WO2013020665A1 - Betanken eines fahrzeuges mit einem unter druck stehenden, gasförmigen medium - Google Patents

Betanken eines fahrzeuges mit einem unter druck stehenden, gasförmigen medium Download PDF

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partial flow
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Wilfried-Henning Reese
Harald Kraus
Tobias Kederer
Simon Schäfer
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Linde Aktiengesellschaft
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method for refueling a vehicle with a pressurized, gaseous medium according to the preamble of claim 1.
  • vehicle are below all types of land, air and water vehicles to understand in which a refueling with a pressurized gaseous medium, in particular with hydrogen, can be realized.
  • medium below u. a. To understand gases and gas mixtures.
  • vehicle tank includes all types of tanks or storage tanks that are suitable for the storage of pressurized gaseous media.
  • thermoblock which heats the medium to be supplied to the vehicle tank to a temperature lying within a predetermined temperature interval.
  • this thermoblock is executed, for example, as an electrically heated aluminum block with cast 900 bar gas line.
  • ambient air heat exchangers can be used.
  • Heat exchange with the required temperature accuracy can only be achieved by very long pipe helices, since only a small temperature difference is available to the desired end temperature in the heat exchanger. This leads to considerable costs for the cost-intensive 900 bar pipe material and for its processing (tube bending and welding).
  • Object of the present invention is to provide a generic method for refueling a vehicle with a pressurized gaseous medium, which avoids the aforementioned disadvantages, in particular a simple and inexpensive method for conditioning of compacted
  • the medium is compressed in one or more stages, wherein the temperature of the compressed medium after the compression is below the predetermined temperature interval,
  • the warmed partial flow of the compressed medium and the unheated partial flow of the compressed medium are mixed in a ratio, that the resulting medium temperature within the given
  • Refueling of a vehicle the subject matter of the dependent claims, are characterized in that the partial flow to be heated of the compressed medium
  • Ambient temperature is warmed, the heating of the partial flow to be heated of the compressed medium by means of an electric heat exchanger, a
  • Source-derived medium stream are mixed in a ratio that the resulting medium temperature within the specified
  • a division into two media streams now takes place after a one-stage or multistage compression of the medium. While one of these flows is subjected to warming, preferably to ambient temperature, the second medium flow does not undergo warming.
  • the compression of the medium takes place in the case of hydrogen, which, as already mentioned, preferably stored in liquid form, by means of the aforementioned liquid or cryopumps.
  • the control system may, for example, consist of two control valves or a combined control valve.
  • the advantage of the method according to the invention for refueling a vehicle is, in particular, that due to the mixing of the warmed and unheated media flow, no complex heat exchanger systems capable of heating the compressed medium to an exact final temperature are required.
  • the desired end temperature can be set from the two different flow temperatures of the media streams.
  • the inventive method for refueling a vehicle is particularly suitable for hydrogen refueling stations, where realized a liquid-hydrogen storage and liquid-hydrogen pumps or cold gas compressors used as pressure booster, since their outlet temperatures are far below the usually predetermined temperature intervals.
  • the exit temperature of a cold gas compressor is about -100 ° C, while it is about -210 ° C for a liquid-hydrogen pump.
  • FIG. 1 shows a storage tank S for liquid hydrogen, which is a
  • Storage volume between 10 and 200 m 3 has.
  • Such storage containers for liquefied hydrogen are well known in the art. When used in hydrogen filling stations, they are preferably underground and arranged to be driven over by the vehicles to be refueled. Via line 1 from the storage tank S withdrawn liquid hydrogen is compressed by means of a liquid-hydrogen pump P or a cold gas compressor to the desired pressure.
  • the liquid hydrogen pump P which is used in practice are specifically geared to the requirements of refueling vehicles. They offer the possibility of liquid
  • Hydrogen from about 1 bara up to 900 bar in a two-stage Compression process to compress.
  • the compressed hydrogen has a
  • Temperature which is well below the predetermined for the refueling of hydrogen vehicles temperature interval; this ranges, as mentioned, from -33 to -40 ° C.
  • the compressed hydrogen is now divided according to the invention into two partial streams 2 and 3. During one of these partial flows 3 no heating by an external medium undergoes - is not completely prevent of course, a heat input into the media line - the other partial stream 2 is subjected to a one or more stages warming, the temperature is after heating above the predetermined temperature interval , In the process shown in Figure 1, the second partial hydrogen stream 2 in a
  • Heat exchanger E ' is heated to the desired temperature.
  • the two hydrogen streams 3 and 4 are mixed and fed via line 5 to be filled storage tank.
  • the two partial streams 3 and 4 are mixed in a ratio such that the resulting temperature of the hydrogen stream in the line 5 is within the predetermined temperature interval.
  • the control system required for this purpose consists of two control valves V1 and V2, which regulate the mass flows of the two hydrogen substreams 3 and 4.
  • the control valves V1 and V2 are of a not shown in the figure 1 control unit, the u. a. detects the temperature of the hydrogen stream in the line 5, driven.
  • control valves V1 and V2 instead of the two control valves V1 and V2, other control devices, such as, for example, a combined control valve, can be used.
  • control valves V1 and V2 can from the two
  • the desired final temperature of the hydrogen stream 5 are set.
  • An influence on the temperature of the hydrogen stream 5 is also due to the supply of an identical or substantially identical medium via line 6, in which also a control or shut-off valve V3 is arranged, possible. While in a plurality of applications of the method according to the invention a supply of a medium 6 whose composition does not exactly correspond to that of the compressed medium 2, is conceivable, in the case of a hydrogen filling station usually only a supply of hydrogen will be possible.
  • This hydrogen stream 6 may, for example, come from a pressure accumulator or boil-off gas storage or an optionally provided booster storage, which serves to increase the delivery flow. It should again be emphasized that the above-described method according to the invention for refueling a vehicle can be used not only for the refueling of vehicles with compressed gaseous hydrogen, but in principle for all comparable media.

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Abstract

Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit unter Druck stehendem, gasförmigen Wasserstoff, wobei das Medium unmittelbar vor der Zuführung in den Fahrzeugtank eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur aufweist. Erfindungsgemäß wird das Medium (1) ein- oder mehrstufig verdichtet (P), wobei die Temperatur des verdichteten Mediums (2, 3) nach der Verdichtung (P) unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, wird ein Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt (E, E'), und werden der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3) in einem Verhältnis vermischt, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.

Description

Beschreibung
Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Unter dem Begriff "Fahrzeug" seien nachfolgend alle Arten von Land-, Luft- und Wasser-Fahrzeugen zu verstehen, bei denen eine Betankung mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit Wasserstoff, realisierbar ist. Unter dem Begriff "Medium" seien nachfolgend u. a. Gase und Gasgemische zu verstehen. Der Begriff "Fahrzeugtank" umfasse alle Arten von Tanks bzw. Speicherbehälter, die für die Speicherung unter Druck stehender, gasförmiger Medien geeignet sind.
Es existieren bereits Wasserstoff-Tankstellen, an denen Betankungen von Fahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff mit Drücken bis zu 700 bar realisiert werden. Bei derartigen Wasserstoff-Tankstellen wird dazu übergegangen, verflüssigten Wasserstoff in einem vorzugsweise mit einer Vakuumsuperisolierung versehenen Speicherbehälter zu speichern. Um den annähernd drucklos gelagerten flüssigen Wasserstoff auf den gewünschten Speicherdruck von bis zu 700 bar verdichten zu können, werden Flüssigbzw. Kryopumpen vorgesehen. Die Komprimierung des Wasserstoffs mittels derartiger Kryopumpen ist vergleichsweise wirtschaftlich und kostengünstig, da im Falle der Flüssigförderung bzw. -komprimierung lediglich eine geringe Kompressionsarbeit zu leisten ist. Des Weiteren ist eine aufwändige Kühlung des derart verdichteten
Wasserstoffstromes nicht mehr erforderlich, da die Temperatur am Ausgang der Kryopumpe mit etwa 50 bis 60 K vergleichsweise niedrig ist.
Um eine Überhitzung des Fahrzeugtanks zu vermeiden muss der verdichtete
Wasserstoff jedoch (unmittelbar) vor der Zuführung in den Fahrzeugtank auf eine Temperatur von -40 °C angewärmt werden. Aufgrund der Fahrzeugtankspezifikationen sind Temperaturen niedriger als -40 °C ebenfalls nicht zulässig. Der dem Fahrzeugtank zuzuführende Wasserstoffstrom ist somit auf einem vergleichsweise engen
Temperaturbereich von ca. -33 bis -40 °C zu konditionieren. Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, bei dem das Medium vor der Zuführung in den Fahrzeugtank entsprechend konditioniert wird, ist bspw. in der DE-A 102009019275 offenbart. Hierbei kommt ein Thermoblock zur Anwendung, der das dem Fahrzeugtank zuzuführende Medium auf eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur erwärmt. In der Praxis wird dieser Thermoblock bspw. als elektrisch beheizter Aluminiumblock mit eingegossener 900 bar-Gasleitung ausgeführt. Alternativ zu einem Thermoblock können Umgebungsluftwärmetauscher verwendet werden.
Die vorbeschriebenen Verfahrensweisen haben den Nachteil, dass der
Wärmeaustausch mit der geforderten Temperaturgenauigkeit nur durch sehr lange Rohrleitungswendeln erreicht werden kann, da zur gewünschten Endtemperatur im Wärmetauscher nur ein geringer Temperaturunterschied zur Verfügung steht. Dies führt zu erheblichen Kosten für das kostenintensive 900 bar-Rohrmaterial und für dessen Bearbeitung (Rohrbiegen und Schweißen).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine möglichst einfache und kostengünstige Methode zur Konditionierung von verdichtetem
Wasserstoff auf die geforderte Fülltemperatur von -33 bis -40 °C bei Drücken zwischen 20 und ca. 870 bar ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
das Medium ein- oder mehrstufig verdichtet wird, wobei die Temperatur des verdichteten Mediums nach der Verdichtung unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt,
ein Teilstrom des verdichteten Mediums auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt wird, und
der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums und der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur innerhalb des vorgegebenen
Temperaturintervalles liegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betanken eines Fahrzeuges, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass der anzuwärmende Teilstrom des verdichteten Mediums auf
Umgebungstemperatur angewärmt wird, die Anwärmung des anzuwärmenden Teilstromes des verdichteten Mediums mittels eines elektrischen Wärmetauschers, eines
Umgebungsluftwärmetauschers und/oder eines Wärmetauschers, der die Wärme aus der Antriebskühlung der für die Verdichtung verwendeten
Maschine(n) und/oder externe Wärmezufuhr nutzt, erfolgt, und/oder dem angewärmten Teilstrom des verdichteten Mediums aus einer externen Quelle ein identisches oder im Wesentlichen identisches Medium zugeführt wird, wobei der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums, der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums und der aus einer externen
Quelle stammende Mediumstrom in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur innerhalb des vorgegebenen
Temperaturintervalles liegt. Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr nach einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung des Mediums eine Aufteilung in zwei Medienströme. Während einer dieser Ströme einer Anwärmung, vorzugsweise bis auf Umgebungstemperatur unterworfen wird, erfährt der zweite Medienstrom keine Anwärmung. Die Verdichtung des Mediums erfolgt im Falle von Wasserstoff, der wie bereits erwähnt, vorzugsweise in flüssiger Form gespeichert wird, mittels der vorgenannten Flüssig- bzw. Kryopumpen. Nach erfolgter Anwärmung eines der beiden Medienströme werden sie mittels eines geeigneten Regelsystems auf die gewünschte Endtemperatur, die im Falle der derzeit realisierten Wasserstoff- Tankstellen zwischen -33 und -40 °C liegt, gemischt. Das Regelsystem kann bspw. aus zwei Regelventilen oder einem kombiniertem Regelventil bestehen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betanken eines Fahrzeuges liegt insbesondere darin, dass aufgrund des Vermischens des angewärmten und des nicht angewärmten Medienstromes keine aufwändigen Wärmetauschersysteme, die das verdichtete Medium auf eine exakte Endtemperatur anzuwärmen vermögen, erforderlich sind. Durch das Vermischen bzw. das dafür vorzusehende Regelsystem kann aus den beiden unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Medienströme die gewünschte Endtemperatur eingestellt werden. Somit ist jederzeit eine Anpassung an die aktuelle Wärmetauscherleistung und/oder die gewünschte Endtemperatur realisierbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges eignet sich insbesondere für Wasserstoff-Tankstellen, bei denen eine Flüssig-Wasserstoff- Speicherung realisiert und Flüssig-Wasserstoff-Pumpen bzw. Kaltgaskompressoren als Druckerhöhungsmittel zur Anwendung kommen, da deren Austrittstemperaturen weit unterhalb der üblicherweise vorgegebenen Temperaturintervalle liegen. So beträgt die Austrittstemperatur eines Kaltgaskompressors ca. -100 °C, während sie bei einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe ca. -210 °C beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt einen Speicherbehälter S für flüssigen Wasserstoff, der ein
Speichervolumen zwischen 10 und 200 m3 besitzt. Derartige Speicherbehälter für verflüssigten Wasserstoff sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Bei einer Verwendung in Wasserstoff-Tankstellen sind sie vorzugsweise unterirdisch und von den zu betankenden Fahrzeugen überfahrbar angeordnet. Über Leitung 1 aus dem Speicherbehälter S abgezogener flüssiger Wasserstoff wird mittels einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe P oder eines Kaltgaskompressors auf den gewünschten Druck verdichtet. Die in der Praxis zur Anwendung kommenden Flüssig- Wasserstoff-Pumpe P sind speziell auf die bei der Betankung von Fahrzeugen vorliegenden Anforderungen ausgerichtet. Sie bieten die Möglichkeit, flüssigen
Wasserstoff von ca. 1 bara auf bis zu 900 bar in einem zweistufigen Verdichtungsprozess zu komprimieren. Der verdichtete Wasserstoff weist eine
Temperatur auf, die deutlich unterhalb des für die Betankung von Wasserstoff- Fahrzeugen vorgegebenen Temperaturintervalles liegt; dieses reicht, wie erwähnt, von -33 bis -40 °C.
Der verdichtete Wasserstoff wird nunmehr erfindungsgemäß in zwei Teilströme 2 und 3 aufgeteilt. Während einer dieser Teilströme 3 keine Erwärmung durch ein externes Medium erfährt - nicht vollständig zu verhindern ist selbstverständlich ein Wärmeeinfall in die Medienleitung -, wird der andere Teilstrom 2 einer ein- oder mehrstufigen Anwärmung unterworfen, wobei die Temperatur nach erfolgter Erwärmung oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt. Bei der in der Figur 1 dargestellten Verfahrensführung wird der zweite Wasserstoff-Teilstrom 2 in einem
Umgebungsluftwärmetauscher E und einem ggf. vorzusehenden elektrischen
Wärmetauscher E' auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
Anschließend werden die beiden Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 vermischt und über Leitung 5 dem zu befüllenden Speicherbehälter zugeführt. Erfindungsgemäß werden die beiden Teilströme 3 und 4 in einem Verhältnis vermischt, dass die resultierende Temperatur des Wasserstoff-Stromes in der Leitung 5 innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt. Das hierfür erforderliche Regelsystem besteht aus zwei Regelventilen V1 und V2, die die Massenströme der beiden Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 regeln. Die Regelventile V1 und V2 werden von einer in der Figur 1 nicht dargestellten Steuereinheit, die u. a. die Temperatur des Wasserstoff-Stromes in der Leitung 5 erfasst, angesteuert.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass anstelle der beiden Regelventile V1 und V2 andere Regelvorrichtungen, wie bspw. ein kombiniertes Regelventil Anwendung finden können. Mittels der Regelventile V1 und V2 kann aus den beiden
unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Wasserstoff-Teilströme 3 und 4 die gewünschte Endtemperatur des Wasserstoff-Stromes 5 eingestellt werden. Somit ist jederzeit eine Anpassung an die aktuelle Wärmetauscherleistungen der
Wärmetauscher E und E' und/oder die gewünschte Endtemperatur realisierbar.
Eine Beeinflussung der Temperatur des Wasserstoff-Stromes 5 ist auch durch die Zuführung eines identischen oder im Wesentlichen identischen Mediums über Leitung 6, in der ebenfalls ein Regel- oder Absperrventil V3 angeordnet ist, möglich. Während bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zuführung eines Mediums 6, dessen Zusammensetzung nicht exakt derjenigen des verdichteten Mediums 2 entspricht, denkbar ist, wird im Falle einer Wasserstoff- Tankstelle üblicherweise ausschließlich eine Zuführung von Wasserstoff möglich sein. Dieser Wasserstoff-Strom 6 kann bspw. aus einem Druckspeicher bzw. Boil-off-Gas- Speicher oder einem ggf. vorzusehenden Booster-Speicher, der der Erhöhung des Förderstroms dient, stammen. Es sei nochmals betont, dass das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges nicht nur bei der Betankung von Fahrzeugen mit komprimiertem gasförmigem Wasserstoff zur Anwendung kommen kann, sondern im Prinzip bei allen vergleichbaren Medien.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betanken eines Fahrzeuges mit einem unter Druck stehenden, gasförmigen Medium, insbesondere mit unter Druck stehendem, gasförmigen Wasserstoff, wobei das Medium unmittelbar vor der Zuführung in den
Fahrzeugtank eine innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalles liegende Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Medium (1) ein- oder mehrstufig verdichtet wird (P), wobei die Temperatur des verdichteten Mediums (2, 3) nach der Verdichtung (P) unterhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt,
- ein Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf eine Temperatur, die oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt, angewärmt wird (E, E'), und
- der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der nicht
angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3) in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der anzuwärmende Teilstrom des verdichteten Mediums (2) auf Umgebungstemperatur angewärmt wird (E, E').
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwärmung (E, E') des anzuwärmenden Teilstromes des verdichteten Mediums (2) mittels eines elektrischen Wärmetauschers, eines Umgebungsluftwärmetauschers und/oder eines Wärmetauschers, der die Wärme aus der Antriebskühlung der für die Verdichtung (P) verwendeten Maschine(n) und/oder externe Wärmezufuhr nutzt, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass dem angewärmten Teilstrom des verdichteten Mediums (4) aus einer externen Quelle ein identisches oder im Wesentlichen identisches Medium (6) zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (3), der angewärmte Teilstrom des verdichteten Mediums (4) und der aus einer externen Quelle stammende
Mediumstrom (6) in einem Verhältnis vermischt werden, dass die resultierende Mediumtemperatur (5) innerhalb des vorgegebenen Temperaturintervalles liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Medium Wasserstoff ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrstufige
Verdichtung (P) des Wasserstoffs (1 ) mittels einer Flüssig-Wasserstoff-Pumpe oder eines Kaltgaskompressors erfolgt.
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