WO2024088563A1 - Speicherbehälter und verfahren - Google Patents

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WO2024088563A1
WO2024088563A1 PCT/EP2023/025448 EP2023025448W WO2024088563A1 WO 2024088563 A1 WO2024088563 A1 WO 2024088563A1 EP 2023025448 W EP2023025448 W EP 2023025448W WO 2024088563 A1 WO2024088563 A1 WO 2024088563A1
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WO
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latent heat
storage container
shield
phase change
change material
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PCT/EP2023/025448
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hofmeister
Heinz Posselt
Harald Zenz
Original Assignee
Linde Gmbh
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Publication date
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    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0134—Applications for fluid transport or storage placed above the ground

Definitions

  • the invention relates to a storage container for storing a cryogen and a method for operating such a storage container.
  • the applicant is aware of in-house double-walled storage containers for liquid hydrogen, which have an outer container and an inner container arranged within the outer container for holding the liquid hydrogen.
  • a gap provided between the inner container and the outer container is subjected to a vacuum.
  • the gap can be filled at least in sections with an insulating material.
  • the storage vessel For use of such a storage vessel in a maritime environment, it may be necessary for the storage vessel to have a holding time of 15 days at maximum filling based on the operating pressure in the event of an accident. This means that during this time a maximum permissible pressure within the inner vessel may not be exceeded and no hydrogen may escape from the storage vessel.
  • the storage tank can currently only be filled with liquid hydrogen to a certain extent due to the holding time requirement, depending on the heat input and the thermodynamic equilibrium temperature of the stored liquid hydrogen. Under the current typical conditions, sometimes only 70% to 80% of the geometric volume of the storage tank can be used for storing the liquid hydrogen. This needs to be improved.
  • an object of the present invention is to provide an improved storage container.
  • a storage container for storing a cryogen comprises an inner container for receiving the cryogen, a latent heat storage device for receiving a phase change material and a removal line for removing the cryogen from the inner container, wherein the The extraction line is operatively connected to the latent heat storage device in such a way that cryogen taken up in the extraction line is in heat exchange with the phase change material, and wherein the latent heat storage device can be fluidically connected to an environment of the storage container exclusively by means of a blow-off line.
  • the phase change enthalpy of the phase change material during a phase change from solid to liquid can be used, for example, to cool a shield surrounding the inner container or other components of the storage container. This can extend the holding time of the storage container for the cryogen. In particular, emergency cooling can be implemented. Furthermore, a higher filling level of the inner container with the cryogen can also be achieved.
  • the storage container is also particularly suitable for transporting the cryogen.
  • the storage container can therefore also be referred to as a transport container.
  • the storage container is preferably at least double-walled and, in addition to the inner container, comprises an outer container that encloses the inner container.
  • the storage container can therefore also be referred to as a double-walled storage container.
  • the storage container can be part of a vehicle, in particular a watercraft. In this case, the storage container is suitable for mobile applications. However, the storage container can also be used stationary, for example in building technology.
  • the extraction line leads from the storage tank to a consumer in the form of a fuel cell, for example.
  • the consumer can, for example, power an electric motor that drives a ship's propeller.
  • the liquid cryogen can be vaporized before the consumer, so that gaseous cryogen is supplied to the consumer at a suitable supply pressure and a suitable supply temperature.
  • the cryogen can be liquid hydrogen. Since the storage container is preferably suitable for holding liquid hydrogen, the storage container can also be referred to as a hydrogen storage container or a hydrogen storage tank.
  • the term "cryogen” can be used here against the term “hydrogen” and vice versa.
  • the cryogen can also be liquid helium, liquid neon or the like.
  • the cryogen is accommodated in the inner container. As long as the cryogen is in the two-phase region, a gas zone with vaporized cryogen and a liquid zone with liquid cryogen can be provided in the inner container. After being filled into the inner container, the cryogen therefore has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous. This means that there is a phase boundary between the liquid cryogen and the gaseous cryogen in the inner container. Only the liquid cryogen is removed from the inner container via the removal line. An end of the removal line located on or in the inner container is arranged in or on the lower part of the inner container in the direction of gravity. This end is preferably located in or on the lower third of the inner container, particularly preferably in or on the lower sixth of the inner container. This end of the removal line is particularly preferably up to 30 mm, more particularly preferably up to 20 mm, from the lowest point of the inner container in the direction of gravity.
  • the storage container is preferably constructed rotationally symmetrically to a symmetry or central axis. Accordingly, the inner container and the outer container can also be constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the storage container is preferably arranged such that the central axis runs perpendicular to a direction of gravity. This means that the storage container is arranged horizontally. However, the storage container can also be arranged vertically. In this case, the central axis is oriented parallel to the direction of gravity.
  • the inner container is preferably cylindrical.
  • the inner container has in particular a tubular or cylindrical base section, which can be constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the base section of the inner container is closed at each end with two outwardly curved lid sections.
  • the lid sections can also be designed differently.
  • the inner container can also be referred to as an inner tank.
  • the latent heat storage can also be referred to as a phase change storage or PCM storage (Engi.: Phase Change Material).
  • a "latent heat storage” is understood to mean a special type of heat storage device that stores a large part of the thermal energy added to it in the form of latent heat, for example for a phase change from solid to liquid.
  • phase change material which has a melting point that is above a storage and/or transport temperature of the cryogen contained in the inner container.
  • phase change material is preferably used as the phase change material. Therefore, the term “phase change material” can be replaced by the term “nitrogen " in this case. However, argon, for example, can also be used as the phase change material.
  • the phase change material can be part of the latent heat storage and thus also part of the storage container.
  • the phase change material can undergo a phase transition from solid to liquid and from liquid to gaseous and vice versa.
  • phase change material absorbs heat during the phase change from solid to liquid and releases heat during the phase change from liquid to solid.
  • the heat required for this can be extracted from a shield enclosing the inner container, which is thereby cooled. This shield can be part of the storage container.
  • the extraction line is connected to the latent heat storage device in a heat-conducting manner, so that the cryogen flowing through the extraction line can extract heat from the phase change material, whereby the phase change material undergoes a phase change from liquid to solid. If, for example, no more cryogen is extracted from the storage container for a short time, the phase change material undergoes a phase change from solid to liquid.
  • the phase change material absorbs heat, which can be used in particular to cool the inner container, for example with the help of the shield mentioned above.
  • the extraction line can, for example, be connected to the latent heat storage device on the outside. However, the extraction line can also be led directly through the latent heat storage device.
  • the extraction line is "actively connected" to the latent heat storage device is to be understood in particular in this case to mean that the extraction line can be in heat exchange with the latent heat storage device in any way, so that heat can be transferred from the latent heat storage device to the extraction line and vice versa.
  • the latent heat storage forms a closed system that is not connected to the environment.
  • "normal operation” means that the cryogen is removed from the storage tank and, if necessary, the removal of the cryogen is interrupted for a short time. If the removal of the cryogen is interrupted for a longer period of time, for example in the event of a malfunction of the storage tank, the latent heat storage can be fluidically connected to the environment using the blow-off line, whereby gaseous phase change material is released into the environment.
  • the fact that the latent heat storage device can be connected to the environment “exclusively” or “only” by means of the blow-off line means in this case that, apart from the blow-off line, no further fluidic connection between the latent heat storage device and the environment exists or can be established.
  • the latent heat storage device is not fluidically connected to the environment during normal operation of the latent heat storage device. Only in the event of a malfunction is the latent heat storage device fluidically connected to the environment using the blow-off line.
  • the fact that the latent heat storage device is "fluidically connected" to the environment means in particular that the gaseous phase change material from the latent heat storage device can be released to the environment via the blow-off line.
  • the blow-off line releases the gaseous phase change material to the environment when a maximum permissible pressure is exceeded in the latent heat storage device.
  • the extraction line is led through the latent heat storage device.
  • the latent heat storage device can, for example, have a cylindrical geometry.
  • the extraction line can be routed through the latent heat storage device several times.
  • the extraction line can, for example, be designed in a meandering shape.
  • the extraction line can also be designed in a screw or helical shape.
  • the extraction line can also be routed straight through the latent heat storage device.
  • the extraction line can also be connected to the outside of the latent heat storage device.
  • a heat exchanger is attached to the extraction line, which is arranged within the latent heat storage device.
  • the heat exchanger is preferably plate-shaped.
  • the heat exchanger can, for example, be soldered or welded to the blow-off line.
  • the heat exchanger is made in particular from a material that conducts heat well, such as aluminum or copper.
  • the heat exchanger can have several heat exchanger plates that are placed inside the latent heat storage device.
  • the latent heat storage device is filled at least in sections with a heat-conducting, fluid-permeable material structure.
  • a heat-conducting, fluid-permeable material structure can be a woven, knitted or warp-knitted fabric, which are preferably metallic.
  • the material structure can have metal threads or metal wires. Preferably, it is metal wool.
  • the material structure can also have smooth and/or structured metal plates and/or metal foils.
  • the material structure can be made of aluminum, an aluminum alloy, copper or a copper alloy.
  • the material structure can be connected to the heat exchanger.
  • the material structure is impregnated with the phase change material. This ensures particularly good contact between the phase change material and the material structure and thus also with the heat exchanger.
  • the material structure can contain copper, copper alloy, aluminum and/or Aluminum alloy wool or have it.
  • the good heat-conducting material structure ensures good heat transfer between the heat exchanger and the solid phase change material.
  • the blow-off line has a blow-off valve for blowing the phase change material into the environment.
  • the blow-off valve preferably opens at a predetermined pressure. For example, a maximum permissible pressure is specified for the latent heat storage. As soon as this maximum permissible pressure is reached when the phase change material evaporates, the blow-off valve opens and the gaseous phase change material is blown off into the environment.
  • the storage container further comprises a shield which encloses the inner container and the latent heat storage device, wherein the latent heat storage device is thermally conductively connected to the shield.
  • the latent heat storage device can be part of the shield or vice versa.
  • the shield is preferably made of a material that conducts heat well, such as aluminum or copper.
  • the shield has in particular a tubular base section that can be constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the front of the shield is closed with the aid of two cover sections.
  • the cover sections can be curved outwards with respect to the base section.
  • the inner container and the latent heat storage device are arranged within this shield.
  • the latent heat storage device can be thermally connected to the shield, for example with the aid of one or more heat conducting elements.
  • the phase change material can thus extract heat from the shield via the heat conducting element or elements, so that the shield is cooled.
  • the latent heat storage device is arranged between a lid portion of the inner container and a lid portion of the shield.
  • the inner container has two lid sections, in particular a first lid section and a second lid section.
  • the shield also has two cover sections, in particular a first cover section and a second cover section.
  • the latent heat storage device is particularly preferably arranged between the second cover section of the inner container and the second cover section of the shield, viewed along the central axis.
  • the blow-off line is connected to the shield in a thermally conductive manner.
  • the blow-off line is soldered or welded to the shield.
  • the blow-off line can be located inside the shield or outside the shield. "Inside” the shield here means facing the inner container. "Outside” the shield means facing away from the inner container.
  • the blow-off line runs in a helical manner around the shield on the inside or outside.
  • the storage container further comprises an outer container which encloses the shield.
  • the outer container has in particular a tubular base section, which can be constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the outer container is closed at the front with the aid of two cover sections, in particular with the aid of a first cover section and a second cover section.
  • the cover sections are preferably curved outwards with respect to the base section.
  • the outer container encloses the shield, which in turn encloses the inner container and the latent heat storage device.
  • the shield is thus arranged completely within the outer container.
  • the storage container further comprises a multi-layer insulation element which at least partially fills a gap provided between the inner container and the outer container.
  • the insulation element can also be referred to as an insulating element.
  • the insulation element serves to insulate the inner container.
  • the aforementioned shield is arranged in the gap.
  • the gap can be completely filled with the insulation element and the shield. Alternatively, the gap can also be only partially filled with the insulation element.
  • the insulation element preferably encloses both the base section and the lid sections of the inner container.
  • the insulation element preferably comprises a plurality of layers or plies.
  • the insulation element is a so-called multilayer insulation (MLI).
  • the insulation element comprises several alternately arranged layers or plies of perforated and/or embossed aluminum foil as a reflector and glass paper as a spacer between adjacent aluminum foils.
  • the glass paper can be perforated and/or perforated.
  • the shield is embedded in the insulation element.
  • a method for operating such a storage container for storing a cryogen comprises the following steps: a) removing liquid cryogen from the storage container, wherein during step a) a phase change material accommodated in a latent heat storage device of the storage container is subjected to a phase transition from liquid to solid by means of transferring heat from the phase change material to the liquid cryogen, or wherein the phase change material remains solid during step a), b) ending step a), wherein the phase change material is subjected to a phase transition from solid to liquid, and c) fluidic separation of the latent heat storage from an environment of the storage tank during steps a) and b).
  • step a) in particular, a portion of the liquid cryogen is removed from the storage container via the removal line.
  • step a) the phase change material stored in the latent heat storage device undergoes a phase transition from liquid to solid by transferring heat from the phase change material to the cryogen. If the phase change material is already solid, the phase change material remains solid during step a). In this case, too, heat continues to be extracted from the phase change material.
  • step b) step a) is terminated. This means that, at least for a short time, no more cryogen flows through the removal line. Step b) can be carried out until all of the phase change material has melted.
  • step b) can be carried out until a maximum permissible pressure as mentioned above is reached in the latent heat storage device.
  • the phase change material is thus subjected to a phase transition from solid to liquid or remains in its solid state.
  • Step c) is preferably carried out in parallel to steps a) and b). This means that during steps a) and b), the latent heat storage device is fluidically separated from the environment of the storage container according to step c). This means that the blow-off valve is always closed during steps a) to c).
  • the fluidic separation of the latent heat storage device from the environment is only removed when the phase change material is at least partially gaseous and the maximum permissible pressure in the latent heat storage device is exceeded. This can happen, for example, during a malfunction of the storage container in which no cryogen is removed from the inner container for a longer period of time.
  • the gaseous phase change material is then blown off into the environment via the blow-off line and the blow-off valve.
  • heat required for the phase transition is extracted from a shield enclosing an inner container of the storage container.
  • steps a) to c) are carried out during normal operation of the storage container, wherein a blow-off valve of the storage container is opened only in the event of a malfunction of the storage container, whereby gaseous phase change material is blown off into the environment.
  • the "normal operation" of the storage tank means that the liquid cryogen is removed from it. However, normal operation can also include a short-term interruption in the removal of the liquid cryogen.
  • the malfunction occurs when the phase change material undergoes the phase transition from liquid to gaseous and the pressure in the latent heat storage rises above the maximum permissible pressure. This means that only in the malfunction is the latent heat storage connected to the environment via the blow-off valve in order to blow off the gaseous phase change material.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a storage container
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a latent heat storage device for the storage container according to Fig. 1;
  • Fig. 3 shows the detailed view III according to Fig. 1;
  • Fig. 4 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for operating the storage container according to Fig. 1.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a storage container 1.
  • the storage container 1 can also be referred to as a storage tank.
  • the storage container 1 is suitable for holding a cryogen H2.
  • the cryogen H2 is hydrogen and is also referred to below as hydrogen.
  • the storage container 1 can also be used for other cryogenic liquids.
  • An example of a cryogenic fluid or a cryogenic liquid, or a cryogen for short, in addition to the previously mentioned hydrogen H2, is liquid helium He (boiling point 1 bara: 4.222 K -268.928 °C).
  • the storage container 1 can be a transport container.
  • liquid hydrogen H2 can be transported with the storage container 1.
  • the storage container The storage tank 1 can be part of a vehicle, in particular a watercraft. In this case, the storage tank 1 is suitable for mobile applications. However, the storage tank 1 can also be used stationary, for example in building technology.
  • the storage vessel 1 For the use of the storage vessel 1 in a maritime environment, it is necessary that the storage vessel 1 achieves a holding time of 15 days at maximum filling based on the operating pressure in the event of an accident. This means that during this time a maximum permissible pressure within the inner vessel 3 may not be exceeded and no hydrogen H2 may escape from the storage vessel 1.
  • the storage tank 1 can currently only be filled with liquid hydrogen H2 to a certain extent due to the holding time requirement, depending on the heat input and the thermodynamic equilibrium temperature of the stored liquid hydrogen H2. Under the current typical conditions, sometimes only 70% to 80% of a geometric container volume of the storage tank 1 can be used for the storage of the liquid hydrogen H2. This needs to be improved.
  • the storage container 1 is constructed rotationally symmetrically to a symmetry or central axis 2.
  • the central axis 2 is oriented perpendicular to a direction of gravity g.
  • the storage container 1 comprises a first container or inner container 3, which is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 2.
  • the inner container 3 comprises a tubular or cylindrical base section 4, which is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 2.
  • the base section 4 can have a circular or approximately circular geometry in cross section.
  • the base section 4 is closed on both sides at the front with the aid of a cover section 5, 6.
  • the cover sections 5, 6 are curved.
  • a first cover section 5 and a second cover section 6 are curved in opposite directions, so that the cover sections 5, 6 are curved outwards with respect to the base section 4.
  • the inner container 3 is fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the inner container 3 is made of stainless steel.
  • the liquid hydrogen H2 is contained in the inner container 3. As long as the hydrogen H2 is in the two-phase region, a gas zone 7 with vaporized hydrogen H2 and a liquid zone 8 with liquid hydrogen H2 can be provided in the inner container 3. After being filled into the inner container 3, the hydrogen H2 therefore has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous. This means that there is a phase boundary 9 in the inner container 3 between the liquid hydrogen H2 and the gaseous hydrogen H2.
  • the inner container 3 is arranged completely within a second container or outer container 10.
  • the storage container 1 is thus double-walled.
  • the outer container 10 is also constructed rotationally symmetrically to the central axis 2.
  • the outer container 10, like the inner container 3, comprises a tubular or cylindrical base section 11 which is constructed rotationally symmetrically to the central axis 2.
  • the base section 11 can have a circular or almost circular geometry in cross section.
  • the base section 11 is closed at the front by a cover section 12, 13.
  • a first cover section 12 and a second cover section 13 are provided.
  • the cover sections 12, 13 are curved in opposite directions, so that the cover sections 12, 13 are curved outwards with respect to the base section 11.
  • the outer container 10 is fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the outer container 10 is also made of stainless steel.
  • a gap 14 is provided that completely surrounds or envelops the inner container 3.
  • the gap 14 is subjected to a vacuum.
  • a vacuum is to be understood in particular as a pressure of less than 300 mbar, preferably less than 10 -3 mbar, more preferably less than 10 -7 mbar.
  • the storage container 1 is thus vacuum-insulated or vacuum-insulated.
  • the fact that the gap 14 completely "envelops” or “envelops" the inner container 3 means in the present case that the gap 14 runs completely around the base section 4 on the one hand and is also provided between the two cover sections 5, 12 and between the two cover sections 6, 13.
  • the shield 15 is thus placed in the gap 14.
  • the shield 15 is made of a material with good heat conduction, such as copper or aluminum.
  • the shield 15 is preferably fluid-permeable, in particular gas-permeable.
  • the shield 15 has a cylindrical base section 16 which is constructed rotationally symmetrically to the central axis 2. The base section 16 is closed at the front with the aid of a first cover section 17 and a second cover section 18.
  • a latent heat storage device 19 is placed inside the shield 15. In the orientation of Fig. 1, the latent heat storage device 19 is placed next to the inner container 3. In particular, the latent heat storage device 19 is arranged between the cover sections 6, 18.
  • the latent heat storage device 19 is filled at least in sections with a phase change material N2 (Engi.: Phase Change Material, PCM), as will be explained below.
  • the phase change material N2 is nitrogen in the present case.
  • the phase change material N2 can also be argon, for example.
  • phase change material N2 is nitrogen. Therefore, the phase change material N2 is referred to below as nitrogen.
  • the latent heat storage device 19 is connected to the shield 15, in particular to the base section 16 of the shield 15, via a heat conducting element 20 running around the central axis 2.
  • the heat conducting element 20 can be disk-shaped.
  • the heat exchanger 21 is thermally conductive with a discharge line
  • the heat exchanger 21 is connected to the extraction line 22 so that the extraction line 22 can transfer heat to the heat exchanger 21 or vice versa.
  • the heat exchanger 21 can be a metal plate welded or soldered to the extraction line 22, in particular an aluminum plate or a copper plate.
  • the heat exchanger 21 can also be constructed from several such metal plates.
  • a blow-off line 24 with a blow-off valve 25 leads out of the latent heat storage device 19.
  • the blow-off line 24 can be routed inside the shield 15.
  • the blow-off line 24 can be connected to the shield 15 in a thermally conductive manner.
  • the blow-off line 24 can run in a screw-shaped or helical manner around the central axis 2 and be attached to the inside or outside of the shield 15.
  • the blow-off valve 25 can release vaporized nitrogen N2 into the environment 23.
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a latent heat storage device 19 as mentioned above.
  • the latent heat storage device 19 functions as a thermal buffer of the storage container 1.
  • the latent heat storage device 19 encloses an interior space 26 in which the heat exchanger 21 is accommodated, which is in contact with solid nitrogen N2.
  • the latent heat storage device 19 can be completely or partially filled with the solid nitrogen N2.
  • the interior space 26 is at least partially or completely filled with a heat-conducting, fluid-permeable material structure, such as a knitted fabric 27 in this embodiment.
  • the knitted fabric 27 can be made of aluminum and/or copper threads. In particular, the knitted fabric 27 can be copper and/or aluminum wool.
  • the knitted fabric 27 is connected to the heat exchanger 21 in a heat-conducting manner.
  • the knitted fabric 27 is impregnated with nitrogen N2.
  • the knitted fabric 27, which conducts heat well, ensures good heat transfer between the heat exchanger 21 and the solid nitrogen N2.
  • Fig. 3 shows the detailed view III of the storage container 1 according to Fig. 1.
  • a thermal insulation element or insulation element 28 is provided in the gap 14, which completely envelops or surrounds the inner container 3. This means that the insulation element 28 encloses both the base section 4 and the lid sections 5, 6 of the inner container 3.
  • the insulation element 28 serves for thermal insulation.
  • the insulation element 28 is multi-layered. This means that the Insulation element 28 comprises a plurality of layers or plies.
  • Insulation element 28 can therefore also be referred to as a multi-layer insulation element or as a multi-layer thermal insulation element.
  • the insulation element 28 is a so-called multilayer insulation (MLI).
  • the insulation element 28 comprises several alternately arranged layers or plies of perforated and/or embossed aluminum foil 29 as a reflector and glass paper 30 as a spacer between adjacent aluminum foils 29.
  • the glass paper 30 can be perforated and/or perforated.
  • Fig. 3 only two layers of aluminum foil 29 and two layers of glass paper 30 are provided with a reference symbol.
  • the glass paper 30 acts as a spacer between two adjacent aluminum foils 29, whereby the insulation element 28 can be subjected to the vacuum prevailing in the gap 14.
  • the insulation element 28 rests on the outside of the inner container 3.
  • the insulation element 28 can partially or - as shown in Fig. 3 - completely fill the gap 14.
  • the shield 15 can be embedded in the insulation element 28. This means that layers of the aluminum foil 29 and the glass paper 30 can be provided inside and outside the shield 15. In particular, the shield 15 is embedded in outer layers of the insulation element 28. "Outside" is to be understood here as in the area of the outer container 10.
  • the functionality of the storage tank 1 is explained below.
  • the liquid hydrogen H2 is essentially constantly removed from the inner tank 3 via the extraction line 22.
  • the liquid hydrogen H2 is passed through the latent heat storage 19, it extracts heat Q from the nitrogen N2 via the heat exchanger 21 and the knitted fabric 27.
  • the nitrogen N2 is liquid, it undergoes a phase transition from liquid to solid. If the nitrogen N2 is already solid, it is kept in the solid state. This means that the nitrogen N2 stored in the latent heat storage 19 during normal operation of the storage tank 1 is solid.
  • the latent heat storage device 19 is at least partially thermally separated from the inner container 3.
  • the solid nitrogen N2 melts with a moderate increase in pressure in the latent heat storage 19. When the solid nitrogen N2 melts, it removes heat Q from the shield 15 via the heat conducting element 20. Because the latent heat storage 19 is connected to the shield 15 via the heat conducting element 20, the shield 15 is cooled down.
  • the solid nitrogen N2 melts, begins to boil and finally evaporates.
  • the gaseous nitrogen N2 can then be blown off into the environment 23 via the blow-off line 24 and the blow-off valve 25.
  • the blow-off line 24 can, as previously mentioned, run in a spiral shape around the shield 15, with the cold and gaseous nitrogen N2 continuing to extract heat Q from the shield 15.
  • phase transition of the nitrogen N2 from solid to liquid and vice versa prevents a loss of nitrogen N2 via the blow-off line 24 and the blow-off valve 25 and/or the maximum permissible pressure within the latent heat storage device 19 from having to be set too high.
  • the heat input into the inner container 3 is significantly reduced during an incident by the shield 15 cooled with the help of the nitrogen N2. This increases the holding time of the hydrogen H2.
  • the latent heat storage 19 together with the heat exchanger 21 thus forms a closed system in normal operation of the storage tank 1, in which a phase transition from solid to liquid takes place alternately. Only in the event of a fault, This means that if no liquid hydrogen H2 is extracted for a longer period of time, the nitrogen N2 evaporates and is released into the environment 23.
  • the filling level of the storage tank 1 with liquid hydrogen H2 can be significantly increased compared to a storage tank without such a latent heat storage device 19, so that a larger mass of hydrogen H2 can be stored with the same footprint for the storage tank 1.
  • the compact design of the storage tank 1 achieved in this way can be particularly advantageous for use on ships where a system for liquid hydrogen H2 is retrofitted.
  • the latent heat storage device 19 enables in particular emergency cooling of the shield 15 and thus also of the storage tank 1.
  • Fig. 4 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for operating the storage container 1.
  • step S1 part of the liquid hydrogen H2 is removed from the storage container 1 via the removal line 22.
  • step S1 the nitrogen N2 stored in the latent heat storage device 19 undergoes a phase transition from liquid to solid by transferring heat Q from the nitrogen N2 to the hydrogen H2. In the event that the nitrogen N2 is already solid, the nitrogen N2 remains solid during step S1.
  • step S1 is ended. This means that no more hydrogen H2 flows through the extraction line 22. Step S2 can be carried out until all of the nitrogen N2 has melted. During step S2, the nitrogen N2 is thus subjected to a phase transition from solid to liquid.
  • step S3 which is preferably carried out in parallel to steps S1, S2, the latent heat storage device 19 is fluidically separated from the environment 23 of the storage container 1.
  • the fluidic separation of the latent heat storage device 19 from the environment 23 is only removed when the nitrogen N2 is at least partially gaseous and too high a pressure builds up in the latent heat storage device 19. This can occur during a malfunction.
  • the gaseous nitrogen N2 is then blown off into the environment 23 via the blow-off line 24 and the blow-off valve 25 when the maximum permissible pressure within the latent heat storage device 19 is reached.
  • step S2 the heat Q required for the phase transition of the nitrogen N2 from solid to liquid is extracted from the shield 15 enclosing the inner container 3 of the storage container 1. The shield 15 is thereby cooled.
  • steps S1 to S3 are only carried out during normal operation of the storage tank 1, with the blow-off valve 25 of the storage tank 1 only being opened in the event of a malfunction of the storage tank, whereby gaseous nitrogen N2 is blown off into the environment 23.

Abstract

Ein Speicherbehälter (1) zum Speichern eines Kryogens (H2), mit einem Innenbehälter (3) zum Aufnehmen des Kryogens (H2), einem Latentwärmespeicher (19) zum Aufnehmen eines Phasenwechselmaterials (N2), und einer Entnahmeleitung (22) zum Entnehmen des Kryogens (H2) aus dem Innenbehälter (3), wobei die Entnahmeleitung (22) derart mit dem Latentwärmespeicher (19) wirkverbunden ist, dass in der Entnahmeleitung (22) aufgenommenes Kryogen (H2) in einem Wärmeaustausch mit dem Phasenwechselmaterial (N2) steht, und wobei der Latentwärmespeicher (19) ausschließlich mit Hilfe einer Abblasleitung (24) mit einer Umgebung (23) des Speicherbehälters (1) fluidisch verbindbar ist.

Description

Beschreibung
Speicherbehälter und Verfahren
Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter zum Speichern eines Kryogens und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Speicherbehälters.
Der Anmelderin sind betriebsintern doppelwandige Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff bekannt, welche einen Außenbehälter und einen innerhalb des Außenbehälters angeordneten Innenbehälter zum Aufnehmen des flüssigen Wasserstoffs aufweisen. Ein zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter vorgesehener Spalt ist mit einem Vakuum beaufschlagt. Der Spalt kann zumindest abschnittsweise mit einem Isoliermaterial gefüllt sein.
Für einen Einsatz eines derartigen Speicherbehälters in maritimer Umgebung kann es erforderlich sein, dass der Speicherbehälter bei maximaler Füllung ausgehend vom Betriebsdruck bei einem Störfall 15 Tage Haltezeit erreicht. Das heißt, dass während dieser Zeit ein maximal zulässiger Druck innerhalb des Innenbehälters nicht überschritten werden darf und kein Wasserstoff aus dem Speicherbehälter entweichen darf.
Der Speicherbehälter kann derzeit abhängig vom Wärmeeinfall und der thermodynamischen Gleichgewichtstemperatur des lagernden flüssigen Wasserstoffs wegen der Haltezeitforderung nur zu einem gewissen Teil mit flüssigem Wasserstoff befüllt werden. Bei den derzeit typischen Bedingungen können zuweilen nur 70% bis 80% eines geometrischen Behältervolumens des Speicherbehälters für die Lagerung des flüssigen Wasserstoffs genutzt werden. Dies gilt es zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Speicherbehälter zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Speicherbehälter zum Speichern eines Kryogens vorgeschlagen. Der Speicherbehälter umfasst einen Innenbehälter zum Aufnehmen des Kryogens, einen Latentwärmespeicher zum Aufnehmen eines Phasenwechselmaterials und eine Entnahmeleitung zum Entnehmen des Kryogens aus dem Innenbehälter, wobei die Entnahmeleitung derart mit dem Latentwärmespeicher wirkverbunden ist, dass in der Entnahmeleitung aufgenommenes Kryogen in einem Wärmeaustausch mit dem Phasenwechselmaterial steht, und wobei der Latentwärmespeicher ausschließlich mit Hilfe einer Abblasleitung mit einer Umgebung des Speicherbehälters fluidisch verbindbar ist.
Dadurch, dass der Latentwärmespeicher vorgesehen ist, kann die Phasenänderungs- enthalpie des Phasenwechselmaterials bei einem Phasenwechsel von fest zu flüssig beispielsweise dazu genutzt werden, einen den Innenbehälter umschließenden Schild oder andere Komponenten des Speicherbehälters zu kühlen. Hierdurch kann die Haltezeit des Speicherbehälters für das Kryogen verlängert werden. Insbesondere kann eine Notfallkühlung verwirklicht werden. Ferner kann auch ein höherer Füllgrad des Innenbehälters mit dem Kryogen erzielt werden.
Der Speicherbehälter ist insbesondere auch zum Transport des Kryogens geeignet. Daher kann der Speicherbehälter auch als Transportbehälter bezeichnet werden. Der Speicherbehälter ist bevorzugt zumindest doppelwandig und umfasst neben dem Innenbehälter einen den Innenbehälter umschließenden Außenbehälter. Der Speicherbehälter kann daher auch als doppelwandiger Speicherbehälter bezeichnet werden. Der Speicherbehälter kann Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, sein. In diesem Fall ist der Speicherbehälter für mobile Anwendungen geeignet. Der Speicherbehälter kann jedoch auch stationär, beispielsweise in der Gebäudetechnik, eingesetzt werden.
Die Entnahmeleitung führt von dem Speicherbehälter beispielsweise zu einem Verbraucher in Form einer Brennstoffzelle. Der Verbraucher kann beispielsweise einen Elektromotor bestromen, der beispielsweise eine Schiffsschraube antreibt. Vor dem Verbraucher kann das flüssige Kryogen verdampft werden, so dass dem Verbraucher gasförmiges Kryogen mit einem geeigneten Versorgungsdruck und einer geeigneten Versorgungstemperatur zugeführt wird.
Das Kryogen kann flüssiger Wasserstoff sein. Da der Speicherbehälter bevorzugt zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff geeignet ist, kann der Speicherbehälter auch als Wasserstoff-Speicherbehälter oder als Wasserstoff-Speichertank bezeichnet werden. Der Begriff "Kryogen" kann vorliegend gegen den Begriff "Wasserstoff" und umgekehrt getauscht werden. Das Kryogen kann jedoch auch flüssiges Helium, flüssiges Neon oder dergleichen sein.
In dem Innenbehälter ist das Kryogen aufgenommen. In dem Innenbehälter können, solange sich das Kryogen im Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone mit verdampftem Kryogen und eine Flüssigkeitszone mit flüssigem Kryogen vorgesehen sein. Das Kryogen weist also nach dem Einfüllen in den Innenbehälter zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Innenbehälter befindet sich eine Phasengrenze zwischen dem flüssigen Kryogen und dem gasförmigen Kryogen. Über die Entnahmeleitung wird dem Innenbehälter nur das flüssige Kryogen entnommen. Ein an oder im Innenbehälter befindliches Ende der Entnahmeleitung ist im oder am in Schwerkraftrichtung unteren Teil des Innenbehälters angeordnet. Vorzugsweise befindet sich dieses Ende im oder am unteren Drittel des Innenbehälters, besonders bevorzugt im oder am unteren Sechstel des Innenbehälters. Besonders bevorzugt ist dieses Ende der Entnahmeleitung bis zu 30 mm, weiter besonders bevorzugt bis zu 20mm, vom in Schwerkraftrichtung tieftsten Punkt des Innenbehälters beabstandet.
Der Speicherbehälter ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu einer Symmetrie- oder Mittelachse aufgebaut. Demgemäß können auch der Innenbehälter und der Außenbehälter rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut sein. Der Speicherbehälter ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Mittelachse senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung verläuft. Das heißt, der Speicherbehälter ist horizontal angeordnet. Der Speicherbehälter kann jedoch auch vertikal angeordnet sein. In diesem Fall ist die Mittelachse parallel zu der Schwerkraftrichtung orientiert.
Der Innenbehälter ist vorzugsweise zylinderförmig. Der Innenbehälter weist insbesondere einen rohrförmigen oder zylinderförmigen Basisabschnitt auf, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut sein kann. Der Basisabschnitt des Innenbehälters ist endseitig mit jeweils zwei nach außen gewölbten Deckelabschnitten verschlossen. Dies ist jedoch nicht zwingend so vorgesehen. Die Deckelabschnitte können auch anders ausgeführt sein. Der Innenbehälter kann auch als Innentank bezeichnet werden. Der Latentwärmespeicher kann auch als Phasenwechselspeicher oder PCM-Speicher (Engi.: Phase Change Material) bezeichnet werden. Unter einem "Latentwärmespeicher" ist vorliegend insbesondere ein spezieller Typ eines Wärmespeichers zu verstehen, der einen Großteil der ihm zugefügten thermischen Energie in Form von latenter Wärme, beispielsweise für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig, speichert.
Insbesondere wird ein Phasenwechselmaterial eingesetzt, welches einen Schmelzpunkt aufweist, der über einer Lager- und/oder Transporttemperatur des in dem Innenbehälter aufgenommenen Kryogens liegt.
Als Phasenwechselmaterial wird vorzugsweise Stickstoff eingesetzt. Daher kann der Begriff "Phasenwechselmaterial" vorliegend durch den Begriff "Stickstoff1 ersetzt werden. Als Phasenwechselmaterial kann jedoch auch beispielsweise Argon eingesetzt werden.
Das Phasenwechselmaterial kann Teil des Latentwärmespeichers und damit auch Teil des Speicherbehälters sein. Das Phasenwechselmaterial kann einen Phasenübergang von fest zu flüssig sowie von flüssig zu gasförmig und umgekehrt vollziehen.
Vorzugsweise ist in einem Normalbetrieb des Speicherbehälters, in welchem dem Speicherbehälter das Kryogen entnommen wird, ausschließlich ein Phasenwechsel zwischen fest und flüssig beziehungsweise zwischen flüssig und fest vorgesehen. Das Phasenwechselmaterial nimmt bei dem Phasenwechsel von fest zu flüssig Wärme auf und gibt bei dem Phasenwechsel von flüssig zu fest Wärme ab. Bei dem Phasenwechsel von flüssig zu fest kann die hierzu erforderliche Wärme einem den Innenbehälter umschließenden Schild entzogen werden, der dadurch gekühlt wird. Dieser Schild kann Teil des Speicherbehälters sein.
Die Entnahmeleitung ist insbesondere wärmeleitend mit dem Latentwärmespeicher verbunden, so dass das durch die Entnahmeleitung strömende Kryogen dem Phasenwechselmaterial Wärme entziehen kann, wodurch das Phasenwechselmaterial einem Phasenwechsel von flüssig zu fest unterzogen wird. Wird beispielsweise für eine kurze Zeit kein Kryogen mehr aus dem Speicherbehälter entnommen, so vollzieht das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von fest zu flüssig. Hierbei nimmt das Phasenwechselmaterial Wärme auf, die insbesondere zum Kühlen des Innenbehälters, beispielsweise mit Hilfe des zuvor erwähnten Schilds, genutzt werden kann. Die Entnahmeleitung kann beispielsweise außenseitig mit dem Latentwärmespeicher verbunden sein. Die Entnahmeleitung kann jedoch auch direkt durch den Latentwärmespeicher hindurchgeführt werden. Darunter, dass die Entnahmeleitung mit dem Latentwärmespeicher "wirkverbunden" ist, ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass die Entnahmeleitung in beliebiger Art und Weise in Wärmeaustausch mit dem Latentwärmespeicher stehen kann, so dass Wärme von dem Latentwärmespeicher auf die Entnahmeleitung und umgekehrt übertragen werden kann.
Der Latentwärmespeicher bildet in dem vorgenannten Normalbetrieb des Speicherbehälters ein geschlossenes System, das nicht mit der Umgebung verbunden ist. Unter dem "Normalbetrieb" ist vorliegend zu verstehen, dass dem Speicherbehälter das Kryogen entnommen wird und gegebenenfalls die Entnahme des Kryogens kurzfristig unterbrochen wird. Wird die Entnahme des Kryogens für einen längeren Zeitraum unterbrochen, beispielsweise bei einem Störfall des Speicherbehälters, kann der Latentwärmespeicher mit Hilfe der Abblasleitung mit der Umgebung fluidisch verbunden werden, wobei gasförmiges Phasenwechselmaterial an die Umgebung abgegeben wird.
Dass der Latentwärmespeicher "ausschließlich" oder "nur" mit Hilfe der Abblasleitung mit der Umgebung verbindbar ist, bedeutet vorliegend, dass außer der Abblasleitung keine weitere fluidische Verbindung zwischen dem Latentwärmespeicher und der Umgebung besteht oder hergestellt werden kann.
Ein fluidisches Verbinden des Latentwärmespeichers mit der Umgebung findet jedoch nicht im Normalbetrieb des Latentwärmespeichers statt. Nur im Falle eines Störfalls wird der Latentwärmespeicher mit Hilfe der Abblasleitung mit der Umgebung fluidisch verbunden. Darunter, dass der Latentwärmespeicher mit der Umgebung "fluidisch verbunden" wird, ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass das gasförmige Phasenwechselmaterial aus dem Latentwärmespeicher über die Abblasleitung an die Umgebung abgegeben werden kann. Beispielsweise gibt die Abblasleitung das gasförmige Phasenwechselmaterial dann an die Umgebung ab, wenn in dem Latentwärmespeicher ein maximal zulässiger Druck überschritten wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Entnahmeleitung durch den Latentwärmespeicher hindurchgeführt.
Der Latentwärmespeicher kann beispielsweise eine zylinderförmige Geometrie aufweisen. Die Entnahmeleitung kann mehrfach durch den Latentwärmespeicher hindurchgeführt werden. Hierzu kann die Entnahmeleitung beispielsweise mäanderförmig aufgebaut sein. Die Entnahmeleitung kann jedoch auch schraubenförmig oder helixförmig ausgebildet sein. Die Entnahmeleitung kann jedoch auch gerade durch den Latentwärmespeicher hindurchgeführt sein. Alternativ kann die Entnahmeleitung auch außenseitig mit dem Latentwärmespeicher verbunden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an der Entnahmeleitung ein Wärmetauscher angebracht, der innerhalb des Latentwärmespeichers angeordnet ist.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise plattenförmig. Der Wärmetauscher kann beispielsweise mit der Abblasleitung verlötet oder verschweißt sein. Der Wärmetauscher ist insbesondere aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt. Der Wärmetauscher kann mehrere Wärmetauscherplatten aufweisen, die innerhalb des Latentwärmespeichers platziert sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Latentwärmespeicher zumindest abschnittsweise mit einer wärmeleitenden, fluiddurchlässigen Materialstruktur gefüllt. Dies kann ein Gewebe, Gestrick oder Gewirke sein, die vorzugsweise metallisch sind. Die Mate rial Struktur kann Metallfäden oder Metalldrähte aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um Metallwolle. Alternativ kann die Materialstruktur auch glatte und/oder strukturierte Metallplatten und/oder Metallfolien aufweisen. Die Materialstruktur kann aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung gefertigt sein.
Insbesondere kann die Materialstruktur mit dem Wärmetauscher verbunden sein. Die Materialstruktur ist mit dem Phasenwechselmaterial getränkt. Hierdurch ist ein besonders guter Kontakt des Phasenwechselmaterials mit der Materialstruktur und damit auch mit dem Wärmetauscher verwirklicht. Vorzugsweise kann die Materialstruktur Kupfer-, Kupferlegierungs-, Aluminium und/oder Aluminiumlegierungswolle sein oder aufweisen. Die gut wärmeleitende Mate rial Struktur stellt einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscher und dem festen Phasenwechselmaterial sicher.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abblasleitung ein Abblasventil zum Abblasen des Phasenwechselmaterials in die Umgebung auf.
Das Abblasventil öffnet sich vorzugsweise bei einem vorgegebenen Druck. Beispielsweise ist für den Latentwärmespeicher ein maximal zulässiger Druck vorgegeben. Sobald dieser maximal zulässige Druck bei einem Verdampfen des Phasenwechselmaterials erreicht wird, öffnet sich das Abblasventil und das gasförmige Phasenwechselmaterial wird in die Umgebung abgeblasen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Speicherbehälter ferner einen Schild auf, der den Innenbehälter und den Latentwärmespeicher umschließt, wobei der Latentwärmespeicher thermisch leitend mit dem Schild verbunden ist.
Der Latentwärmespeicher kann Teil des Schilds oder umgekehrt sein. Der Schild ist vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt. Der Schild weist insbesondere einen rohrförmigen Basisabschnitt auf, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut sein kann. Stirnseitig ist der Schild mit Hilfe zweier Deckelabschnitte verschlossen. Die Deckelabschnitte können bezüglich des Basisabschnitts nach außen gewölbt sein. Der Innenbehälter und der Latentwärmespeicher sind innerhalb dieses Schilds angeordnet. Der Latentwärmespeicher kann beispielsweise mit Hilfe eines Wärmeleitelements oder mehrerer Wärmeleitelemente thermisch leitend mit dem Schild verbunden sein. Das Phasenwechselmaterial kann somit dem Schild über das Wärmeleitelement oder über die Wärmeleitelemente Wärme entziehen, so dass der Schild gekühlt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Latentwärmespeicher zwischen einem Deckelabschnitt des Innenbehälters und einem Deckelabschnitt des Schilds angeordnet.
Wie zuvor erwähnt, weist der Innenbehälter zwei Deckelabschnitte, insbesondere einen ersten Deckelabschnitt und einen zweiten Deckelabschnitt, auf. Entsprechend weist auch der Schild zwei Deckelabschnitte, insbesondere einen ersten Deckelabschnitt und einen zweiten Deckelabschnitt, auf. Der Latentwärmespeicher ist entlang der Mittelachse betrachtet besonders bevorzugt zwischen dem zweiten Deckelabschnitt des Innenbehälters und dem zweiten Deckelabschnitt des Schilds angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Abblasleitung thermisch leitend mit dem Schild verbunden.
Hierdurch wird ein Wärmeübergang zwischen der Abblasleitung und dem Schild verbessert. Das kalte gasförmige Phasenwechselmaterial kann dem Schild Wärme entziehen, wodurch dieser zusätzlich gekühlt wird. Beispielsweise ist die Abblasleitung mit dem Schild verlötet oder verschweißt. Die Abblasleitung kann dabei innerhalb des Schilds oder außerhalb des Schilds angeordnet sein. "Innerhalb" des Schilds bedeutet vorliegend dem Innenbehälter zugewandt. "Außerhalb" des Schilds bedeutet dabei, dem Innenbehälter abgewandt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform läuft die Abblasleitung innenseitig oder außenseitig schraubenförmig um den Schild um.
Hierdurch wird die Abblasleitung verlängert, wodurch der Wärmeübergang von dem abgeblasenen gasförmigen Phasenwechselmaterial auf den Schild verbessert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Speicherbehälter ferner einen Außenbehälter auf, der den Schild umschließt.
Der Außenbehälter weist insbesondere einen rohrförmigen Basisabschnitt auf, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut sein kann. Stirnseitig ist der Außenbehälter mit Hilfe zweier Deckelabschnitte, insbesondere mit Hilfe eines ersten Deckelabschnitts und eines zweiten Deckelabschnitts, verschlossen. Die Deckelabschnitte sind bezüglich des Basisabschnitts bevorzugt nach außen gewölbt. Der Außenbehälter umschließt den Schild, welcher wiederum den Innenbehälter und den Latentwärmespeicher umschließt. Der Schild ist somit vollständig innerhalb des Außenbehälters angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Speicherbehälter ferner ein mehrlagiges Isolationselement auf, das einen zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter vorgesehenen Spalt zumindest abschnittsweise ausfüllt.
Das Isolationselement kann auch als Dämmelement bezeichnet werden. Das Isolationselement dient der Wärmedämmung des Innenbehälters. In dem Spalt ist insbesondere der zuvor erwähnte Schild angeordnet. Der Spalt kann vollständig mit dem Isolationselement und dem Schild gefüllt sein. Alternativ kann der Spalt auch nur teilweise mit dem Isolationselement gefüllt sein. Das Isolationselement umschließt vorzugsweise sowohl den Basisabschnitt als auch die Deckelabschnitte des Innenbehälters. Das Isolationselement umfasst bevorzugt eine Vielzahl an Lagen oder Schichten. Insbesondere ist das Isolationselement eine sogenannte Multilayer Insulation (MLI). Das Isolationselement umfasst mehrere abwechselnd angeordnete Schichten oder Lagen aus perforierter und/oder geprägter Aluminiumfolie als Reflektor und Glaspapier als Abstandshalter zwischen benachbarten Aluminiumfolien. Das Glaspapier kann perforiert und/oder gelocht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Schild in das Isolationselement eingebettet.
Das heißt insbesondere, dass innerhalb und außerhalb des Schilds Lagen der Aluminiumfolie und des Glaspapiers vorgesehen sein können. Insbesondere ist der Schild in äußere Lagen des Isolationselements eingebettet. "Außen" ist hier als im Bereich oder in Richtung des Außenbehälters zu verstehen.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Speicherbehälters zum Speichern eines Kryogens vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Entnehmen von flüssigem Kryogen aus dem Speicherbehälter, wobei während des Schritts a) ein in einem Latentwärmespeicher des Speicherbehälters aufgenommenes Phasenwechselmaterial mit Hilfe eines Übertragens von Wärme von dem Phasenwechselmaterial auf das flüssige Kryogen einem Phasenübergang von flüssig zu fest unterzogen wird, oder wobei das Phasenwechselmaterial während des Schritts a) fest bleibt, b) Beenden des Schritts a), wobei das Phasenwechselmaterial einem Phasenübergang von fest zu flüssig unterzogen wird, und c) fluidisches Trennen des Latentwärmespeichers von einer Umgebung des Speicherbehälters während der Schritte a) und b).
In dem Schritt a) wird insbesondere ein Teil des flüssigen Kryogens über die Entnahmeleitung aus dem Speicherbehälter entnommen. Dabei wird während des Schritts a) das in dem Latentwärmespeicher aufgenommene Phasenwechselmaterial mit Hilfe des Übertragens von Wärme von dem Phasenwechselmaterial auf das Kryogen einem Phasenübergang von flüssig zu fest unterzogen. Für den Fall, dass das Phasenwechselmaterial bereits fest ist, bleibt das Phasenwechselmaterial während des Schritts a) fest. Auch in diesem Fall wird dem Phasenwechselmaterial weiter Wärme entzogen. Bei dem Schritt b) wird der Schritt a) beendet. Das heißt, dass zumindest für eine kurze Zeit kein Kryogen mehr durch die Entnahmeleitung strömt. Der Schritt b) kann so lange durchgeführt werden, bis das gesamte Phasenwechselmaterial geschmolzen ist. Insbesondere kann der Schritt b) so lange durchgeführt werden, bis in dem Latentwärmespeicher ein wie zuvor erwähnter maximal zulässiger Druck erreicht wird. Während des Schritts b) wird das Phasenwechselmaterial somit einem Phasenübergang von fest zu flüssig unterzogen oder verbleibt in seinem festen Aggregatszustand. Der Schritt c) wird bevorzugt parallel zu den Schritten a) und b) durchgeführt. Das heißt, während der Schritte a) und b) ist der Latentwärmespeicher gemäß dem Schritt c) von der Umgebung des Speicherbehälters fluidisch abgetrennt. Das heißt, das Abblasventil ist während der Schritte a) bis c) stets geschlossen. Die fluidische Trennung des Latentwärmespeichers von der Umgebung wird erst dann aufgehoben, wenn das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise gasförmig ist und in dem Latentwärmespeicher der maximal zulässige Druck überschritten wird. Dies kann beispielsweise während eines Störfalls des Speicherbehälters vorkommen, in dem über längere Zeit kein Kryogen mehr aus dem Innenbehälter entnommen wird. Das gasförmige Phasenwechselmaterial wird dann über die Abblasleitung und das Abblasventil in die Umgebung abgeblasen.
Gemäß einer Ausführungsform wird während des Schritts b) für den Phasenübergang erforderliche Wärme einem einen Innenbehälter des Speicherbehälters umschließenden Schild entzogen.
Insbesondere wird während des Schritts b) die für den Phasenübergang von fest zu flüssig erforderliche Wärme dem Schild entzogen. Hierdurch wird der Schild gekühlt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Schritte a) bis c) in einem Normalbetrieb des Speicherbehälters durchgeführt, wobei ausschließlich bei einem Störfall des Speicherbehälters ein Abblasventil des Speicherbehälters geöffnet wird, wodurch gasförmiges Phasenwechselmaterial in die Umgebung abgeblasen wird.
Unter dem "Normalbetrieb" des Speicherbehälters ist zu verstehen, dass diesem das flüssige Kryogen entnommen wird. Der Normalbetrieb kann jedoch auch ein kurzfristiges Unterbrechen des Entnehmens des flüssigen Kryogens aufweisen. Der Störfall tritt dann ein, wenn das Phasenwechselmaterial dem Phasenübergang von flüssig zu gasförmig unterzogen wird und der Druck in dem Latentwärmespeicher über den maximal zulässigen Druck ansteigt. Das heißt, dass nur in dem Störfall der Latentwärmespeicher über das Abblasventil mit der Umgebung verbunden wird, um das gasförmige Phasenwechselmaterial abzublasen.
"Ein" ist vorliegend nicht zwangsweise als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine genaue Beschränkung auf genau die entsprechende Anzahl von Elementen verwirklicht sein muss. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich.
Die für den Speicherbehälter beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend und umgekehrt.
Weitere mögliche Implementierungen des Speicherbehälters und/oder des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Speicherbehälters und/oder des Verfahrens hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Speicherbehälters und/oder des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Speicherbehälters und/oder des Verfahrens. Im Weiteren werden der Speicherbehälter und/oder das Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Speicherbehälters;
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Latentwärmespeichers für den Speicherbehälter gemäß Fig. 1;
Fig. 3 zeigt die Detailansicht III gemäß Fig. 1; und
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben des Speicherbehälters gemäß Fig. 1.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Speicherbehälters 1.
Der Speicherbehälter 1 kann auch als Speichertank bezeichnet werden. Der Speicherbehälter 1 ist zur Aufnahme eines Kryogens H2 geeignet. Vorliegend ist das Kryogen H2 Wasserstoff und wird nachfolgend auch als Wasserstoff bezeichnet. Der Speicherbehälter 1 ist bevorzugt zur Aufnahme von flüssigem Wasserstoff H2 (Siedepunkt: 1 bara: 20,268 K = -252,882 °C) geeignet. Daher kann der Speicherbehälter 1 auch als Wasserstoff-Speicherbehälter oder als Wasserstoff- Speichertank bezeichnet werden.
Der Speicherbehälter 1 kann jedoch auch für andere kryogene Flüssigkeiten eingesetzt werden. Ein Beispiel für ein kryogenes Fluid oder eine kryogene Flüssigkeit, oder kurz ein Kryogen, ist neben dem zuvor erwähnten Wasserstoff H2 flüssiges Helium He (Siedepunkt 1 bara: 4,222 K = -268,928 °C).
Der Speicherbehälter 1 kann ein Transportbehälter sein. Beispielsweise kann mit dem Speicherbehälter 1 flüssiger Wasserstoff H2 transportiert werden. Der Speicherbe- hälter 1 kann Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, sein. In diesem Fall ist der Speicherbehälter 1 für mobile Anwendungen geeignet. Der Speicherbehälter 1 kann jedoch auch stationär, beispielsweise in der Gebäudetechnik, eingesetzt werden.
Für einen Einsatz des Speicherbehälters 1 in maritimer Umgebung ist es erforderlich, dass der Speicherbehälter 1 bei maximaler Füllung ausgehend vom Betriebsdruck bei einem Störfall 15 Tage Haltezeit erreicht. Das heißt, dass während dieser Zeit ein maximal zulässiger Druck innerhalb des Innenbehälters 3 nicht überschritten werden darf und kein Wasserstoff H2 aus dem Speicherbehälter 1 entweichen darf.
Der Speicherbehälter 1 kann derzeit abhängig vom Wärmeeinfall und der thermodynamischen Gleichgewichtstemperatur des lagernden flüssigen Wasserstoffs H2 wegen der Haltezeitforderung nur zu einem gewissen Teil mit flüssigem Wasserstoff H2 befüllt werden. Bei den derzeit typischen Bedingungen können zuweilen nur 70% bis 80% eines geometrischen Behältervolumens des Speicherbehälters 1 für die Lagerung des flüssigen Wasserstoffs H2 genutzt werden. Dies gilt es zu verbessern.
Der Speicherbehälter 1 ist rotationssymmetrisch zu einer Symmetrie- oder Mittelachse 2 aufgebaut. Die Mittelachse 2 ist senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung g orientiert. Der Speicherbehälter 1 umfasst einen ersten Behälter oder Innenbehälter 3, der ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 2 aufgebaut ist. Der Innenbehälter 3 umfasst einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 4, der ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 2 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 4 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen.
Der Basisabschnitt 4 ist stirnseitig beidseits jeweils mit Hilfe eines Deckelabschnitts 5, 6 verschlossen. Die Deckelabschnitte 5, 6 sind gewölbt. Ein erster Deckelabschnitt 5 und ein zweiter Deckelabschnitt 6 sind gegensinnig gewölbt, so dass die Deckelabschnitte 5, 6 bezüglich des Basisabschnitts 4 nach außen gewölbt sind. Der Innenbehälter 3 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht. Der Innenbehälter 3 ist aus Edelstahl gefertigt. In dem Innenbehälter 3 ist der flüssige Wasserstoff H2 aufgenommen. In dem Innenbehälter 3 können, solange sich der Wasserstoff H2 im Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone 7 mit verdampftem Wasserstoff H2 und eine Flüssigkeitszone 8 mit flüssigem Wasserstoff H2 vorgesehen sein. Der Wasserstoff H2 weist also nach dem Einfüllen in den Innenbehälter 3 zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Innenbehälter 3 befindet sich eine Phasengrenze 9 zwischen dem flüssigen Wasserstoff H2 und dem gasförmigen Wasserstoff H2.
Der Innenbehälter 3 ist vollständig innerhalb eines zweiten Behälters oder Außenbehälters 10 angeordnet. Der Speicherbehälter 1 ist somit doppelwandig. Auch der Außenbehälter 10 ist rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 2 aufgebaut. Der Außenbehälter 10 umfasst, wie der Innenbehälter 3, einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 11, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 2 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 11 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen.
Der Basisabschnitt 11 ist stirnseitig jeweils von einem Deckelabschnitt 12, 13 verschlossen. Insbesondere sind ein erster Deckelabschnitt 12 und ein zweiter Deckelabschnitt 13 vorgesehen. Die Deckelabschnitte 12, 13 sind gegensinnig gewölbt, so dass die Deckelabschnitte 12, 13 bezüglich des Basisabschnitts 11 nach außen gewölbt sind. Der Außenbehälter 10 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht. Auch der Außenbehälter 10 ist aus Edelstahl gefertigt.
Zwischen dem Innenbehälter 3 und dem Außenbehälter 10 ist ein den Innenbehälter 3 vollständig umhüllender oder einhüllender Spalt 14 vorgesehen. Der Spalt 14 ist mit einem Vakuum beaufschlagt. Unter einem "Vakuum" ist vorliegend insbesondere ein Druck von weniger als 300 mbar, bevorzugt von weniger als 10-3 mbar, weiter bevorzugt von weniger als 10-7 mbar, zu verstehen. Der Speicherbehälter 1 ist somit vakuumisoliert oder vakuumgedämmt. Dass der Spalt 14 den Innenbehälter 3 vollständig "umhüllt" oder "einhüllt" bedeutet vorliegend, dass der Spalt 14 zum einen umfänglich vollständig um den Basisabschnitt 4 umläuft und zum anderen auch zwischen den beiden Deckelabschnitten 5, 12 sowie zwischen den beiden Deckelabschnitten 6, 13 vorgesehen ist. Zwischen dem Innenbehälter 3 und dem Außenbehälter 10 ist ein Schirm oder Schild 15, insbesondere ein sogenannter Soft-Schild, vorgesehen. Der Schild 15 ist somit in dem Spalt 14 platziert. Der Schild 15 ist aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gefertigt. Der Schild 15 ist bevorzugt fluiddurchlässig, insbesondere gasdurchlässig. Der Schild 15 weist einen zylinderförmigen Basisabschnitt 16 auf, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 2 aufgebaut ist. Der Basisabschnitt 16 ist stirnseitig mit Hilfe eines ersten Deckelabschnitts 17 und eines zweiten Deckelabschnitts 18 verschlossen.
Innerhalb des Schilds 15 ist ein Latentwärmespeicher 19 platziert. In der Orientierung der Fig. 1 ist der Latentwärmespeicher 19 neben dem Innenbehälter 3 platziert. Insbesondere ist der Latentwärmespeicher 19 zwischen den Deckelabschnitten 6, 18 angeordnet. Der Latentwärmespeicher 19 ist zumindest abschnittsweise mit einem Phasenwechselmaterial N2 (Engi.: Phase Change Material, PCM) gefüllt, wie nachfolgend noch erläutert wird. Das Phasenwechselmaterial N2 ist vorliegend Stickstoff. Das Phasenwechselmaterial N2 kann jedoch beispielsweise auch Argon sein.
Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass das Phasenwechselmaterial N2 Stickstoff ist. Daher wird das Phasenwechselmaterial N2 im Folgenden als Stickstoff bezeichnet. Der Latentwärmespeicher 19 ist über ein um die Mittelachse 2 umlaufendes Wärmeleitelement 20 mit dem Schild 15, insbesondere mit dem Basisabschnitt 16 des Schilds 15, verbunden. Das Wärmeleitelement 20 kann scheibenförmig sein.
Innerhalb des Latentwärmespeichers 19 ist ein Wärmeübertrager oder Wärmetauscher
21 angeordnet. Der Wärmetauscher 21 ist thermisch leitend mit einer Entnahmeleitung
22 verbunden, die unterhalb der Phasengrenze 9 in den Innenbehälter 3 einmündet, durch den Latentwärmespeicher 19 geführt ist und durch den Schild 15 und den Außenbehälter 10 bis in eine Umgebung 23 des Speicherbehälters 1 geführt ist.
Der Wärmetauscher 21 ist mit der Entnahmeleitung 22 verbunden, so dass die Entnahmeleitung 22 Wärme auf den Wärmetauscher 21 oder umgekehrt übertragen kann. Der Wärmetauscher 21 kann eine mit der Entnahmeleitung 22 verschweißte oder verlötete Metallplatte, insbesondere eine Aluminiumplatte oder eine Kupferplatte, sein. Der Wärmetauscher 21 kann auch aus mehreren derartigen Metallplatten aufgebaut sein.
Aus dem Latentwärmespeicher 19 mündet eine Abblasleitung 24 mit einem Abblasventil 25 aus. Die Abblasleitung 24 kann innerhalb des Schilds 15 geführt sein. Die Abblasleitung 24 kann thermisch leitend mit dem Schild 15 verbunden sein. Die Abblasleitung 24 kann schraubenförmig oder helixförmig um die Mittelachse 2 umlaufen und innenseitig oder außenseitig an dem Schild 15 befestigt sein. Das Abblasventil 25 kann verdampften Stickstoff N2 an die Umgebung 23 abgeben.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines wie zuvor erwähnten Latentwärmespeichers 19.
Der Latentwärmespeicher 19 fungiert als thermischer Puffer des Speicherbehälters 1. Der Latentwärmespeicher 19 umschließt einen Innenraum 26, in dem der Wärmetauscher 21 aufgenommen ist, der in Kontakt mit festem Stickstoff N2 ist. Der Latentwärmespeicher 19 kann vollständig oder teilweise mit dem festen Stickstoff N2 gefüllt sein. Der Innenraum 26 ist zumindest teilweise oder vollständig mit einer wärmeleitenden, fluiddurchlässigen Materialstruktur, wie in diesem Ausführungsbeispiel einem Gestrick 27, gefüllt.
Das Gestrick 27 kann aus Aluminium- und/oder Kupferfäden gefertigt sein. Insbesondere kann das Gestrick 27 Kupfer- und/oder Aluminiumwolle sein. Das Gestrick 27 ist wärmeleitend mit dem Wärmetauscher 21 verbunden. Das Gestrick 27 ist mit dem Stickstoff N2 getränkt. Das gut wärmeleitende Gestrick 27 stellt einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscher 21 und dem festen Stickstoff N2 sicher.
Die Fig. 3 zeigt die Detailansicht III des Speicherbehälters 1 gemäß der Fig. 1.
In dem Spalt 14 ist ein den Innenbehälter 3 vollständig einhüllendes oder umschließendes Wärmedämmelement oder Isolationselement 28 vorgesehen. Das heißt, das Isolationselement 28 umschließt sowohl den Basisabschnitt 4 als auch die Deckelabschnitte 5, 6 des Innenbehälters 3. Das Isolationselement 28 dient der Wärmedämmung. Das Isolationselement 28 ist mehrlagig. Das heißt, das Isolationselement 28 umfasst eine Vielzahl an Lagen oder Schichten. Das
Isolationselement 28 kann daher auch als mehrlagiges Isolationselement oder als mehrlagiges Wärmedämmelement bezeichnet werden.
Insbesondere ist das Isolationselement 28 eine sogenannte Multilayer Insulation (MLI). Das Isolationselement 28 umfasst mehrere abwechselnd angeordnete Schichten oder Lagen aus perforierter und/oder geprägter Aluminiumfolie 29 als Reflektor und Glaspapier 30 als Abstandshalter zwischen benachbarten Aluminiumfolien 29. Das Glaspapier 30 kann perforiert und/oder gelocht sein.
In der Fig. 3 sind jeweils nur zwei Lagen Aluminiumfolie 29 und zwei Lagen Glaspapier 30 mit einem Bezugszeichen versehen. Das Glaspapier 30 wirkt als Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Aluminiumfolien 29, wodurch sich das Isolationselement 28 mit dem in dem Spalt 14 herrschenden Vakuum beaufschlagen lässt. Das Isolationselement 28 liegt außenseitig an dem Innenbehälter 3 an.
Das Isolationselement 28 kann den Spalt 14 teilweise oder - wie in der Fig. 3 gezeigt - vollständig ausfüllen. Der Schild 15 kann in das Isolationselement 28 eingebettet sein. Das heißt, dass innerhalb und außerhalb des Schilds 15 Lagen der Aluminiumfolie 29 und des Glaspapiers 30 vorgesehen sein können. Insbesondere ist der Schild 15 in äußere Lagen des Isolationselements 28 eingebettet. "Außen" ist hier als im Bereich des Außenbehälters 10 zu verstehen.
Die Funktionalität des Speicherbehälters 1 wird nachfolgend erläutert. Im Normalbetrieb des Speicherbehälters 1 erfolgt über die Entnahmeleitung 22 eine im Wesentlichen konstante Entnahme des flüssigen Wasserstoffs H2 aus dem Innenbehälter 3. Wenn der flüssige Wasserstoff H2 durch den Latentwärmespeicher 19 geleitet wird, entzieht dieser dem Stickstoff N2 über den Wärmetauscher 21 und das Gestrick 27 Wärme Q.
Der Stickstoff N2 wird, für den Fall, dass dieser flüssig ist, einem Phasenübergang von flüssig zu fest unterzogen. Für den Fall, dass der Stickstoff N2 schon fest ist, wird dieser in dem festen Zustand gehalten. Das heißt, dass der in dem Latentwärmespeicher 19 aufgenommene Stickstoff N2 im Normalbetrieb des Speicherbehälters 1 fest ist. Dabei ist der Latentwärmespeicher 19 zumindest teilweise thermisch von dem Innenbehälter 3 getrennt.
Gibt es kurzfristig keine Entnahme des flüssigen Wasserstoffs H2 mehr, schmilzt der feste Stickstoff N2 mit einem mäßigen Druckanstieg in dem Latentwärmespeicher 19. Bei dem Schmelzen des festen Stickstoffs N2 entzieht dieser dem Schild 15 über das Wärmeleitelement 20 Wärme Q. Dadurch, dass der Latentwärmespeicher 19 über das Wärmeleitelement 20 mit dem Schild 15 verbunden ist, wird der Schild 15 heruntergekühlt.
Wird anschließend die Entnahme von flüssigem Wasserstoff H2 wieder aufgenommen, erfolgt ein umgekehrter Phasenübergang des Stickstoffs N2 von flüssig zu fest, da der durch die Entnahmeleitung 22 strömende flüssige Wasserstoff H2 dem flüssigen Stickstoff N2 Wärme Q entzieht. Es handelt sich somit im Normalbetrieb des Speicherbehälters 1 um ein geschlossenes System.
Erfolgt über einen längeren Zeitraum keine Entnahme von flüssigem Wasserstoff H2 mehr, so schmilzt der feste Stickstoff N2, beginnt zu sieden und verdampft letztendlich. Der gasförmige Stickstoff N2 kann dann über die Abblasleitung 24 und das Abblasventil 25 in die Umgebung 23 abgeblasen werden. Dabei kann die Abblasleitung 24, wie zuvor erwähnt, schraubenförmig um den Schild 15 umlaufen, wobei der kalte und gasförmige Stickstoff N2 dem Schild 15 weiter Wärme Q entzieht.
Im Normalbetrieb wird durch den Phasenübergang des Stickstoffs N2 von fest zu flüssig und umgekehrt verhindert, dass es über die Abblasleitung 24 und das Abblasventil 25 zu einem Verlust an Stickstoff N2 kommt und/oder dass ein maximal zulässiger Druck innerhalb des Latentwärmespeichers 19 zu hoch gewählt werden muss. Der Wärmeeintrag in den Innenbehälter 3 wird durch den mit Hilfe des Stickstoffs N2 gekühlten Schild 15 während eines Störfalls signifikant reduziert. Dies erhöht die Haltezeit des Wasserstoffs H2.
Der Latentwärmespeicher 19 mitsamt dem Wärmetauscher 21 bildet somit im Normalbetrieb des Speicherbehälters 1 ein geschlossenes System, in dem ein Phasenübergang von fest zu flüssig im Wechsel vorgenommen wird. Nur im Störfall, das heißt, wenn längere Zeit kein flüssiger Wasserstoff H2 mehr entnommen wird, verdampft der Stickstoff N2 und wird in die Umgebung 23 abgeblasen.
Der Füllgrad des Speicherbehälters 1 mit flüssigem Wasserstoff H2 kann im Vergleich zu einem Speicherbehälter ohne einen derartigen Latentwärmespeicher 19 deutlich erhöht werden, so dass bei gleichem Bauraum (Engl.: Footprint) für den Speicherbehälter 1 eine größere Masse an Wasserstoff H2 gespeichert werden kann. Die so erzielte kompakte Bauweise des Speicherbehälters 1 kann vor allem für einen Einsatz auf Schiffen von Vorteil sein, bei denen ein System für flüssigen Wasserstoff H2 nachgerüstet wird. Der Latentwärmespeicher 19 ermöglicht insbesondere eine Notfallkühlung des Schilds 15 und damit auch des Speicherbehälters 1.
Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben des Speicherbehälters 1.
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S1 ein Teil des flüssigen Wasserstoffs H2 über die Entnahmeleitung 22 aus dem Speicherbehälter 1 entnommen. Dabei wird während des Schritts S1 der in dem Latentwärmespeicher 19 aufgenommene Stickstoff N2 mit Hilfe des Übertragens von Wärme Q von dem Stickstoff N2 auf den Wasserstoff H2 einem Phasenübergang von flüssig zu fest unterzogen. Für den Fall, dass der Stickstoff N2 bereits fest ist, bleibt der Stickstoff N2 während des Schritts S1 fest.
In einem Schritt S2 wird der Schritt S1 beendet. Das heißt, dass kein Wasserstoff H2 mehr durch die Entnahmeleitung 22 strömt. Der Schritt S2 kann so lange durchgeführt werden, bis der gesamte Stickstoff N2 geschmolzen ist. Während des Schritts S2 wird der Stickstoff N2 somit einem Phasenübergang von fest zu flüssig unterzogen.
Bei einem Schritt S3, der bevorzugt parallel zu den Schritten S1, S2 durchgeführt wird, wird der Latentwärmespeicher 19 von der Umgebung 23 des Speicherbehälters 1 fluidisch abgetrennt. Die fluidische Trennung des Latentwärmespeichers 19 von der Umgebung 23 wird erst dann aufgehoben, wenn der Stickstoff N2 zumindest teilweise gasförmig ist und sich in dem Latentwärmespeicher 19 ein zu hoher Druck aufbaut. Dies kann während eines Störfalls vorkommen. Der gasförmige Stickstoff N2 wird dann bei Erreichen des maximal zulässigen Drucks innerhalb des Latentwärmespeichers 19 über die Abblasleitung 24 und das Abblasventil 25 in die Umgebung 23 abgeblasen. Während des Schritts S2 wird die für den Phasenübergang des Stickstoffs N2 von fest zu flüssig erforderliche Wärme Q dem den Innenbehälter 3 des Speicherbehälters 1 umschließenden Schild 15 entzogen. Hierdurch wird der Schild 15 gekühlt.
Die Schritte S1 bis S3 werden insbesondere nur im Normalbetrieb des Speicherbehälters 1 durchgeführt, wobei ausschließlich bei einem Störfall des Speicherbehälters das Abblasventil 25 des Speicherbehälters 1 geöffnet wird, wodurch gasförmiger Stickstoff N2 in die Umgebung 23 abgeblasen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
Verwendete Bezugszeichen
1 Speicherbehälter
2 Mittelachse
3 Innenbehälter
4 Basisabschnitt
5 Deckelabschnitt
6 Deckelabschnitt
7 Gaszone
8 Flüssigkeitszone
9 Phasengrenze
10 Außenbehälter
11 Basisabschnitt
12 Deckelabschnitt
13 Deckelabschnitt
14 Spalt
15 Schild
16 Basisabschnitt
17 Deckelabschnitt
18 Deckelabschnitt
19 Latentwärmespeicher
20 Wärmeleitelement
21 Wärmetauscher
22 Entnahmeleitung
23 Umgebung
24 Abblasleitung
25 Abblasventil
26 Innenraum
27 Gestrick
28 Isolationselement
29 Aluminiumfolie
30 Glaspapier g Schwerkraftrichtung
H2 Wasserstoff/Kryogen N2 Stickstoff/Phasenwechsel material
Q Wärme
51 Schritt
52 Schritt S3 Schritt

Claims

Patentansprüche
1. Speicherbehälter (1) zum Speichern eines Kryogens (H2), mit einem Innenbehälter (3) zum Aufnehmen des Kryogens (H2), einem Latentwärmespeicher (19) zum Aufnehmen eines Phasenwechselmaterials (N2), und einer Entnahmeleitung (22) zum Entnehmen nur der flüssigen Phase des Kryogens (H2) aus dem Innenbehälter (3), wobei die Entnahmeleitung (22) derart mit dem Latentwärmespeicher (19) wirkverbunden ist, dass in der Entnahmeleitung (22) aufgenommenes flüssiges Kryogen (H2) in einem Wärmeaustausch mit dem Phasenwechselmaterial (N2) steht, und wobei der Latentwärmespeicher (19) ausschließlich mit Hilfe einer Abblasleitung (24) mit einer Umgebung (23) des Speicherbehälters (1) fluidisch verbindbar ist.
2. Speicherbehälter nach Anspruch 1 , wobei die Entnahmeleitung (22) durch den Latentwärmespeicher (19) hindurchgeführt ist.
3. Speicherbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der Entnahmeleitung (22) ein Wärmetauscher (21) angebracht ist, der innerhalb des Latentwärmespeichers (19) angeordnet ist.
4. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei der Latentwärmespeicher (19) zumindest abschnittsweise mit einer wärmeleitenden, fluiddurchlässigen Materialstruktur, insbesondere einem Gestrick (27), gefüllt ist.
5. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei die Abblasleitung (24) ein Abblasventil (25) zum Abblasen des Phasenwechselmaterials (N2) in die Umgebung (23) aufweist.
6. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 5, ferner aufweisend einen Schild (15), der den Innenbehälter (3) und den Latentwärmespeicher (19) umschließt, wobei der Latentwärmespeicher (19) thermisch leitend mit dem Schild (15) verbunden ist.
7. Speicherbehälter nach Anspruch 6, wobei der Latentwärmespeicher (19) zwischen einem Deckelabschnitt (6) des Innenbehälters (3) und einem Deckelabschnitt (18) des Schilds (15) angeordnet ist.
8. Speicherbehälter nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Abblasleitung (24) thermisch leitend mit dem Schild (15) verbunden ist.
9. Speicherbehälter nach Anspruch 8, wobei die Abblasleitung (24) innenseitig oder außenseitig schraubenförmig um den Schild (15) umläuft.
10. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 6 - 9, ferner aufweisend einen Außenbehälter (10), der den Schild (15) umschließt.
11. Speicherbehälter nach Anspruch 10, ferner aufweisend ein mehrlagiges Isolationselement (28), das einen zwischen dem Innenbehälter (3) und dem Außenbehälter (10) vorgesehenen Spalt (14) zumindest abschnittsweise ausfüllt.
12. Speicherbehälter nach Anspruch 11 , wobei der Schild (15) in das Isolationselement (28) eingebettet ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines Speicherbehälters (1) nach einem der Ansprüche 1-12 zum Speichern eines Kryogens (H2), mit folgenden Schritten: a) Entnehmen (S1) von flüssigem Kryogen (H2) aus dem Speicherbehälter (1), wobei während des Schritts a) ein in einem Latentwärmespeicher (19) des Speicherbehälters (1) aufgenommenes Phasenwechselmaterial (N2) mit Hilfe eines Übertragens von Wärme (Q) von dem Phasenwechselmaterial (N2) auf das flüssige Kryogen (H2) einem Phasenübergang von flüssig zu fest unterzogen wird, oder wobei das Phasenwechselmaterial (N2) während des Schritts a) fest bleibt, b) Beenden (S2) des Schritts a), wobei das Phasenwechselmaterial (N2) einem Phasenübergang von fest zu flüssig unterzogen wird, und c) fluidisches Trennen (S3) des Latentwärmespeichers (19) von einer Umgebung (23) des Speicherbehälters (1) während der Schritte a) und b).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei während des Schritts b) für den Phasenübergang erforderliche Wärme (Q) einem einen Innenbehälter (3) des Speicherbehälters (1) umschließenden Schild (15) entzogen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Schritte a) bis c) in einem
Normalbetrieb des Speicherbehälters (1) durchgeführt werden, und wobei ausschließlich bei einem Störfall des Speicherbehälters (1) ein Abblasventil (25) des Speicherbehälters (1) geöffnet wird, wodurch gasförmiges Phasenwechselmaterial (N2) in die Umgebung (23) abgeblasen wird.
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