WO2012038039A1 - Befüllen von speicherbehältern mit einem komprimierten medium - Google Patents

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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for filling a second storage tank with compressed hydrogen or compressed helium from a first storage tank, wherein the first and the second storage tank via at least one line, in which at least one valve is arranged, are connected.
  • Storage tank with compressed hydrogen from a first storage tank for example, in the filling of the storage tank or a hydrogen filling station by means of so-called. Hydrogen trailers are used.
  • a self-medium controlled control valve is disposed in the duct via which the storage tanks are connected to each other.
  • the regulator starts to close when 90 to 95% of the maximum allowable within the second storage tank to be filled
  • the filling of the or the storage tank which have a maximum allowable operating pressure of 50 bar and a storage volume of the order of 100 m 3 , about 1, 5 hours.
  • Object of the present invention is a generic method and a generic arrangement for filling a second storage container with compressed hydrogen or compressed helium from a first
  • Switching valve is used, wherein the set pressure of the switching valve is determined by the maximum allowable operating pressure of the second storage tank. This means that a pressure value which ideally corresponds to the maximum permissible operating pressure of the storage container to be filled is selected as the setting pressure of the switching valve, deviations between 0 and 1% being tolerable.
  • the use of an intrinsically or externally medium controlled switching valve has not previously been considered, as the art believed that faster overfill time offers no advantages. With the use of an intrinsically or externally medium-controlled switching valve, the filling times can be reduced by a factor> 2 under otherwise unchanged conditions. This is partly because switching valves with larger Cv / Kv values are available and the
  • Hydrogen flow rate is no longer limited by the design of the valve used.
  • the inventive arrangement for filling a second storage tank with compressed hydrogen or helium from a first storage tank is characterized in that the valve is a self-or foreign medium-controlled switching valve, wherein the set pressure of the switching valve by the maximum allowable
  • the setting pressure of the switching valve is not more than 5% below the maximum working pressure of the second storage container, preferably equal to the maximum working pressure of the second storage container if a plurality of second storage containers are filled with compressed hydrogen or compressed helium from one or more first storage containers, at least one of the second storage containers, preferably all second storage containers is assigned a separate intrinsically or externally medium-controlled switching valve, and the compressed hydrogen or the compressed helium in the or the first storage containers at a pressure of at least 400 bar and / or in the second or the second storage containers at a pressure of at least 50 bar is stored.
  • first storage tanks A - A Shown in the figure are three first storage tanks A - A "and three second storage tanks B - B".
  • first and / or second storage containers can be provided.
  • the first three storage tanks A - A "represent a hydrogen trailer.
  • the second storage tanks B - B "shown in the figure serve, for example, to store the hydrogen in a hydrogen filling station, in which the compressed hydrogen is stored under a pressure of between 50 and 200 bar.
  • Each of the three first storage tanks A - A has a removal line 1 - 1", in each of which a control valve a - a "is provided
  • the above-mentioned lines 1 - 1" open into a common withdrawal line 2.
  • a central filling line 4 is provided, which is divided into several, the second storage containers B - B "associated accompaniments 5 - 5".
  • the connection between the hydrogen trailer and the hydrogen filling station takes place via a coupling 3 of the extraction line 2 to the filling line 4.
  • the first storage tanks A - A “are individually and sequentially connected to the first to be filled second storage tank B.
  • the hydrogen flow through the valve b is detected and at
  • Storage tank B 'switched. This switching can be done manually or automatically. To avoid overfilling the storage container to be filled is a appropriate warning system that interrupts the filling by closing the switching valve to provide.
  • novel pressure vessels are to be used. These consist of a carbon material and have a metallic inliner, preferably an aluminum inliner, or a non-metallic (plastic) liner.
  • the compressed hydrogen is stored in the second storage tank (s) at a pressure between 40 and 200 bar. This is done in an advantageous manner in common standard pressure vessels or tanks.
  • the inventive method and the inventive arrangement for filling and a second storage container with compressed hydrogen or compressed helium from a first storage container allow the

Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder Helium aus einem ersten Speicherbehälter beschrieben, wobei der erste und der zweite Speicherbehälter über wenigstens eine Leitung, in der wenigstens ein Ventil angeordnet ist, verbunden werden. Erfindungsgemäß wird als Ventil ein eigen- oder fremdmediumgesteuertes Schaltventil (b, b', b") verwendet, wobei der Einstelldruck des Schaltventils (b, b', b") durch den maximal zulässigen Betriebsdruck des zweiten Speicherbehälters (B, Β', B") festgelegt wird.

Description

Beschreibung
Befüllen von Speicherbehältern mit einem komprimierten Medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten Speicherbehälter, wobei der erste und der zweite Speicherbehälter über wenigstens eine Leitung, in der wenigstens ein Ventil angeordnet ist, verbunden werden.
Gattungsgemäße Verfahren sowie Anordnungen zum Befüllen eines zweiten
Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter kommen beispielsweise bei der Befüllung des oder der Speicherbehälter einer Wasserstoff-Tankstelle mittels sog. Wasserstoff-Trailer zur Anwendung.
Bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff aus einem ersten Speicherbehälter ist in der Leitung, über die die Speicherbehälter miteinander verbunden werden, ein eigenmediumgesteuert.es Regelventil angeordnet.
Der Durchfluss des Wasserstoffs von dem ersten zu dem zweiten Speicherbehälter und damit die Betankungszeit werden durch folgende Kriterien begrenzt:
Regelcharakteristik des Regelventils
Cv/Kv-Wert des Regelventils
Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten bzw. zu befüllenden Speicherbehälter
Die eigentliche Befüllzeit ist bisher nicht von entscheidender Bedeutung, da das Speichervolumen gegenwärtiger Wasserstoff-Trailer lediglich ausreicht, ein oder maximal zwei Abnehmer mit Wasserstoff zu beliefern. Zukünftig werden jedoch Wasserstoff-Trailer zum Einsatz kommen, bei denen die Speicherkapazität zwei bis dreimal so hoch ist, so dass ein Wasserstoff-Trailer mehrere Abnehmer mit
Wasserstoff versorgen kann; in diesen Fällen gewinnt die Befüllzeit aus naheliegenden Gründen an Bedeutung. Aufgrund ihrer Regelcharakteristik beginnen eigenmediumgesteuerte Nachdruck- Regelventile bereits dann zu schließen, wenn der Druck nach dem Ventil auf 90 bis 95 % des eingestellten Schließdrucks angestiegen ist. Ist der Druckregler
beispielsweise auf den maximal zulässigen Betriebsdrucks des zu befüllenden
Behälters eingestellt, beginnt der Regler dann zu schließen, wenn innerhalb des zu befüllenden, zweiten Speicherbehälters 90 bis 95 % des maximal zulässigen
Betriebsdrucks des zu befüllenden Speicherbehälters erreicht sind. Dieses Verhalten ist von Nachteil, da die Speichervolumina der zu befüllenden Speicherbehälter im Regelfall vergleichsweise groß sind und daher aufgrund des Regelverhaltens des Regelventils die BefüSIzeit übermäßig verlängert wird.
Von Nachteil bei den bekannten Regelventilen ist ferner, dass sie einen
vergleichsweise kleinen Cv/Kv-Wert aufweisen. Gegenwärtige Wasserstoff-Trailer speichern komprimierten Wasserstoff unter einem Druck von ca. 200 bar. Bei einer Speicherkapazität von 34 m3 können mit einem derartigen Wasserstoff-Trailer ca. 600 kg Wasserstoff transportiert werden. Nach Verbinden eines derartigen Wasserstoff-Trailers mit dem oder den Speicherbehältem des Wasserstoff-Abnehmers bzw. -Verbrauchers - hierbei handelt es sich
beispielsweise um eine Wasserstoff-Tankstelle -, erfordert der Befüllvorgang des bzw. der Speicherbehälter, die einen maximal zulässigen Betriebsdruck von 50 bar und ein Speichervolumen in der Größenordnung von 100 m3 aufweisen, ca. 1 ,5 Stunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Anordnung zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten
Speicherbehälter anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren angegeben, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass als Ventil ein eigen- oder fremdmediumgesteuert.es
Schaltventil verwendet wird, wobei der Einstelldruck des Schaltventils durch den maximal zulässigen Betriebsdruck des zweiten Speicherbehälters festgelegt wird. Dies bedeutet, dass als Einstelldruck des Schaltventils ein Druckwert, der dem maximal zulässigen Betriebsdruck des zu befüllenden Speicherbehälters idealerweise entspricht , gewählt wird, wobei Abweichungen zwischen 0 und 1 % tolerierbar sind. Die Verwendung eines eigen- oder fremdmediumgesteuerten Schaltventils war bisher nicht in Erwägung gezogen worden, da die Fachwelt davon ausging, dass eine schnellere Überfüllzeit keine Vorteile bietet. Mit der Verwendung eines eigen- oder fremdmediumgesteuerten Schaltventils lassen sich bei ansonsten unveränderten Rahmenbedingungen die Befüllzeiten um einen Faktor > 2 verringern. Dies liegt u. a. daran, dass Schaltventile mit größeren Cv/Kv-Werten erhältlich sind und die
Wasserstoff-Durchflussmenge nicht mehr durch das Design des verwendeten Ventils begrenzt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimierten Wasserstoff oder Helium aus einem ersten Speicherbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein eigen- oder fremdmediumgesteuertes Schaltventil ist, wobei der Einstelldruck des Schaltventils durch den maximal zulässigen
Betriebsdruck des zweiten Speicherbehälters festgelegt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Anordnung, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass der Einstelldruck des Schaltventils nicht mehr als 5 % unter dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten Speicherbehälters liegt, vorzugsweise gleich dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten Speicherbehälters ist, sofern mehrere zweite Speicherbehälter mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem oder mehreren ersten Speicherbehältern befüllt werden, zumindest einem der zweiten Speicherbehälter, vorzugsweise allen zweiten Speicherbehältern ein separates eigen- oder fremdmediumgesteuertes Schaltventil zugeordnet ist, und der komprimierte Wasserstoff oder das komprimierte Helium in dem oder den ersten Speicherbehältern bei einem Druck von wenigstens 400 bar und/oder in dem oder den zweiten Speicherbehältern bei einem Druck von wenigstens 50 bar gespeichert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Anordnung zum Befüllen und eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten Speicherbehälter werden nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der Figur dargestellt sind drei erste Speicherbehälter A - A" sowie drei zweite Speicherbehälter B - B". In der Praxis kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von ersten und/oder zweiten Speicherbehältern vorgesehen werden. Die drei ersten Speicherbehälter A - A" stehen beispielsweise für einen Wasserstoff-Trailer.
Gegenwärtig werden Wasserstoff-Trailer bzw. Speichervorrichtungen für derartige Trailer getestet, die es ermöglichen, Wasserstoff unter einem Druck bis zu 500 bar und darüber zu speichern. Damit können bei einem Speichervolumen von 35 bis 40 m3 ca. 1 100 kg Wasserstoff transportiert werden. Die in der Figur dargestellten zweiten Speicherbehälter B - B" dienen beispielsweise der Speicherung des Wasserstoffs in einer Wasserstoff-Tankstelle. In ihnen wir der komprimierte Wasserstoff unter einem Druck zwischen 50 und 200 bar gespeichert.
Jeder der drei ersten Speicherbehälter A - A" weist eine Entnahmeleitung 1 - 1 " auf, in der jeweils ein Regelventil a - a" vorgesehen ist. Die vorgenannten Leitungen 1 - 1" münden in eine gemeinsame Entnahmeleitung 2. Auf Seiten der Wasserstoff- Tankstelle ist eine zentrale Befüllleitung 4 vorgesehen, die sich in mehrere, den zweiten Speicherbehältern B - B" zugeordneten Begleitungen 5 - 5" aufteilt. Das Verbinden zwischen dem Wasserstoff-Trailer und der Wasserstoff-Tankstelle erfolgt über ein Verkuppeln 3 der Entnahmeleitung 2 mit der Befüllleitung 4.
Während des Befüllvorganges werden die ersten Speicherbehälter A - A" einzeln und nacheinander mit dem zuerst zu befüllenden zweiten Speicherbehälter B verbunden. Hierbei wird der Wasserstoff-Durchfluss über das Ventil b detektiert und bei
Unterschreiten eines (einstellbaren) Grenzwertes auf den nächsten ersten
Speicherbehälter B' umgeschaltet. Dieses Umschalten kann manuell oder automatisch erfolgen. Um ein Überfüllen des zu befüllenden Speicherbehälters zu vermeiden, ist ein entsprechendes Warnsystem, das den Befüllvorgang durch Schließen des Schaltventils unterbricht, vorzusehen.
Im Gegensatz zu bisherigen Befüllverfahren kann die Vorrichtung, über die im Falle der Fehlfunktion des Regelventils ein Abblasen des Wasserstoffs erfolgt, wesentlich reduziert werden, da nunmehr lediglich eine Abblas-Vorrichtung erforderlich ist, über die ggf. kleine Leckströme, die bei geschlossenem Schaltventil auftreten können, abgeführt werden können. Um den komprimierten Wasserstoff in dem oder den ersten Speicherbehältern bei einem Druck von > 500 bar speichern zu können, sind neuartige Druckbehälter zu verwenden. Diese bestehen aus einem Kohlenstoffmaterial und weisen einen metallischen Inliner, vorzugsweise einen Aluminium-Inliner, oder einen nichtmetallischen (Kunststoff-)lnliner auf. Zur Erhöhung der Effizienz wird der komprimierte Wasserstoff in dem oder den zweiten Speicherbehältern bei einem Druck zwischen 40 und 200 bar gespeichert. Dies erfolgt in vorteilhafter Weise in gängigen Standard- Druckbehältern bzw. -Tanks.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Anordnung zum Befüllen und eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten Speicherbehälter ermöglichen die
Realisierung kürzerer Befüllzeiten, da die Durchflussmenge des überströmenden Wasserstoffs bzw. Heliums durch Verwendung eines Schaltventils erhöht werden kann.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten Speicherbehälter, wobei der erste und der zweite Speicherbehälter über wenigstens eine Leitung, in der wenigstens ein Ventil angeordnet ist, verbunden werden, dadurch
gekennzeichnet, dass als Ventil ein eigen- oder fremdmediumgesteuertes Schaltventil (b, b', b") verwendet wird, wobei der Einstelldruck des Schaltventils (b, b', b") durch den maximal zulässigen Betriebsdruck des zweiten Speicherbehälters (B, Β', B") festgelegt wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einstelldruck des Schaltventils (b, b', b") nicht mehr als 5 % unter dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten Speicherbehälters liegt, vorzugsweise gleich dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten Speicherbehälters (B, Β', B") ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere zweite Speicherbehälter mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem oder mehreren ersten Speicherbehältern befüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der zweiten Speicherbehälter (B, Β', B"), vorzugsweise allen zweiten Speicherbehältern (B, Β', B") ein separates eigen- oder fremdmediumgesteuertes Schaltventil (b, b", b") zugeordnet ist.
4 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der komprimierte Wasserstoff oder das komprimierte Helium in dem oder den ersten Speicherbehältern (A, Α', A") bei einem Druck von wenigstens 400 bar gespeichert wird.
5 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der komprimierte Wasserstoff oder das komprimierte Helium in dem oder den zweiten Speicherbehältern (B, Β', B") bei einem Druck von wenigstens 50 bar gespeichert wird. Anordnung zum Befüllen eines zweiten Speicherbehälters mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem ersten Speicherbehälter, wobei der erste und der zweite Speicherbehälter über wenigstens eine Leitung, der wenigstens ein Ventil angeordnet ist, verbunden oder verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein eigen- oder fremdmedium- gesteuertes Schaltventil (b, b', b") ist, wobei der Einstelldruck des Schaltventils (b, b', b") durch den maximal zulässigen Betriebsdruck des zweiten
Speicherbehälters (B, Β', B") festgelegt wird.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstelldruck des Schaltventils (b, b', b") nicht mehr als 5 % unter dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten Speicherbehälters liegt, vorzugsweise gleich dem maximalen Arbeitsdruck des zweiten. Speicherbehälters (B, Β', B") ist. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei mehrere zweite Speicherbehälter mit komprimiertem Wasserstoff oder komprimiertem Helium aus einem oder mehreren ersten Speicherbehältern befüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der zweiten Speicherbehälter (B, Β', B"), vorzugsweise allen zweiten Speicherbehältern (B, Β', B" ein separates eigen- oder fremdmediumgesteuert.es Schaltventil (b, b', b") zugeordnet ist.
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