen verbunden. Dadurch kann im Empfänger das durch Flüssigkeit verdrängte Gas sowie entstehendes Boil-off-Gas in den Spender zurückgeführt werden, wodurch das Abblasen des Boil-off-Gases und des verdrängten Gases mindestens teilweise verhindert und die entsprechenden Wasserstoff-Verluste reduziert werden können. Sofern eine Rückführung dieses Gases nicht möglich ist, ist es einer anderen Verwendung zuzuführen und/oder sicher zu entsorgen, bspw. abzufackeln.
  • Üblicherweise weist der Spender ein Druckregelsystem, wie es nachfolgend beschrieben wird, auf, das der Aufrechterhaltung des gewünschten Druck im Spender dient. In den Spender zurückgeführtes Boil-off-Gas kann dieses Druckregelsystem entlasten.
  • Um eine ausreichende vorhandene Haltedruckhöhe (NPSHA) am Pumpeneinlass zu erreichen - die vorhandene Haltedruckhöhe (NPSHA) muss größer oder gleich der erforderlichen Haltedruckhöhe (NPSHR) sein -, muss der flüssige Wasserstoff im Spender ggf. konditioniert werden. Um dies zu erreichen, können verschiedene Lösungen realisiert werden. Bspw. kann der Spender in Bezug auf die Pumpe erhöht installiert werden. Auf diese Weise hilft der hydrostatische Druckaufbau den erforderlichen Flüssigkeitszustand am Pumpeneintritt zu erreichen. Aufgrund der geringen gravimetrischen Dichte von flüssigem Wasserstoff müssen jedoch üblicherweise zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um einen ausreichenden NPSHA-Wert auf der Saugseite der Pumpe zu gewährleisten und so Kavitation zu vermeiden.
  • Der flüssige Wasserstoff im Spender kann dazu mit Hilfe eines Druckregelsystems konditioniert werden. Diese kann unterschiedlich gestaltet werden. Oftmals wird ein relativ einfaches Druckregelsystem eingesetzt, das im Wesentlichen aus einem Ventil und einem Umgebungsverdampfer besteht, und wie folgt funktioniert: Tiefkalter Wasserstoff wird aus dem Bodenbereich des Spenders entnommen und zum Druckregelsystem geleitet Die erforderliche Menge der Flüssigkeit wird über das Ventil im Druckregelsystem eingestellt. Der Temperaturunterschied zwischen der relativ warmen Umgebungsluft und dem Wasserstoff wird genutzt, um die Flüssigkeit zu Gas zu verdampfen; hierbei kann der gasförmige Wasserstoff überhitzt sein. Dieser wird dem Gasraum des Spenders zugeführt. Aufgrund des höheren Volumens und der höheren Energie des eintretenden Gases im Vergleich zur entnommenen Flüssigkeit und aufgrund des konstanten Spendervolumens steigt der Druck im Spender an. Auf diese Weise kann mittels des Druckregelventils der Druck im Spender geregelt werden. Eine schnelle Druckbeaufschlagung des Spenders und damit eine Konditionierung des flüssigen Wasserstoffs kann alternativ oder ergänzend durch eine externe Druckgasquelle erreicht werden, die über eine Leitung sowie ein Regelventil mit dem Spender verbunden ist
  • Das Management des vorbeschriebenen verdrängten Gases und des Boil-off-Gases erfordert einen nicht unerheblichen (verfahrens)technischen Aufwand. Dies gilt selbst dann, wenn eine Rückführung des Boil-off-Gases in den Spender nicht vorgesehen ist und das Gas nur entsorgt werden soll. Falls das Boil-off-Gas vom Empfänger über eine zweite Verbindungsleitung in den Spender zurückgeführt wird, sind entsprechende Hardware-Komponenten, wie Leitungen, Kupplung, Regelung, etc., erforderlich. In Summe ergaben sich somit negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit ders gesamten Anordnung zum Überführen des flüssigen Wasserstoffs.
  • Bekannt ist ferner eine Methode zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter, bei der lediglich eine einzige Verbindungsleitung zwischen Spender und Empfänger vorgesehen ist. Diese Methode wird für Empfänger mit einem Füllvolumen von weniger als 100 kg flüssigem Wasserstoff praktiziert. Hierbei kommt als Pumpe eine Kolbenpumpe zur Anwendung. Dieses Prinzip wird als unterkühltes Flüssigwasserstoff-Pumpensystem bezeichnet. Um den flüssigen Wasserstoff am Einlass der Kolbenpumpe zu konditionieren, können die vorbeschriebenen Verfahrensweisen verwendet werden. Die Kolbenpumpe pumpt den flüssigen Wasserstoff auf einen Druck von weniger als 16 bar. Thermodynamisch gesehen befindet sich der flüssige Wasserstoff am Pumpenaustritt in einem unterkühlten und, falls der Druck über 13 bar liegt, überkritischen Zustand. Der unterkühlte flüssige Wasserstoff wird in den Gas- und/oder Flüssigkeitsraum des Empfängers eingespeist. Aufgrund des unterkühlten Zustands des Wasserstoffs kann das Boil-off-Gas und die Dampfphase im Empfänger wieder rekondensieren, wodurch der Empfänger-Innendruck nur relativ langsam ansteigt. Das Befüllen wird gestoppt, wenn der maximal zulässige Druck erreicht wird. Die vorbeschriebene zweite Verbindungsleitung zur Ab- bzw. Rückführung von gasförmigem Wasserstoff während der Betankung erübrigt sich bei dieser Verfahrensführung.
  • Der erforderliche Grad der Unterkühlung der in den Empfänger eintretenden Flüssigkeit wird durch a) das Design derTransferleitung (Geometrie, Werkstoffe), b) die Menge an warmem gasförmigem Wasserstoff im Empfänger und c) das Design und die thermische Masse des Empfängers definiert. In existierenden Anwendungen sind diese Größen so gewählt, dass ein relativ großer Unterkühlungsgrad des zu pumpenden Wasserstoffs und ein entsprechender maximaler Empfänger-Druck von bis zu 16 bar erforderlich sind. Nur mittels einer Kolbenpumpe kann der dafür erforderliche Druckaufbau realisiert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter (Spender) in einen zweiten Speicherbehälter (Empfänger) anzugeben, die es ermöglicht, mit niedrigeren Betriebsdrücken zu arbeiten, und Speicherbehälter mit einer Füllmenge von mehr als 200 kg mit Befüllraten von mehr als 1 Tonne pro Stunde zu befüllen. Wie eingangs erläutert, sind derartige Vorgaben bei der Befüllung von Flüssig-Wasserstoff Speichertanks von Flugzeugen, Schiffen, Lokomotiven, Lkw, etc. erforderlich bzw. gewünscht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • die Pumpe eine Kreiselpumpe ist,
    • die Kreiselpumpe einen Wirkungsgrad von wenigstens 30 % besitzt,
    • die Kreiselpumpe derart ausgebildet ist, dass sie eine Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs am Pumpenauslass ermöglicht,
    • die Verbindungsleitung derart ausgebildet ist, dass eine Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs am Auslass der Verbindungsleitung vorhanden ist,
    • der zweite Speicherbehälter einem Innendruck von bis zu 10 bar standhält,
    • Mittel zum Einstellen der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass vorgesehen sind, wobei die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass derart eingestellt wird, dass während des Überführens des flüssigen Wasserstoffs der maximal zulässige Innendruck des zweiten Speicherbehälters nicht überschritten wird, und
    • Mittel zum Erfassen des Innendrucks des zweiten Speicherbehälter vorgesehen sind, wobei beim Erreichen des maximal zulässigen Innendrucks des zweiten Speicherbehälters der Überführvorgang beendet wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • dem ersten Speicherbehälter ein Druckregelsystem zugeordnet ist, das der Konditionierung des flüssigen Wasserstoffs im ersten Speicherbehälter dient,
    • in der Verbindungsleitung wenigstens ein Messgerät, vorzugsweise ein Durchflussmesser, angeordnet ist,
    • die Verbindungsleitung eine Kupplung aufweist,
    • der zweite Speicherbehälter einem Innendruck von wenigstens 5 bar standhält,
    • der zweite Speicherbehälter eine Kapazität von wenigstens 200 kg Wasserstoff aufweist,
    • der zweite Speicherbehälter aus einem oder mehreren separaten Behältern besteht, wobei diese eine gemeinsame Isolierung oder jeweils eine eigene Isolierung aufweisen, und
    • Mittel zum Einspeisen des unterkühlten Flüssigwassestoffs in den zweiten Speicherbehälter vorgesehen sind, die das Vermischen des in den Speicherbehälter eingespeisten Wasserstoffs und des im Speicherbehälter vorhandenen Wasserstoffs verbessern.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es nunmehr, Speicherbehälter mit einer Füllmenge von mehr als 200 kg mit Befüllraten von mehr als 1 Tonne pro Stunde zu befüllen, wobei lediglich eine als Befüllleitung dienende Verbindungsleitung zwischen den Speicherbehältern bzw. dem Spender und dem Empfänger vorzusehen ist. Hierbei ist als Pumpe eine Kreiselpumpe vorzusehen, da die bisher verwendeten Kolbenpumpen in der Fördermenge begrenzt sind. Kreiselpumpen ermöglichen eine hohe Durchflussrate, so dass die gewünschten Befüllraten erreicht werden können. Die Kreiselpumpe muss einen Wirkungsgrad von wenigstens 30 % aufweisen und ist derart auszubilden, dass sie eine ausreichende Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs am Pumpenauslass ermöglicht. Ferner ist der zweite Speicherbehälter bzw. Empfänger derart auszulegen, dass er einem Innendruck von bis zu 10 bar, vorzugsweise von bis zu 5 bar standhält. Desweiteren sind Mittel zum Einstellen der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass vorzusehen. Mittels dieser ist die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass derart einzustellen, dass während des Überführens des flüssigen Wasserstoffs der maximal zulässige Innendruck des Empfängers nicht überschritten wird. Ferner weist die erfindungsgemäße Anordnung Mittel zum Erfassen des Innendrucks des Empfängers auf, wobei beim Erreichen des maximal zulässigen Innendrucks des Empfängers der Überführvorgang beendet wird. Auf diese Weise kann überschüssiges Entspannungs-, Verdrängungs- und Boil-off-Gas im Empfänger durch den eintretenden unterkühlten Wasserstoff wieder kondensiert werden, während der Druck unter dem Auslegungsdruck des Empfängers bleibt. Daher ist die bisher vorzusehende zweite Leitung, die der Entnahme von gasförmigem Wasserstoff während der Betankung aus dem Empfänger und ggf. Rückführung des Wasserstoffs in den Spender dient, nicht mehr erforderlich.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Dieses zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Speicherbehältern, einem Spender 1 und einem Empfänger 2. Die beiden Speicherbehälter sind über eine Verbindungsleitung 3, 14 miteinander verbunden bzw. verbindbar. Dazu ist ggf eine Kupplung 5 vorzusehen. In der Verbindungsleitung 3, 14 sind eine Kreiselpumpe 13 und ein Befüllventil V angeordnet. Der Leitungsteil 3 verbindet den Spender 1 mit der Saugseite der Kreiselpumpe 13, während die Druckseite der Kreiselpumpe 13 über den Leitungsteil 14 mit dem Empfänger 2 verbunden ist. Ggf. können in der Verbindungsleitung Messgeräte, wie Durchflussmesser, Blenden, etc. vorgesehen sein. Flüssiger Wasserstoff aus dem Spender 1 wird zur Pumpensaugseite geleitet, wobei dessen Druck aufgrund von Reibungsverlusten im Leitungsteil 3 sinkt. Dem Spender 1 ist ein Druckregelsystem 7 zugeordnet, dem über Leitung 10 flüssiger Wasserstoff 1b aus dem Spender 1 zugeführt. Der im Druckregelsystem 7 verdampfte Wasserstoff wird über Leitung 11 dem Gasraum 1a des Spender 1 zugeführt. Mittels des Druckregelsystems 7 wird der flüssige Wasserstoff im Spender 1 derart konditioniert, dass er am Pumpeneinlass vollständig flüssig vorliegt.
  • Die Kreiselpumpe 13 erhöht den Druck des flüssigen Wasserstoffs auf bis zu 10 bar. Aufgrund des wenigstens 30 prozentigen Wirkungsgrads der Kreiselpumpe 13 befindet sich der Wasserstoff auf der Druckseite der Kreiselpumpe thermodynamisch im unterkühlten Bereich und wird dem Empfänger 2 zugeführt. Aufgrund von Reibungsverlusten im Leitungsteil 14 sinkt der Druck des Wasserstoffs. Der Druckanstieg in der Kreiselpumpe 13 und ihr Wirkungsgrad sind ausreichend, dass der Wasserstoff beim Eintritt in den Empfänger 2 ausreichend unterkühlt ist. Aufgrund des unterkühlten Zustands des Wasserstoffs kann das Wasserstoff-Gas im Empfänger 2 wieder in flüssige Form kondensiert werden, wodurch der Druck im Empfänger 2 unterhalb seines maximalen Auslegungsdrucks gehalten wird. Die Temperatur am Pumpeneinlass wird so konditioniert, und der Durchmesser, die Länge und die Wärmedämmqualität der verwendeten Berbindungsleitungen werden so gewählt, dass der maximale Druck im Empfänger 2 während des Betankungsvorgangs nicht erreicht wird. Wenn der Betankungsvorgangs fast abgeschlossen ist, steigt der Druck im Empfänger 2 stark an. Dieser Effekt zeigt das Ende des Betankungsvorgangs an. Sobald ein vorgegebener maximaler Druck von 5 bar oder 10 bar im Empfänger 2 erreicht ist, wird das Ventil V3, das über die Regelleitung 6 mit einer Druckmessvorrichtung verbunden ist, automatisch geschlossen, um den Betankungsvorgang zu beenden.
  • Der erforderliche Grad der Unterkühlung des in den Empfänger 2 einströmenden Wasserstoffs wird durch die Verbindungsleitung, die Menge an warmem gasförmigem Wasserstoff im Empfänger 2 und die thermische Masse des Empfängers bestimmt. Aufgrund der Lade- bzw. Speichergröße des Empfängers von vorzugsweise mehr als 200 kg wird der Einfluss der thermischen Masse des Empfängers im Verhältnis zum Einfluss der Menge an warmem gasförmigem Wasserstoff im Empfänger im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Aus diesem Grund ist ein relativ niedriger Unterkühlungsgrad am Auslass der Kreiselpumpe 13 und ein maximaler Druck des Empfängers 2 von bis zu 5 bar bzw. 10 bar ausreichend.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter ermöglicht ein vergleichsweise schnelles Betanken größerer Mengen flüssigen Wasserstoffs unter Verwendung lediglich einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Speicherbehältern. Darüber hinaus müssen alle Prozesse vor und nach dem Betankungsvorgang, wie Kuppeln, Spülen, Abkühlen, etc. nur für eine Verbindungsleitung durchgeführt werden, wodurch sich die benötigte Zeit reduziert, bestenfalls halbiert. Unter normalen Betriebsbedingungen muss kein gasförmiger Wasserstoff aus dem Empfänger 2 entnommen und behandelt werden. Dies vereinfacht die benötigte Betankungsinfrastruktur erheblich. Ferner ist der automatische Stopp des Betankungsvorgangs bei Erreichen des maximal zulässigen Drucks im Empfänger ein schneller, einfacher und sicherer Vorgang, im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher Durchflussmesser oder Füllstandsanzeiger zur Anzeige des Endes des Betankungsvorgangs.

Claims (8)

  1. Anordnung zum Überführen von flüssigem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter in einen zweiten Speicherbehälter, wobei
    - die beiden Speicherbehälter (1, 2) mittels einer Verbindungsleitung (3, 14) miteinander verbindbar sind, und
    - in der Verbindungsleitung (3, 14) eine Pumpe (13) und ein Befüllventil (V3) vorgesehen sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Pumpe eine Kreiselpumpe (13) ist,
    - die Kreiselpumpe (13) einen Wirkungsgrad von wenigstens 30 % besitzt,
    - die Kreiselpumpe (13) derart ausgebildet ist, dass sie eine Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs am Pumpenauslass ermöglicht,
    - die Verbindungsleitung (3, 14) derart ausgebildet ist, dass eine Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffs am Auslass der Verbindungsleitung (3, 14) vorhanden ist,
    - der zweite Speicherbehälter (2) einem Innendruck von bis zu 10 bar standhält,
    - Mittel zum Einstellen der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass (13) vorgesehen sind, wobei die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs am Pumpeneinlass (13) derart eingestellt wird, dass während des Überführens des flüssigen Wasserstoffs der maximal zulässige Innendruck des zweiten Speicherbehälters (2) nicht überschritten wird, und
    - Mittel zum Erfassen des Innendrucks des zweiten Speicherbehälter (2) vorgesehen sind, wobei beim Erreichen des maximal zulässigen Innendrucks des zweiten Speicherbehälters (2) der Überführvorgang beendet wird.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Speicherbehälter (1) ein Druckregelsystem (7) zugeordnet ist, das der Konditionierung des flüssigen Wasserstoffs im ersten Speicherbehälter (1) dient.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (3, 14) wenigstens ein Messgerät, vorzugsweise ein Durchflussmesser, angeordnet ist.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (3, 14) eine Kupplung (5) aufweist.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicherbehälter (2) einem Innendruck von wenigstens 5 bar standhält.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicherbehälter (2) eine Kapazität von wenigstens 200 kg Wasserstoff aufweist.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicherbehälter (2) aus einem oder mehreren separaten Behältern besteht, wobei diese eine gemeinsame Isolierung oder jeweils eine eigene Isolierung aufweisen.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einspeisen des unterkühlten Flüssigwassestoffs in den zweiten Speicherbehälter (2) vorgesehen sind, die das Vermischen des in den Speicherbehälter (2) eingespeisten Wasserstoffs und des im Speicherbehälter (2) vorhandenen Wasserstoffs verbessern.
EP24020255.6A 2024-08-05 2024-08-05 Anordnung zum überführen von flüssigem wasserstoff Pending EP4692636A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4887857A (en) * 1986-07-22 1989-12-19 Air Products And Chemicals, Inc. Method and system for filling cryogenic liquid containers
EP2565514A1 (de) * 2011-08-30 2013-03-06 Air Liquide Deutschland GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Nachfüllen eines Speichertanks
US20240151358A1 (en) * 2022-11-07 2024-05-09 General Electric Company Integrated cryogenic hydrogen tank systems and methods for operating the same

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